Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton handelt es sich um eine Reaktion zwischen der reaktiven Kieselsäure in den Zuschlägen und den in der Porenlösung gelösten Alkalien. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zu einer Volumenzunahme im Umfeld der reaktiven Zuschlagskörner. Daraus resultieren dann Schäden wie Risse, Abplatzungen (pop-outs) und Ausblühungen. Die Verhinderung dieser Schäden ist für die Gewährleistung der Dauerbeständigkeit von Betonkonstruktionen von entscheidender Bedeutung.
STANTON [24] berichtete zum ersten Mal über Treibschäden an Betonkonstruktionen als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen und den angewendeten Zuschlägen. Zur Bezeichnung dieser Schadensreaktion hat sich daraufhin der Begriff Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) durchgesetzt.
Eine besondere Problematik dieser Schadstoffreaktion besteht darin, dass die Schäden in vielen Ländern nicht rechtzeitig erkannt wurden. Noch 1965 war man in der BRD der Auffassung, dass Betonschäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion unter den hiesigen Bedingungen nicht auftreten können. Nachdem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke bei Lübeck nach drei Jahren wieder abgerissen werden musste, gab man diese Ansicht auf [25].
Die Geschwindigkeit und Stärke der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist von verschiedenen, nach inneren und äußeren zu unterscheidenden Einflüssen abhängig. Äußere Einflüsse sind zum Beispiel das Feuchteangebot, die Temperatur oder die Zufuhr von Alkalien von außen durch Tausalze oder Meerwasser. Art, Menge und Größe des reaktiven Zuschlags und der eingesetzten Zemente, der die Zusammensetzung der Porenlösung beeinflusst, sind innere Einflüsse auf die AKR.
Die vorgelegte Arbeit soll einen Einblick über die Alkali-Kieselsäure-Reaktion geben. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Darstellung vom Mechanismus der Reaktion. Weiterhin werden Minerale und Gesteine mit Reaktionspotenzial sowie Einflussgrößen auf die Reaktion aufgeführt. Des Weiteren setzt sich die Arbeit mit bestehenden Prüfverfahren zur Erkennung der AKR, Schadensmerkmalen einer schädigenden AKR und Vorschlägen zur Vermeidung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion auseinander.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand des Wissens
2.1 Historischer Abriss
2.2 Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.2.1 Übersicht über die Alkali-Zuschlag-Reaktion
2.2.2 Chemische Reaktion der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.2.3 Dehnungsreaktionen
2.3 Schadensmerkmale der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.3.1 Äußere Schäden
2.3.2 Innere Schäden
2.4 Einflussgrößen auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.4.1 Alkaliempfindlichkeit von Zuschlagsstoffen
2.4.2 Alkaliempfindliche Zuschläge
2.4.3 Betonbestandteile
2.4.4 Wasserzementwert
2.4.5 Umwelteinflüsse
2.5 Prüfverfahren
2.5.1 Nationale Prüfverfahren
2.5.2 Internationale Prüfverfahren
2.6 AKR - Schadensanalyse
2.7 Vermeidung von Schäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion
3 Zielstellung der eigenen Untersuchungen
4 Versuchsprogramm
5 Versuchsdurchführung
5.1 Kenngrößen der Ausgangsstoffe
5.1.1 Zemente
5.1.2 Zuschlagsstoffe
5.2 Versuchsserie I – Mörtelprismen
5.2.1 Allgemeines
5.2.2 Betonrezepturen
5.3 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken
5.3.1 Allgemeines
5.3.2 Betonrezepturen
5.4 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
5.4.1 Allgemeines
5.4.2 Betonrezepturen
6 Versuchsergebnisse
6.1 Versuchsserie I – Mörtelprismen
6.1.1 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus Nebelkammerlagerung
6.1.2 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus Laborlagerung
6.1.3 Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Nebelkammerlagerung
6.1.4 Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Laborlagerung
6.1.5 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test
6.2 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken
6.2.1 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken aus Nebelkammerlagerung
6.2.2 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken aus Laborlagerung
6.2.3 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der Nebelkammerlagerung
6.2.4 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der Laborlagerung
6.2.5 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test
6.3 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
6.3.1 Ergebnisse der Volumenmessungen der Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
6.3.2 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
6.3.3 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test
7 Auswertung der Versuchsergebnisse
7.1 Versuchsserie I - Mörtelprismen
7.1.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe
7.1.2 Einfluss des Zements
7.1.3 Einfluss des Wasserzementwertes
7.1.4 Einfluss der Umweltbedingungen
7.2 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken
7.2.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe
7.2.2 Einfluss der Zementart
7.2.3 Einfluss der Umweltbedingungen
7.3 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
7.3.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe
7.3.2 Einfluss der Zementart
8 Schlussfolgerung
9 Ausblick
10 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Beton und evaluiert die Entwicklung einer beschleunigten Schnellprüfmethode. Ziel ist es, eine effektive Alternative oder Ergänzung zum bestehenden, neunmonatigen Nebelkammertest zu finden, um das Reaktionspotenzial von Zuschlägen unter verschiedenen Bedingungen schneller bestimmen zu können.
