LS Baustoffe und Bauchemie
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Die schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton stellt in Teilbereichen nach wie vor ein Problem bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit von Beton dar. Eine der häufigsten Fragestellungen ist immer noch eine schnelle und sichere Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen für die Betonherstellung. Darüber hinaus erscheint in Zeiten der Ressourceneinsparung der Ausschluss von Gesteinskörnungen auf Grund unzureichender Kenntnis der Alkaliempfindlichkeit nicht zukunftsorientiert. Weiterhin wird oft nur die makroskopische Betrachtung von Betonen oder Mörtelprismen zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen herangezogen, wobei die bei der AKR stattfindenden Prozesse nicht genügend berücksichtigt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Beitrag von Gesteinskörnungen zur AKR im Beton untersucht, um die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen zu quantifizieren und die zu erwartende Schädigung des Betons durch die Gesteinskörnung detaillierter als bisher klassifizieren zu können. Im Vordergrund der Arbeit stand dabei das Verständnis der Auflösungsprozesse von Gesteinskörnungen in KOH-Lösungen (pH ≥ 13) bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen.
An vier Gesteinskörnungen wurde der 40 °C-Betonversuch durchgeführt, um die Alkaliempfindlich-keit der Gesteinskörnungen zu dokumentieren. Weiter wurden die Gesteinskörnungen mit dem Schnellprüfverfahren untersucht sowie petrografisch und mineralogisch begutachtet. Dabei stimm-ten die Ergebnisse nur teilweise mit denen des 40 °C-Betonversuchs überein. Anhand von Löseversuchen an den originalen Lieferkörnungen der Gesteinskörnungen bei 40 °C und mit 1,0 M KOH-Lösung war es möglich, die Reaktivität der Gesteinskörnungen mit den ermittelten SiO₂- und Al₂O₃-Konzentrationen der alkalischen Lösungen zu beschreiben. Bei den Untersuchungen von verschiedenen Varianten zur Beschleunigung der Löseversuche konnten durch eine erhöhte Temperatur von 80 °C und eine abgesenkte Konzentration der KOH-Lösung von 0,1 M innerhalb von 56 Tagen vergleichbare Ergebnisse zu den Resultaten der Löseversuche bei 40 °C und 1,0 M KOH-Lösung erreicht werden.
In der alkalischen Lösung wird ein bestimmter Teil des gelösten SiO₂ durch ebenfalls vorhandenes Al₂O₃ alumosilikatisch gebunden. Der verbleibende Teil des gelösten SiO₂ steht für eine AKR zur Verfügung. Aus der zeitabhängigen Darstellung dieser SiO₂-Konzentration wurde die Lösegeschwindigkeit ermittelt. Dabei wurden vier aufeinanderfolgende Phasen dem Dehnungs- und Rissbreitenverlauf der Probekörper des 40 °C-Betonversuchs zugeordnet. Zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung sind die Lösegeschwindigkeiten der letzten drei Phasen entscheidend.
Nach der Entwicklung dieser Vorgehensweise an den vier untersuchten Gesteinskörnungen wurde diese Methode bei weiteren Gesteinskörnungen angewendet. Die ermittelten Lösegeschwindigkeiten stellten ebenfalls ein exaktes Abbild der Ergebnisse des 40 °C-Betonversuchs dar. Die entwickelte Methode bietet eine Möglichkeit, die Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung schnell, sicher und genauer als bisher zu bestimmen. Besonders vorteilhaft sind dabei die direkte Prüfung der Gesteinskörnung an der originalen Korngröße (Lieferkörnung), wie diese auch im Beton eingesetzt wird, die zementunabhängige Prüfung, sowie die einfache experimentelle Durchführung und Auswertung.
Darüber hinaus zeigte sich bei der Anwendung der Methode, dass neben der Gesteinskörnung selbst auch der Einfluss von Zusatzstoffen auf die Löslichkeit von Gesteinskörnungen beurteilt werden kann. Erste Ergebnisse belegen den löseinhibierenden Effekt des aluminiumhaltigen Zusatzstoffes Metakaolin durch die Blockierung der Oberfläche einer reaktiven Gesteinskörnung im Alkalischen.
Die Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit präkambrischer Grauwacken aus der Lausitz ist derzeit nur anhand indirekter Kriterien (Dehnungen und Rissbildungen) über eine aufwendige und langwierige Betonprüfung nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie des DAfStb möglich. Aufgrund fehlender Kenntnisse zum Reaktionsmechanismus der Grauwacken im alkalischen Milieu von Betonen ist es trotz intensiver Forschung bisher nicht gelungen, eine sichere Beurteilung auch kurzfristig durch direkte Prüfungen am Gesteinskorn selbst vorzunehmen. Im Ergebnis dieser Arbeit wird nunmehr nachgewiesen, dass das aus den Grauwacken im Alkalischen lösliche Aluminium die Schädigungsreaktion des Gesteins im Beton entscheidend steuert, indem es ebenfalls lösliche Kieselsäure über eine alumosilicatische Komplexbildung in nicht quellfähige Reaktionsprodukte einbindet. Somit kann sich ausschließlich die nicht an Aluminium gebundene Kieselsäure („Kieselsäureüberschuss“) in der Lösung über eine Alkalisilicat-Gel-Bildung an der Betonschädigung beteiligen und infolge dessen als direktes chemisches Kriterium einer Alkaliempfindlichkeit herangezogen werden. Diese Theorie wird durch die direkte Gegenüberstellung von Kieselsäureüberschuss und Betondehnung für mehrere Grauwacken verschiedener Steinbrüche der Lausitz bestätigt. Es wird gezeigt, dass eine Einstufung präkambrischer Grauwacken in Alkaliempfindlichkeitsklassen nun erstmals durch eine Prüfung unmittelbar am Korn und zugleich innerhalb von nur 14 Tagen auf der sicheren Seite liegend erfolgen kann.
Die vorliegende Arbeit vermittelt die entsprechenden selbst entwickelten mathematischen Anwendungen auf die unterschiedlichen Einwanderungen der Flüssigkeiten in geometrisch unterschiedliche Porenbeton-Körper. Zudem wird nachgewiesen, dass man mittels der Gesetzmäßigkeiten bereits mittels wenigen Versuchen das Einwanderungsverhalten zuverlässig einstufen kann. Kennzeichnend für die Gesetzmäßigkeiten ist, dass sie nur wenige Hilfsgrößen enthalten, nämlich nur Flüssigkeitsaufnahme-Kennwerte und maximale Flüssigkeitsanreicherungs-Angaben. Die Arbeit beinhaltet zudem auch die Auswirkung von Porenbeton-Beschichtungen auf die Frost-Tau-Beständigkeit. Umfangreiche Schadensanalysen zeigen, dass Porenbetone außer den abträglichen Flüssigkeitseinwirkungen mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auch anderen schädigenden Einflüssen unterliegen können.