Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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AKR an Betonfahrbahndecken – ausgewählte Einflussgrößen und neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2019)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt Schäden an vor 2005 hergestellten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag zunächst die Voraussetzungen und ausgewählte Einflussgrößen für eine schädigende AKR aufgezeigt. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Rolle des Tausalzeintrags durch den Winterdienst bei Betonfahrbahndecken geschenkt. So wird mit Löseversuchen in 1 M KOH-Lösung zweier Gesteinskörnungen bei 80 °C gezeigt, dass mit zunehmender NaCl-Zugabe die Löslichkeit von SiO2 zunimmt und die von Al2O3 eine Verminderung erfährt. Basierend auf dem so exemplarisch erbrachten Nachweis für die Verstärkung der schädigenden AKR durch das Tausalz wird die Notwendigkeit und Richtigkeit der Durchführung von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr im ARS 04/2013 zur zukünftigen Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im Rahmen von Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen im Bundesfernstraßennetz belegt. Zusätzlich durchgeführte WS-Grundprüfungen nach dem ARS 04/2013 mit den beiden Gesteinskörnungen der Löseversuche veranschaulichen, dass die nach der Alkali-Richtlinie des DAfStb als unbedenklich eingestuften Gesteinskörnungen bei den Betonversuchen mit Alkalizufuhr durchaus als alkaliempfindlich bewertet werden können. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der für den Betonstraßenbau verfügba-ren Gesteinskörnungen. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung der als grenzwertig alkaliemp-findlich eingestuften Gesteinskörnungen erlaubt. Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung bzw. Verminderung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorha-ben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorge-stellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (D > 8)/Unterbeton und einem Oberbeton 0/8 mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss zweier Hydrophobierungsmit-tel auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letz-teren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss beider Hydro-phobierungsmittel auf die schädigende AKR mittels AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr beleuchtet. Dabei gelangen ergänzend zur Beurteilung des Tausalzeintrags die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) und zur Bewertung der Ausprägung der AKR und sekundä-ren Ettringitbildung (SEB) die Dünnschliffmikroskopie zum Einsatz.
AKR an Betonfahrbahndecken - ausgewählte Einflussgrößen und neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2019)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt Schäden an vor 2005 hergestellten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag zunächst die Voraussetzungen und ausgewählte Einflussgrößen für eine schädigende AKR aufgezeigt.
Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Rolle des Tausalzeintrags durch den Winterdienst bei Betonfahrbahndecken geschenkt. So wird mit Löseversuchen in 1 M KOH-Lösung zweier Gesteinskörnungen bei 80 °C gezeigt, dass mit zunehmender NaCI-Zugabe die Löslichkeit von SiÖ2 zunimmt und die von AI2O3 eine Verminderung erfährt. Basierend auf dem so exemplarisch erbrachten Nachweis für die Verstärkung der schädigenden AKR durch das Tausalz wird die Notwendigkeit und Richtigkeit der Durchführung von AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr im ARS 04/2013 zur zukünftigen Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im Rahmen von Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen im Bundesfernstraßennetz belegt. Zusätzlich durchgeführte WS-Grundprüfungen nach dem ARS 04/2013 mit den beiden Gesteinskörnungen der Löse versuche veranschaulichen, dass die nach der Alkali-
Richtlinie des DAfStb als unbedenklich eingestuften Gesteinskörnungen bei den Betonversuchen mit Alkalizufuhr durchaus als alkaliempfindlich bewertet werden können. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der für den Betonstraßenbau verfügbaren Gesteinskörnungen.
Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung der als grenzwertig alkaliempfindlich eingestuften Gesteinskörnungen erlaubt.
Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung bzw. Verminderung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Aufträge der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (D > 8)/Unterbeton und einem Oberbeton 0/8 mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss zweier Hydrophobierungsmittel auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss beider Hydrophobierungsmittel auf die schädigende AKR mittels AKR-Betonversuchen mit Alkalizufuhr beleuchtet. Dabei gelangen ergänzend zur Beurteilung des Tausalzeintrags die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) und zur Bewertung der Ausprägung der AKR und sekundären Ettringitbildung (SEB) die Dünnschliffmikroskopie zum Einsatz.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität von atmosphärisch gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Untersuchungen an Reinzink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung und -prüfung verdeutlicht. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse zur Deckschichtbildung von Zink unter atmosphärischen Bedingungen vorgestellt.
Die Kenntnis von Materialeigenschaften spielt bei der Entwicklung oder Optimierung von
Betonen und Bauweisen für den Straßenbau sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung eine bedeutende Rolle. Gleichermaßen bilden physikalische Materialkennwerte die Grundlage für die rechnerische Dimensionierung und die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahndecken.
