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Dauerhaftigkeit von Beton - Wirkungsweisen von Betonzusatzstoffen zur Vermeidung einer AKR

Durability of concrete - effectiveness of supplementary cementing materials to avoid ASR

  • Auch 75 Jahre nach einem ersten dokumentierten Schadensfall stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ein aktuelles Problem dar. International werden derartige Schäden durch diese chemische Reaktion durch die Verwendung von mineralischen Betonzusatzstoffen im Beton maßgeblich vermindert. Einen besonderen Einfluss hat dabei das gelöste Aluminium aus den Zusatzstoffen, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend geklärt ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung und dem Vergleich der Wirkungsweise aluminiumhaltiger Betonzusatzstoffe unterschiedlicher Art und Herkunft und deren Wechselwirkungen sowohl mit der Porenlösung als auch der Zementsteinmatrix. Die Spannweite der untersuchten Zusatzstoffe (ZS) reicht dabei von rein siliciumhaltigen ZS, wie Microsilica, über aluminium-/siliciumhaltige (z.B. Metakaolin) bis hin zu rein aluminiumhaltigen ZS. Als Ausgangspunkt wurden Betonproben mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung (GK) untersucht, bei denen ein teilweiser Austausch des Zementes durch die ZS mitAuch 75 Jahre nach einem ersten dokumentierten Schadensfall stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ein aktuelles Problem dar. International werden derartige Schäden durch diese chemische Reaktion durch die Verwendung von mineralischen Betonzusatzstoffen im Beton maßgeblich vermindert. Einen besonderen Einfluss hat dabei das gelöste Aluminium aus den Zusatzstoffen, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend geklärt ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung und dem Vergleich der Wirkungsweise aluminiumhaltiger Betonzusatzstoffe unterschiedlicher Art und Herkunft und deren Wechselwirkungen sowohl mit der Porenlösung als auch der Zementsteinmatrix. Die Spannweite der untersuchten Zusatzstoffe (ZS) reicht dabei von rein siliciumhaltigen ZS, wie Microsilica, über aluminium-/siliciumhaltige (z.B. Metakaolin) bis hin zu rein aluminiumhaltigen ZS. Als Ausgangspunkt wurden Betonproben mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung (GK) untersucht, bei denen ein teilweiser Austausch des Zementes durch die ZS mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten erfolgte. Anhand der Dehnungen der Betonbalken, gelagert bei 40°C (Nebelkammer), konnten erste deutliche Unterschiede hinsichtlich der dehnungsreduzierenden Wirkung der ZS in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer unter konstanten Bedingungen gezeigt werden. In einem zweiten Schritt galt es, dass Löseverhalten der ZS in alkalischer Lösung unterschiedlicher Konzentrationen (1M bzw. 0,1M KOH-Lösung) sowohl bei 40°C als auch bei 80°C und mit unterschiedlichen Feststoff/Laugenverhältnissen zu untersuchen. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Silicium als auch Aluminium in ausreichender Konzentration aus dem ZS gelöst werden müssen, wobei das Si/Al-Verhältnis entscheidend für eine dauerhafte AKR-vermeidende Wirkung im Beton ist. Untersuchungen an Zement/ZS-Mischungen sollten neue Erkenntnisse über die stofflichen Veränderungen sowohl am erhärteten Zementstein als auch in der ausgepressten Porenlösung liefern, die wesentlich durch die ZS beeinflusst werden. Der Vergleich mit den Dehnungen des Betonversuchs zeigte, dass die ZS, die neben Al auch Si in ausreichender Konzentration lösen, im Wesentlichen sowohl durch die Absenkung der Hydroxid- und Alkaliionenkonzentration als auch durch die Bildung zusätzlicher C-S-H- und/oder C-A-S-H-Phasen eine Dehnungsreduzierung bewirken. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Mischung eines silicium- mit einem aluminiumreichen ZS in gleichen Anteilen zwar ermöglicht, die Wirkungen eines nachweislich AKR-vermeidenden ZS auf die Porenlösung und die Zementsteinmatrix annähernd nachzustellen, die langfristige Dehnungsreduzierung mit dieser Mischung im Beton jedoch nicht erreicht werden konnte. Folglich gibt es neben den nachgewiesenen Wechselwirkungen zwischen ZS und alkalischer Lösung bzw. Zementsteinmatrix weitere Reaktionen insbesondere auch mit der GK, die entscheidend für die dauerhafte Vermeidung einer AKR im Beton durch die Zugabe von ZS sind.show moreshow less