- Mechanismus und Einflussgrößen der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
- Einfluss von Zuschlagstoffen, Zementart und Umweltbedingungen auf das Dehnungsverhalten
- Vergleich verschiedener nationaler und internationaler Prüfverfahren zur AKR-Erkennung
- Durchführung von Versuchsreihen an Mörtelprismen und Betonwürfeln zur Methodenentwicklung
Auszug aus dem Buch
2.4.1.2 Störungen im Kristallgitterbau
Durch die in den Zuschlägen enthaltenen Anteile stark gittergestörter Kieselsäure wird die Alkali-Kieselsäure-Reaktion verursacht. Diese amorphen Kieselsäuren haben im Gegensatz zu den ungestörten kristallinen Zustandsformen eine größere innere Oberfläche. Verschiedene Ursachen bedingen diesen Zustand. Bei unterkühlten Schmelzen sind die SiO4-Tetraeder ungeordnet miteinander verbunden und es haben sich neben den normalen Sechser-Ringen auch Vierer-, Fünfer- und Siebener-Ringe ausgebildet. Anders ist es beim Opalgestein. Hier sind bis zu 25% der Si-O-Si – Brücken durch den Einbau von Hydroxidgruppen gestört. Sie liegen jetzt in Form von Silanolgruppen (SiOH od. Si(OH)2) vor. Diese Störungen der Si-O-Si – Brücken sind auch von den Flinten bekannt. [14]
Je stärker die Struktur über die Si-O-Si – Brücken gebildet wird, desto stabiler ist sie gegenüber einer Auflösung. Verbindungen, die viele OH-Gruppen aufweisen, sind hingegen viel anfälliger. Bei gut kristallisierten Kieselsäuren muss erst ein Einbau der OH-Ionen erfolgen, während bei amorpher Kieselsäure bereits wesentlich mehr Silanolgruppen durch die größere innere Oberfläche vorhanden sind [25].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Grundlagen der Alkali-Kieselsäure-Reaktion und die Notwendigkeit, Schäden an Betonkonstruktionen zu verhindern.
2 Stand des Wissens: Gibt einen detaillierten Überblick über Mechanismen, Schadensbilder, Einflussfaktoren und bestehende Prüfverfahren zur AKR.
3 Zielstellung der eigenen Untersuchungen: Definiert das Ziel, Aspekte für eine Schnellprüfmethode zu erarbeiten, die den zeitintensiven Standard-Nebelkammertest ergänzen könnte.
4 Versuchsprogramm: Erläutert die drei methodischen Versuchsreihen (Mörtelprismen, Betonwürfel mit Messmarken, beschichtete Betonwürfel) zur Erfassung des Reaktionspotenzials.
5 Versuchsdurchführung: Dokumentiert die verwendeten Materialien, Betonzusammensetzungen und die genauen Versuchsabläufe.
6 Versuchsergebnisse: Präsentiert die erhobenen Daten zu Dehnungsmessungen, visuellen Beurteilungen und dem Fluoreszenz-Test.
7 Auswertung der Versuchsergebnisse: Analysiert kritisch die Einflüsse von Zuschlägen, Zementen und Umweltbedingungen basierend auf den experimentellen Daten.
8 Schlussfolgerung: Bewertet die Eignung der untersuchten Testmethoden und zieht Fazite für die weitere Forschung.
9 Ausblick: Formuliert Ansätze für zukünftige Arbeiten und den weiteren Forschungsbedarf.
10 Zusammenfassung: Fasst die wissenschaftliche Untersuchung und die gewonnenen Erkenntnisse komprimiert zusammen.
Schlüsselwörter
Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR, Betonschäden, Zuschlagstoffe, Zement, Dehnungsmessung, Schnellprüfmethode, Nebelkammerlagerung, Fluoreszenz-Test, Alkaliempfindlichkeit, Dauerhaftigkeit, Siliciumdioxid, Porenlösung, Hydratation, Bauwerksanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton, einem chemischen Prozess, der zu Volumenzunahmen und in der Folge zu Schäden wie Rissen oder Abplatzungen führen kann.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Das Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung von Einflüssen verschiedener Ausgangsstoffe (Zemente, Zuschläge), dem Wasserzementwert und äußeren Bedingungen auf den Reaktionsverlauf der AKR.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist die Gewinnung von Erkenntnissen, die zur Entwicklung einer zuverlässigen Schnellprüfmethode für die Alkali-Kieselsäure-Reaktion beitragen, um den derzeit langwierigen Standardtest von neun Monaten zu verkürzen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt ein dreiteiliges Versuchsprogramm mit Mörtelprismen und Betonwürfeln unter kontrollierten Lagerungsbedingungen, kombiniert mit Längen- bzw. Volumenänderungsmessungen und dem Fluoreszenz-Test zur visuellen Bewertung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine umfassende theoretische Aufarbeitung des Wissensstandes zur AKR, die detaillierte Beschreibung der Versuchsdurchführung und eine ausführliche Auswertung der erzielten Testergebnisse.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind AKR, Beton-Dauerhaftigkeit, Alkaliempfindlichkeit von Zuschlagstoffen, Zement-Alkaligehalt und die kritische Bewertung von Prüfverfahren.
Warum ist das Ergebnis bei den Mörtelprismen aus der Laborlagerung relevant?
Die Ergebnisse der Laborlagerung zeigen, dass ohne hohe Feuchtigkeit keine für die AKR charakteristischen Dehnungen auftreten, was die entscheidende Bedeutung des Feuchteangebots unterstreicht.
Welche Rolle spielt der Fluoreszenz-Test für die Bewertung?
Der Fluoreszenz-Test dient der qualitativen Identifizierung von Alkali-Kieselsäure-Gel auf Betonflächen und ermöglicht so eine zusätzliche Bestätigung der durch Dehnungsmessungen gewonnenen Erkenntnisse.
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- Axel Mühlenbruch (Author), 2004, Aspekte zur Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum Nachweis der Alkali-Kieselsäure-Reaktion an Betonen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/21676
