Alkali-Kieselsäure-Reaktion: Probleme und Lösungen aus der Sicht der Praxis

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1 Alkali-Kieselsäure-Reaktion: Probleme und Lösungen aus der Sicht der Praxis Peter Lyhs Ingmar Borchers Jahrestagung Zement 2014 Düsseldorf, 12. September 2014

2 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 2

3 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 3

4 Sicht der Praxis Praxistauglichkeit der schriftlichen Form der Regelungen Praxistauglichkeit der inhaltlichen Festlegungen und Kriterien Praxisauswirkungen der Regelungen 4

5 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 5

6 Regelungen AKR DIN EN 206 / DIN 1045 ZTV Beton-StB / TL Beton-StB DIN EN / Alkali-Richtlinie Erlass WS 13/5257 RStO 12 ARS Nr. 04/2013 DIN 1164 (NA Zemente) 6

7 Widerstand gegen Alkali-Kieselsäure-Reaktion nach DIN EN 206 / DIN / Alkali-Richtlinie DIN EN 206 Anwendung der am Ort der Verwendung geltenden Regeln DIN EN Alkali-Kieselsäure-Reaktivität: Klassifizierung gemäß der am Ort der Verwendung geltenden Regeln DIN Klassifizierung der Umweltbedingung durch Feuchtigkeitsklasse Alkali-Richtlinie Klassifizierung der Gesteinskörnung durch Alkaliempfindlichkeitsklassen Alkali-Richtlinie Festlegung der Anforderungen an Zusammensetzung des Betons zur Vermeidung einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion 7

8 Feuchtigkeitsklassen nach DIN Klasse Beschreibung Beispiele WO trocken Innenbauteile des Hochbaus WF feucht Ungeschützte Außenbauteile Massige Bauteile (d > 0,80 m) WA feucht + Alkalizufuhr von außen Bauteile mit Meerwassereinwirkung Bauteile mit Tausalzeinwirkung (Fahr- und Stellflächen in Parkhäusern, Brückenkappen) Betonfahrbahnen der Belastungsklasse Bk0,3 und Bk1,0 gemäß RStO 12 1) 1) Zuordnung durch ARS Nr. 04/2013 8

9 Gliederung Alkali-Richtlinie - Ausgabe Oktober Anwendungsbereich 2. Normative Verweisungen 3. Begriffe 4. Einstufung der Gesteinskörnung 5. Übereinstimmungsnachweis für Gesteinskörnungen 6. Kennzeichnung 7. Vorbeugende Maßnahmen 8. Anhänge A bis C mit Prüfverfahren 9

10 Bedingungen für E I-Einstufung Die Gesteinskörnung stammt nicht aus dem eiszeitlichen Ablagerungsgebiet in Norddeutschland (Bild 3 in RILI) enthält keinen Opalsandstein und keine Kieselkreide Gesamtflintanteil w F < 2,0 M.-% oder Rohdichte des Flintanteils ρ m > kg/m³ und reaktiver Flintanteil w rf 2,0 M.-% Mit der Gesteinskörnung liegen im Anwendungsbereich der Richtlinie baupraktische Erfahrungen vor. Es ist kein AKR-Schaden in Bauteilen der Feuchtigkeitsklassen WF oder WA aufgetreten. 10

11 Bedingungen für E I-Einstufung Die Gesteinskörnung enthält keine der nachfolgenden Gesteinsarten: 1. gebrochene Grauwacke 2. gebrochener Rhyolith 3. gebrochener Kies des Oberrheins 4. rezyklierte Gesteinskörnungen 5. Kiese mit mehr als 10 M.-% gebrochener Anteile 1 bis 4 Kiese und gebrochene Kiese aus den rezenten und fossilen Flussläufen und deren Einzugsgebieten in den Gebieten der Saale, Elbe, Mulde und Elster im angrenzenden Bereich (Bild 3 in RILI) 11

12 Prüfverfahren Anhang Prüfungen Natronlaugetest 4 % an Körnungen 1 bis 4 mm A Petrografische Auslese und Bestimmung der Masseanteile Rohdichtebestimmung am Flintanteil Natronlaugetest 10 % an Körnungen > 4 mm B Schnellprüfverfahren Betonversuch mit 40 C-Nebelkammerlagerung C 60 C-Betonversuch (Alternativverfahren) 12

