AKR Problematik bei Betonfahrbahndecken in Deutschland

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1 AKR Problematik bei Betonfahrbahndecken in Deutschland Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher 1

2 Betonfahrbahndecken In neuerer Zeit: Bei Rissbildungen in einzelnen Abschnitten AKR nicht auszuschließen 2

3 Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR, ASR) Reaktion von amorpher Kieselsäure (SiO 2 ) in Gesteinskörnern mit Alkalien (Natrium, Kalium) zu Alkali-Kieselsäure-Gel (mehr oder weniger dickflüssig) SiO2 + 2 NaOH + n H 2O Na2SiO3 n H 2O unter Volumenzunahme innerer Quelldruck (bis 20 N/mm²) 3

4 AKR Schäden im allgem. Betonbau 4

5 Voraussetzungen für Alkali-Kieselsäure- Reaktionen Gleichzeitig müssen vorhanden sein: Alkaliempfindliche Gesteinskörnungen mit entsprechender Korngröße (meist amorphe Kieselsäure (SiO 2 ), wie z.b in Flint, Opal; Grauwacke, gestresste Quarze) Ausreichend Feuchte Entsprechende Mengen an Alkalien (Kalium + Natrium > rd. 3 kg/m³ Beton) Alkaliquellen: intern: Zement, Zusatzmittel /-stoffe, extern: Meerwasser, Taumittel 5

6 Allgemeine Regelungen zu AKR 1974: Erste Alkali-Richtlinie des DAfStb: v.a. Beschränkungen für opal-/ flinthaltige Gesteinskörnungen 6

7 Maßgebliche Gegenmaßnahmen Einen notwendigen Reaktionspartner eliminieren: Feuchte fernhalten (bei Innenräumen keine weiteren Maßnahmen notwendig, im Außenbereich nur bedingt umsetzbar) Reduzierung des Alkalidepots: Verwendung von Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt (NA-Zement): Z.B. für CEM I: Na 2 O-Äquivalent 0,6 M.-%; (Na 2 O-Äquiv. = Na 2 O + 0,658 K 2 O) Beschränkungen in Alkaligehalt und Zugabemenge für Betonzusätze Austausch von Gesteinskörnungen 7

8 Dehnungen in Abhängigkeit des Na 2 O-Äqui. Quelle: Stark / Wicht 8

9 Anwendungsgebiet der Alkali-Richtlinie Nicht alle Gesteine sind gleich reaktiv unterschiedliche zeitliche Entwicklung der AKR (slow-late) Zwischenzeitlich mehrfache Erweiterung der Regelungen und der betroffenen Gesteine/Regionen 9

10 Rissbildungen an Betonfahrbahndecken Risse in der Fahrbahndecke Riss Riss Rissbildung: σ t f t ; σ t = Σ σ t,i 10

11 Mögliche Rissursachen in Betonfahrbahnen Zwangsspannungen infolge Verformungsbehinderung bei abfließender Hydratationswärme witterungsbedingten Temperaturänderungen Schwinden Lastspannungen infolge Verkehrsbelastung (in den letzten Jahren: erhebliche Zunahme der Verkehrsbelastung) Quelldruck bei AKR (in den letzten Jahren: veränderte Taumittelbeaufschlagung möglicherweise erhöhte externe Alkalizufuhr) 11

12 Nach wie vor offene Frage: Rissursache AKR Welchen Anteil hat die AKR an der Rissbildung? AKR ist als einzige Rissursache auch später nachweisbar! Forschungsprojekt Quelle: Dombrowski Rissbildung in Betonfahrbahndecken Auswirkungen von Alkali-Kieselsäure-Reaktionen (AKR) soll diese Fragen klären 12

13 Regelungen zu AKR in den ZTV-Beton StB ZTV Beton StB ZTV Beton 78 bis ZTV Beton StB 93 Stand 1998: ARS 38/1998 Stand 2001: ZTV Beton StB 01 Einschränkungen bzgl. Zement und Gesteinkörnungen Zement: Keine weiterreichenderen Einschränkungen; Verweis auf DIN 1164 und Alkali-Richtlinie des DAfStb; Weiterreichendere Untersuchungen / Einstufungen in Empfindlichkeitsklassen nach der Alkali-Richtlinie des DAfStb; Insbesondere für Opalsandstein, Flint und Grauwacke; ebenso für Gesteine aus angrenzenden Gebieten und solchen mit begründetem Verdacht Zement: Begrenzung Na 2 O-Äquivalent: 1,0 M.-% Verweis auf DIN 1164, Alkali-Richtlinie des DAfStb und ARS 38/1998 (s.o.) 13

14 2005: ARS 15/2005 ARS 15/2005: Vermeiden von Schäden an Fahrbahndecken aus Beton in Folge von AKR ergänzende Regelungen für Gesteinskörnungen Zement Kontrollprüfungen 14

15 ARS 15/2005: Gesteinskörnungen Keine Verwendung von alkalireaktiven Gesteinkörnungen (Opalsandstein einschl. Kieselkreide, Flint) Verwendung von Grauwacke, Quarzporphyr, Kies-Edelsplitt des Oberrheins, rezyklierten Gesteinskörnungen, sowie aller nach Deutschland eingeführten Gesteinskörnung nur, wenn deren Eignung in Gutachten bestätigt wird Zweistufiges Vorgehen: Grundsätzliche Eignung des Vorkommens (langfristig) Projektspezifische Eignung im Beton (kurzfristig) 15

16 Prüfung der Gesteinskörnungen Problem: - Schnellprüfverfahren: nur grobe Orientierung - Genauere Nebelkammeruntersuchung: lange Prüfdauer Quelle: VDZ 16

17 ARS 15/2005: Zement Weiterreichendere Einschränkungen des Alkaligehalts (Na 2 O-Äquivalents): Zement Hüttensandgehalt [M.-%] Alkaligehalt des Zementes Na 2 O-Äquivalent [M.-%] Alkaligehalt des Zementes ohne Hüttensand bzw. Ölschiefer Na 2 O-Äquivalent [M.-%] CEM I + 0, CEM II/A CEM II/B-T --- 0,90 CEM II/B-S 21 bis ,90 CEM II/B-S 30 bis ,00 CEM III/A 36 bis ,05 17

18 ARS 15/2005: Kontrollprüfungen Im Rahmen der Kontrollprüfungen: Zusätzlich sind je Baulos von Gesteinskörnungen Zement Betonzusatzmitteln / Betonzusatzstoffen je 2 Rückstellproben zu entnehmen Lagerung bei der BASt 18

19 Zusammenfassung Bei in neuerer Zeit aufgetreten Rissen in Fahrbahndecken aus Beton kann eine AKR mit ursächlich sein Rissbildung insgesamt eher auf Überlagerung mehrerer Einwirkungen zurückzuführen Erste Maßnahmen zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR durch ARS 15/2005 eingeleitet Genauere Untersuchungen über die Rissursachen laufen in Kürze an Anschließend: ggf. Modifizierung der Regelungen Bei Gesamtbetrachtung: Anteil an Flächen mit Rissbildung: unter rd. 1% der Gesamtfläche von Fahrbahndecken aus Beton 19

20 Auch in Zukunft: Qualitativ hochwertige und hochbeanspruchbare Fahrbahndecken aus Beton 20