Einen relevanten Kennwert bei der Untersuchung thermisch induzierter Spannungsund Verformungszustände stellt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Beton dar.
Dieser beeinflusst beispielsweise maßgeblich das Längsdehnungsverhalten des Deckensystems sowie das Ausmaß von Plattenkrümmungen und Fugenbewegungen. Im Zuge der systematischen Weiterentwicklung der rechnerischen Dimensionierung aber auch im Zusammenhang mit der gezielten Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Fahrbahndecken gilt es zu hinterfragen, ob lastunabhängige Formänderungseigenschaften, wie z. B. der thermische Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Betone, aktuell ausreichend Beachtung finden, ob allgemeine Literaturwerte für die heutigen Fahrbandeckenbetone stets Gültigkeit besitzen und ob deren Implementierung in moderne Rechenmodelle zu validen Ergebnissen führt. Für eine empirische Herangehensweise ist die Verfügbarkeit adäquater Prüfverfahren von entscheidender Bedeutung. In Deutschland existiert aktuell jedoch kein standardisiertes oder genormtes Verfahren für die prüftechnische Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beton. Daher wurden unter Beachtung straßenbauspezifischer Gesichtspunkte zwei Prüfansätze entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt und hinsichtlich möglicher Messunsicherheiten und Messungenauigkeiten diskutiert werden.
Außerdem erfolgt die Darstellung ausgewählter Ergebnisse aus Analysen an Bestandsbetonen aus dem BAB-Netz. Im Ergebnis sollen die Untersuchungen einen Beitrag zur Schaffung der prüftechnischen Voraussetzungen für eine abgesicherte Quantifzierung der thermischen Dehnung von Fahrbahndeckenbetonen leisten.
Verstärkt auftretende Schäden in Betonfahrbahndecken des Bundesfernstraßennetzes, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden, haben zu einer massiven Verschärfung der Prüfvorschriften zur Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Ge-steinskörnungen geführt. Die damit verbundene Einschränkung potenziell für den Straßenbau einsetzbarer Gesteinskörnungen ruft eine verstärkte Ressourcenknappheit und ein erhöhtes Transport- und damit einhergehendes Kostenaufkommen hervor. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung grenzwertig alkaliempfindlich eingestufter Gesteinskörnungen erlaubt. Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungs-prozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innen-hydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zur-zeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste ausgewählte Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (0/8) mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss eines Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganz-heitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygri-schen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Innenhydrophobierung auf die schädigende AKR mittels verschie-denartiger AKR-Performanceprüfungen beleuchtet.
In Deutschland fallen jährlich 20 Millionen Tonnen Altpapier an. 75 % davon werden dem Recyclingprozess zugeführt. Dabei bleiben Prozessrückstände wie Deinkingschlämme, Sortierrückstände und Faserreststoffe übrig. Zusammengefasst als Papierschlamm verwerten die Recycler diesen Reststoff thermisch in dezentralen Heizkraftwerken. Die dabei anfallende Papierasche hat mit den Anteilen der Hauptoxide von 59 M.-% CaO, 22 M.-% SiO2 und 13 M.-% Al2O3 eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie Portlandzement, wobei sich die Mineralphasen unterscheiden. Durch eine Aktivierung der Papierasche können jedoch hydraulisch aktive Phasen wie Mayenit (C7A12) und Belit (C2S) erzeugt werden. Die Mineralphase Mayenit reagiert schnell mit Wasser zu Calciumaluminathydraten, wodurch der Bindemittelleim schnell ansteift. Die festigkeitsbildenden Calciumsilicathydrate (CSH) in Bindemittelleimen entstehen bei einer späteren Reaktion von Belit mit Wasser.
Zur Aktivierung dient eine hydrothermale Calcinierung. Dabei wird Papierasche mit einer Aktivatorlösung (Wasser oder KOH) gemischt und bei 200 °C hydrothermal behandelt, wobei sich Hydratphasen ausbilden. Diese Zwischenprodukte dehydratisieren durch eine anschließende Calcinierung zu reaktiven Calciumsilicaten und Calciumaluminaten. Wie sich die Parameter des Aktivierungsprozesses auf die Mineralphasen auswirken, war Fokus der Untersuchungen. Mit thermogravimetrischen Analysen der Zwischenprodukte konnten die Reaktionsprodukte nach dem hydrothermalen Prozessschritt bestimmt werden. Den größten Einfluss auf den Mineralphasenbestand hat hierbei die Alkalität der Aktivatorlösung. Im zweiten Prozessschritt, der Calcinierung, ist die Temperatur der wesentliche Faktor für die Ausbildung reaktiver Phasen. Die Ergebnisse kalorimetrischer Untersuchungen an Leimen aus den calcinierten Proben dienten der Auswahl der optimalen Calcinierungstemperatur. Die gesamte Reaktionswärme war für die Proben, welche bei einer Calcinierungstemperatur zwischen 700-800 °C hergestellt wurden, am höchsten.