13 Einstufung von Gesteinskörnungen in Alkaliempfindlichkeitsklasse nach Alkali-Richtlinie (RILI) Gesteinskörnungen ohne baupraktische Erfahrungen oder Bauteile mit Schäden Vorgehen nach Abschnitt 4. 1 ( 5 ) oder 4. 1 ( 6 ) Petrographische Prüfung nach DIN EN und geografische Zuordnung der Gewinnungsstätte Alle Bedingungen gemäß * erfüllt? nein Gesteinskörnung enthält Opalsandstein, Kieselkreide oder Flint Prüfung nach Anhang A z. B. E II - O - E II - OF weitere Gesteinskörnungen Prüfung nach Anhang B Einstufung Einstufung Einstufung z. B. E III - S ja E I * Bedingungen für E I - Einstufung Die Gesteinskörnung - stammt nicht aus dem eiszeitlichen Ablagerungs - gebiet in Norddeutschland gemäß Bild 3 - enthält keinen Opalsandstein und keine Kieselkreide - Gesamtflintanteil w F < 2, 0 M. - % oder Rohdichte des Flintanteils? m > kg / m ³ und reaktiver Flintanteil w rf? 2, 0 M. - % - enthält keine der nachfolgenden Gesteinsarten : 1. gebrochene Grauwacke 2. gebrochener Rhyolith 3. gebrochener Kies des Oberrheins 4. rezyklierte Gesteinskörnungen 5. Kiese mit mehr als 10 M. - % gebrochener Anteile 1 bis 4 6. Kiese und gebrochene Kiese aus den Fluss - läufen und Ablagerungsräumen in den Gebieten der Saale, Elbe, Mulde und Elster im angrenzenden Bereich gemäß Bild 3 - Mit der Gesteinskörnung liegen im Anwendungs - bereich der Richtlinie baupraktische Erfahrungen vor. - Es ist kein AKR - Schaden in Bauteilen der Feuchtigkeitsklassen WF oder WA aufgetreten. 13

14 Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt (NA-Zemente) nach DIN Zementart CEM I, CEM II (außer CEM II/B-S), CEM IV und CEM V Na 2 O-Äquivalent [M.-%] 0,60 CEM II/B-S 0,70 CEM III/A bei Hüttensandgehalt 49 M.-% 0,95 CEM III/A bei Hüttensandgehalt 50 M.-% 1,10 CEM III/B 2,00 CEM III/C 2,00 14

15 Vorbeugende Maßnahmen nach Alkali-Richtlinie (RILI) E I, E I-O, E I-OF, E I-S Alkaliempfindlichkeitsklasse Zementgehalt [kg/m³] ohne Festlegung Maßnahmen für die Feuchtigkeitsklasse WO WF WA keine E II-O keine NA-Zement 330 E III-O keine NA-Zement Austausch GK E II-OF keine NA-Zement > 330 E III-OF keine NA-Zement Austausch GK E III-S 300 keine 350 keine NA-Zement oder gs > 350 keine NA-Zement oder gs Austausch GK oder gs 15 GK: Gesteinskörnung gs: gutachtliche Stellungnahme (z. B. auf Basis AKR-Performance-Prüfung)

16 Erlass WS 13/5257.6/2 für den Geschäftsbereich der Wasser und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Geltungsbereich Betone für Wasserbauwerke gemäß ZTV-W LB 215 Betone und Spritzbetone für die Instandsetzung von Wasserbauwerken gemäß ZTV-W LB 219, Abschnitt 3 und 4 Festlegungen Bauteile der Feuchtigkeitsklasse WF: Anwendungen von Maßnahmen gemäß Feuchtigkeitsklasse WA Bauteile der Feuchtigkeitsklasse WA: Gesteinskörnung E III-S verboten Maßnahmen bei ungebrochenen Gesteinskörnungen > 2 mm (Kiese) aus Gewinnungsstätten in Brandenburg, Sachsen-Anhalt, Sachsen und Thüringen sowie für aus diesen Gesteinskörnungen hergestellte gebrochene Gesteinskörnungen (Kiessplitte) 16

17 Feuchtigkeitsklassen nach ZTV Beton-StB Klasse Beschreibung Beispiele WA feucht + Alkalizufuhr von außen TL Beton-StB 07, ARS Nr. 04/2013 WS feucht + Alkalizufuhr von außen + starke dynamische Beanspruchung TL Beton-StB 07, ARS Nr. 04/

18 Nachweis der Alkaliunempfindlichkeit für die Feuchtigkeitsklasse WS gemäß ARS Nr. 04/2013 (V1) Gutachten Beton Nachweis für konkreten Beton i. d. R. auf der Basis einer AKR-Performance-Prüfung (V2) WS-Grundprüfung Nachweis für grobe Gesteinskörnungen d 2 mm einer Lagerstätte (V3) Bestätigungsprüfung Nachweis für die Betonausgangsstoffe bei Vorliegen einer bestandenen Prüfung (V1) oder (V2) Liste mit Gesteinskörnungen und Betonen V = Verfahrensbeschreibung gemäß ARS Nr. 04/

19 19 * Sollen die Korngruppen einer Gewinnungsstätte ausschließlich für Oberbeton (D > 8) bzw. Unterbeton eingesetzt werden, dann kann der WS-Betonversuch nur mit einer Betonzusammensetzung für Oberbeton D > 8, Unterbeton durchgeführt werden.

