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 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.
Alkali silica reaction (ASR) is a major concrete durability problem resulting in significant maintenance and reconstruction costs for concrete infrastructures all over the world. To determine whether an aggregate is potentially reactive, accelerated concrete tests are used. Aim of this study is the chemical and microstructural characterization of ASR-products formed under the performance conditions of motorway pavements and during subsequent tests on the remaining ASR susceptibility. Samples were taken from concrete motorway pavements. Some of the samples already showed first indications for beginning damages whereas others showed deteriorations only after applying a performance testing procedure for the estimation of future risk of ASR damage. In a first step ASR-products were identified by polarized light microscopy in thin sections. The reaction products where then analyzed by Raman Spectroscopy and finally the chemical composition of the ASR-products was identified by SEM with EDX.
The results indicate that most reaction products show an increasing Ca/Si-ratio with progressive crack length. If an ASR-product develops inside an aggregate and moves through the cement paste, it has a high (Na+K)/Si-ratio at the beginning which decreases with increasing distance from its place of origin. The Raman spectra of the ASR-products are characterized by two broad bands indicating specific Q-species of different amorphous gel networks. Within the scope of the analysis distinctions in the microstructure and the chemical composition of the ASR-gels were detected relating to various conditions of accelerated testing.
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 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 der Innenhydrophobierung auf die schädigende AKR mittels verschiedenartiger AKR-Performanceprüfungen beleuchtet.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
Ultra high performance concrete (UHPC) is characterised by its high compressive strength of more than 150 MPa and its high durability. Due to thermal treatment at 90°C a strength comparable to the 28-days-strength can be achieved immediately after the treatment and in some cases can be even further increased up to 30 %. The explanations for the increase in strength are the accelerated hydration of the clinker minerals and the intensified pozzolanic reaction contributing to a denser microstructure and hence, a high performance in compressive strength.
Former research shows that thermal treatment can lead to inhomogeneities in form of a visible zonation within the cross-section. The width of the margin increases with shorter pre-storage time before the thermal treatment and with omitting protective measures against desiccation during the treatment. Specimens exhibiting a zonation typically show a lower compressive strength compared to the undisturbed reference whereas changes in chemistry, mineral content and microstructure were not reported in detail.
In this study the zonation of thermally treated UHPC is investigated with respect to its chemistry, mineral composition and microstructure to allow predictions on durability and strength development. Measurements show a change in pore sizes, minerals phase composition and element distribution leading to the visible zonation and weaker bending tensile strength compared to the reference.
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.
Beton, der heutzutage meist verwendete Baustoff, weist neben gutem Festigkeits- und Dauerhaftig-keitsverhalten ebenfalls erhöhte Brandschutzeigenschaften auf. Jedoch zeigen zahlreiche Schadensfälle, dass vor allem gefügedichte Betone im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen neigen. Diese führen zum Freilegen der vorhandenen Stahlbewehrung und zur Verminderung des tragfähigen Bauteilquer-schnitts. Das wiederum kann im schlimmsten Fall eine Gefährdung der Standsicherheit eines Bauwerks zur Folge haben.
Nach derzeitigem Stand werden die explosionsartigen Abplatzungen auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des hochfesten Betons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Die experimentelle Analyse der dabei ablaufenden Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsmechanismen ist Gegenstand des Vortrags.
Dazu wurde an der BAM im Rahmen eines MI-Typ 2 Projektes (FB 7.1, 7.3, 8.5) ein Versuchsstand aufgebaut, der die dreidimensionale, simultane Analyse und Quantifizierung des Feuchtetransports an einsei-tig erwärmten, miniaturisierten Prüfkörpern aus gefügedichtem Beton mittels Röntgencomputertomographie erstmals ermöglicht. Zusätzlich wird die eindimensionale Feuchteverteilung im Prüfkörper mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technik vor und nach einseitiger Erwärmung untersucht. Mithilfe dieser Prüfmethodologie ist es möglich, die Ausbildung einer Trocknungs- bzw. Dehydrationszone sowie einer tiefergelegenen Feuchteakkumulationszone zeitlich aufgelöst abzubilden. Darüber hinaus können die Einflüsse einer Polypropylenfaserzugabe auf den thermisch induzierten Feuchtetransport quantifiziert werden.