  • Even 75 years after the first documented case of damage, the alkali-silica reaction (ASR) is still a current problem. International studies have shown that such damage can already be significantly reduced through both the exchange of aggregate and/or the use of cements with a low effective alkali content as well as by the use of supplementary cementing materials (SCMs) in concrete. The dissolved aluminium from the SCM has a special influence here, but its effectiveness has not yet been sufficiently clarified. The present work deals with the investigation and the comparison of the effectiveness of aluminous SCMs of various type and origin and their interactions with both the pore solution and the cement stone matrix. The kinds of the studied SCMs range from purely silicon-containing SCMs such as microsilica, via aluminium/silicon-containing SCMs (e.g. metakaolin) to pure aluminium-containing SCMs. As a starting point, concrete prisms with an alkali-reactive aggregate were analyzed, in which Portland cement was proportionally replacedEven 75 years after the first documented case of damage, the alkali-silica reaction (ASR) is still a current problem. International studies have shown that such damage can already be significantly reduced through both the exchange of aggregate and/or the use of cements with a low effective alkali content as well as by the use of supplementary cementing materials (SCMs) in concrete. The dissolved aluminium from the SCM has a special influence here, but its effectiveness has not yet been sufficiently clarified. The present work deals with the investigation and the comparison of the effectiveness of aluminous SCMs of various type and origin and their interactions with both the pore solution and the cement stone matrix. The kinds of the studied SCMs range from purely silicon-containing SCMs such as microsilica, via aluminium/silicon-containing SCMs (e.g. metakaolin) to pure aluminium-containing SCMs. As a starting point, concrete prisms with an alkali-reactive aggregate were analyzed, in which Portland cement was proportionally replaced by the SCMs with different aluminium contents. With the expansions of the concrete prisms, stored at 40°C in the fog chamber, first clear differences in the expansion-reducing effect of the SCMs as a function of storage time under constant conditions were shown. In a second step, the dissolving behavior of the SCMs was studied in alkaline solution of different concentrations (1M or 0.1M KOH solution) both at 40°C and at 80°C and with different solid/lye ratios. It was demonstrated that both silicon and aluminium must be dissolved in a sufficient concentration from the SCM, while the Si/Al ratio is essential to achieve a durable effect to avoid ASR in concrete. Investigations on cement/SCM mixtures were to deliver new insights into the material changes at both the hardened cement stone and in the pressed out pore solutions, which are significantly influenced by the SCMs. By comparing with the expansions of the concrete experiment, it was demonstrated that the SCMs which dissolve silicon in addition to aluminium in sufficient concentration, essentially cause an expansion reduction by lowering the hydroxide and alkali ion concentration as well as by forming additional C-S-H and/or C-A-S-H phases. Moreover, it was found that the mixture of a silicon-rich with an aluminium-rich SCM in equal proportions allows indeed nearly reproduce the effects of a proven ASR-avoidant SCM on the pore solution and the cement stone matrix. However, the long-term expansion reduction with this mixture in concrete could not be reached. It can be concluded that, in addition to the proven interaction between SCM and alkaline solution or cement stone matrix, there are other reactions especially with the aggregate which are significant for the long-term avoidance of ASR in concrete by the addition of SCM.show moreshow less

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Metadaten
Author: Yvonne Scholz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42076
Referee / Advisor:apl. Prof. PD Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Hünger, Prof. Dr. rer. nat. habil. Dietmar Stephan, apl. Prof. PD Dr.-Ing. habil. Angelika Mettke
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/08/08
Release Date:2017/06/28
Tag:AKR; Alkali-Kieselsäure-Reaktion; Beton; Vermeidung; Zusatzstoffe
ASR; Alkali-silica reaction; Concrete; Durability; Supplementary cementing materials SCMs
GND Keyword:Beton; Betonzusatzstoff; Alkali-Kieselsäure-Reaktion
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Baustoffe und Bauchemie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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