Explosive spalling is caused by, among others, the thermohydraulic spalling mechanism. During this process, vaporization, dehydration, moisture-transport and condensation processes interact. As a result, a drying and dehydration zone as well as a saturated zone, known as a moisture clog, are observed inside the unilaterally-heated concrete. The presented research is focused on the experimental investigation of the underlying thermohydraulic processes.
To investigate these, a test methodology based on X-ray computed tomography (CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) was developed. Thereby, the X-ray CT scans are carried out simultaneously during the application of a defined unilateral-heating regime on a specially-constructed specimen. This miniaturized specimen, equipped with a double-layer casing, reproduces the condition within a planar, unilaterally-heated building component.
A preliminary test methodology and the first experimental results were presented at the 5th International Workshop on Concrete Spalling in Borås, Sweden (2017). The contribution for the upcoming workshop presents an improved version of this test methodology and new results for a high-performance concrete (HPC) mixture exposed to temperatures up to 500 °C. Regarding the CT measurements, a higher time-resolution of 15 min was achieved and a quantification of the moisture changes was implemented. Due to an increase in signal quality of the NMR measurements, a pore-size specific moisture distribution can now be resolved. This allows to conclude about the moisture reconfiguration between small gel pores and larger interhydrate pores. Additionally, the NMR measurement are no longer limited to first 2.5 cm below the heated surface but a one-dimensional moisture distribution can now be estimated over the whole 10 cm long specimen.
The presented results demonstrate that the combination of X-ray CT and NMR measurements enables to image and quantify the thermally-induced moisture transport and reconfiguration from small gel pores up to macro pores. This provides important insights into the thermohydraulic damage mechanism and leads to a better understanding of spalling avoidance strategies, like the addition of polypropylene fibres.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem KunststoffSpritzguss hergestellt wurden.
Metallene Konstruktionswerkstoffe reagieren infolge ihres thermodynamisch instabilen Zustandes mehr oder weniger stark mit Stoffen aus der Umgebung. Eine große Rolle bei diesen Reaktionen spielt das Feuchtigkeitsangebot an der Metalloberfläche, welches nicht zwingend mit einem sichtbaren Wasserfilm einhergehen muss. An der Atmosphäre bilden sich an sauberen Metalloberflächen bei etwa 80 % relativer Luftfeuchte, bei versalzten Oberflächen auch schon ab etwa 25 % r. F., Feuchtfilme aus. Im Feuchtfilm laufen grundsätzlich die gleichen elektrochemischen Reaktionen ab, wie diese von wässrigen Medien bekannt sind. Dabei geht das Metall zunächst in Ionenform und in nachgelagerten Reaktionen in einen thermodynamisch stabilen Zustand in Form unterschiedlichster Oxid- und Hydroxidverbindungen über. Die so entstehenden Korrosionsprodukte können im Feuchtigkeitsfilm begrenzt löslich oder unlöslich sein und lagern sich auf den Oberflächen der Konstruktionswerkstoffe häufig als feste Korrosionsprodukte ab bzw. wachsen dort auf. Je nachdem wie die Korrosionsprodukte strukturell zum Untergrund passen, können sich dichte, sehr gut haftende Schichten ausbilden oder poröse, dicke Schichten ohne nennenswerte Haftung aufwachsen. Wachsen dichte, porenfreie Schichten mit guter Haftung auf, die im umgebenden Medium unlöslich sind, wird die weitere Auflösung des Metalls stark gehemmt. Man spricht dann von der Ausbildung schützender Deckschichten bzw. von Passivschichten auf welcher der Korrosionsschutz und damit die Dauerhaftigkeit vieler Konstruktionswerkstoffe beruhen. Kaesche bezeichnete die Passivität sehr treffend als „optimalen Grenzfall des Korrosionsschutzes durch Schichten von Korrosionsprodukten“. Aus technischer Sicht hält Kaesche eine Unterscheidung von Deckschichten bzw. Passivschichten für nicht zwingend erforderlich, da beide die Korrosionsgeschwindigkeit in gleichem Maß herabsetzen können. Die Übergänge zwischen den meist dickeren und dadurch sichtbaren Deckschichten und den meist dünnen, nicht sichtbaren Passivschichten sind fließend.