20 Fazit aus Sicht der Praxis Praxistauglichkeit der schriftlichen Form der Regelungen Praxistauglichkeit der inhaltlichen Festlegungen und Kriterien Praxisauswirkungen der Regelungen 20

21 Das Dilemma: Bezeichnet eine Situation, die zwei Möglichkeiten der Entscheidung bietet, die beide zu einem unerwünschten Resultat führen. Es wird durch seine Ausweglosigkeit als paradox empfunden. 21

22 1. Ausschreibung Felderneuerung BAB: TB bietet Beton mit WS / PP an AG erteilt Auftrag an Anbieter mit (bisher verwendeter) Gesteinskörnung / Betonrezeptur. 2. Merkblatt Planung, Konstruktion und Bau von. Kreisverkehren. Bei allen verwendeten Gesteinskörnungen (> 2 mm) ist da s..ars 4/2014 zu beachten, wobei regionale Lösungen anzustreben sind. 3. Bekanntmachung IID /08 vom der Obersten Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern E I - Anwendung im Bereich WS bei D> 8 mm bei positiven Erfahrungen in Bayern durch Herstellererklärung 22

23 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 23

24 Regelwerke Fahrbahndecken aus Beton 24

25 Feuchtigkeitsklassen von Verkehrsflächen RStO 01 Bemessungsrelevante Beanspruchung B 1) RStO 12 Dimensionierungsrelevante Beanspruchung B 1) RStO 01 Bauklasse RStO 12 Belastungsklasse Feuchtigkeitsklasse > 32 SV Bk bis 32 I Bk32 3 bis 10 3,2 bis 10 II Bk10 1,8 bis 3,2 Bk3,2 0,8 bis 3 III 1,0 bis 1,8 Bk1,8 0,3 bis 0,8 0,3 bis 1,0 IV Bk1,0 0,1 bis 0,3 V < 0,3 Bk0,3 bis 0,1 VI WS WA 25 1) Äquivalente 10 t-achsübergänge in Mio.

26 Mögliche Belastungsklassen für die typischen Entwurfssituationen nach den RASt Typische Entwurfssituation Feuchtigkeitsklasse Belastungsklasse Anbaufreie Straße Bk10 bis Bk100 Verbindungsstraße Bk3,2/Bk10 Industriestraße Bk3,2 bis Bk100 Gewerbestraße WS Bk1,8 bis Bk100 Hauptgeschäftsstraße Bk1,8 bis Bk10 Örtliche Geschäftsstraße Bk1,8 bis Bk10 Örtliche Einfahrtsstraße Bk3,2/Bk10 Dörfliche Hauptstraße Bk1,0 bis Bk3,2 Quartiersstraße WA / WS Bk1,0 bis Bk3,2 Sammelstraße Bk1,0 bis Bk3,2 Wohnstraße Bk0,3/Bk1,0 WA Wohnweg Bk0,3 26 RASt = Richtlinie für die Anlagen von Stadtstraßen RASt

27 Winterdienst-Standards Anforderungsniveau Winterdienst gemäß Leistungsheft für den Betriebsdienst an Bundesfernstraßen Autobahn 24 Stunden Streuen 2 Stunden Umlaufzeit Räumen 4 Stunden Umlaufzeit Landstraßen 6 bis 22 Uhr 3 Stunden Umlaufzeit Stadtstraßen Streustoff-Anwendung Autobahnen und Außerortsstraßen Städte mit differenziertem Winterdienst 6 bis 22 Uhr Hauptstraßen und Gefahrenpunkte Nebenstraßen Gehwegen Salzstreuung (Feuchtsalz) Salzstreuung nur Räumen Splittstreuung 27 Quelle. Hanke Winterdienst in Deutschland, 2013

28 Feuchtigkeitsklasse WS/WA WS: feucht + starke dynamische Beanspruchung + Alkalizufuhr von außen gilt für Autobahnen Kommunale Verkehrsflächen Geschwindigkeiten und dynamische Beanspruchungen geringer Geringerer Einsatz von Taumitteln (Verwendung abstumpfender Mittel) Geringere Gefahr einer schädigenden AKR bei gleicher Belastungsklasse Folge Feuchtigkeitsklasse WS möglicherweise nicht immer gerechtfertigt Feuchtigkeitsklasse WA oder eine vergleichbare Zuordnung praxisgerechter 28

29 Geplantes VDZ-Forschungsvorhaben Ziel: Praxisgerechte Bewertung und Einstufung von Verkehrsflächen Vorgehen Auswahl kommunaler Verkehrsflächen Laboruntersuchungen an Bohrkernen aus den Flächen Laboruntersuchungen an nachgestellten Betonen Gegenüberstellung der Praxiserfahrungen und Laboruntersuchungen 29

30 Fazit aus Sicht der Praxis Praxistauglichkeit der schriftlichen Form der Regelungen Praxistauglichkeit der inhaltlichen Festlegungen und Kriterien Praxisauswirkungen der Regelungen 30

31 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 31

32 Ausgangssituation und Ziel Ausgangssituation Keine Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S für Gesteinskörnungen ohne Opalsandstein, Kieselkreide und Flint in der Alkali-Richtlinie vorhanden Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S würde ggf. differenziertere Maßnahmen ermöglichen Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Baustoffs Beton Ziel Definition von Randbedingungen zur Einstufung von Gesteinskörnungen in Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S Definition von vorbeugenden Maßnahmen für Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 32

33 Untersuchungen BTU Cottbus BTU-SP-Test an 31 Gesteinskörnungen Schnellprüfverfahren an 17 Gesteinskörnungen 40 C-Nebelkammerlagerung an 17 Gesteinskörnungen 60 C-Betonversuch an 17 Gesteinskörnungen Auswahl von 7 Gesteinskörnungen anhand BTU-SP-Test-Ergebnisses 33

34 Maßnahmen nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie des DAfStb Alkaliempfindlichkeitsklasse Zementgehalt [kg/m³] Maßnahmen für die Feuchtigkeitsklasse WO WF WA z 300 E III-S 300 < z 350 keine NA-Zement oder gutachtliche Stellungnahme z > 350 NA-Zement oder gutachtliche Stellungnahme Austausch der Gesteinskörnung oder gutachtliche Stellungnahme 34

35 Mögliche Maßnahmen für E II-S nach Stand der Untersuchungen Alkaliempfindlichkeitsklasse Zementgehalt [kg/m³] Maßnahmen für die Feuchtigkeitsklasse WO WF WA z 300 E II-S 300 < z 350 keine geeignete Zemente z > 350 geeignete Zemente NA-Zement 35

36 Fazit aus Sicht der Praxis Praxistauglichkeit der schriftlichen Form der Regelungen Praxistauglichkeit der inhaltlichen Festlegungen und Kriterien Praxisauswirkungen der Regelungen 36

37 AGENDA 1 Sicht der Praxis 2 Regelungen AKR 3 Feuchtigkeitsklassen WS/WA 4 Alkaliempfindlichkeitsklasse E II-S 5 Zusammenfassung 37

38 Zusammenfassung Auflösung der drei historisch bedingten Teile der Richtlinie Gliederung der Alkali-Richtlinie entsprechend den Normen DIN EN 12620, DIN EN 206 und DIN Aufnahme der Inhalte der beiden Berichtigungen in die Richtlinie Ausgabe (Streichung WS, Flintregelung) Ausgabe (Gesteinskörnungen aus mitteldeutschem Raum) Anwendung des 60 C-Betonversuchs als Alternative zum Betonversuch mit Nebelkammerlagerung Bedingung: Beide Verfahren führen zur gleichen Bewertung Übernahme der Anlagen der Bauregelliste A, Teil 1 in die Alkali-Richtlinie Vollständige redaktionelle Überarbeitung der Alkali-Richtlinie 38

39 Zusammenfassung Feuchtigkeitsklasse WS Mit WS-Grundprüfungen kann die Alkaliunempfindlichkeit grober Gesteinskörnungen praxisgerecht nachgewiesen werden. Mit AKR-Performance-Prüfungen kann die Alkaliunempfindlichkeit von Betonen praxisgerecht nachgewiesen werden. Schnelle Bewertung durch eine WS-Bestätigungsprüfung bei bestandener WS- Grundprüfung oder AKR-Performance-Prüfung Feuchtigkeitsklasse WA Die Festlegungen der Alkali-Richtlinie konnten mit dem 60 C-Betonversuch mit Alkalizufuhr abgebildet werden: Alkalizufuhr durch eine 3 %ige Natriumchlorid-Lösung Dehnungsgrenzwert nach 10 Zyklen Wechsellagerung 0,50 mm/m 39

40 Zusammenfassung Neue Lösungen ohne Praxisbewährung werden auf der sicheren Seite liegend bewertet. Beurteilungskriterien werden im Forschungsinstitut der Zementindustrie praxisnah festgelegt durch Untersuchungen an: Betonen gemäß den Festlegungen der Alkali-Richtlinie (WF, WA) Bohrkernen aus Betonfahrbahndecken (WS) 40

41 Thanks for your kind attention!

42 Das IGF-Vorhaben BG der Forschungsvereinigung VDZ ggmbh wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und - entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.