Innovative Lösungen im Umgang mit der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) an Wasserbauwerken

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1 250 Innovative Lösungen im Umgang mit der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) an Wasserbauwerken Innovative solutions for hydraulic concrete structures damaged by alkali-aggregate reaction (AAR) Christian Kubens, Ernst Freyburg, Jochen Stark Abstract Damages on concrete structures due to alkali-aggregate reaction (AAR) has become a worldwide problem. The AAR does not only occur on traffic structures which are exposed to de-icing salts. Damages due to AAR can also be found on hydraulic structures. In the last decade numerous cases of AAR were found, where the damages did not occur until 20 to 30 years of service life. This paper shows how AAR is proven on concrete structures. The renovation concepts and their limitations are described. Test methods for concrete are briefly introduced, such as the accelerated mortar bar test and the performance test. The authors point out the importance of a low alkali cement (low Na 2 O equivalent) to prevent AAR. Zusammenfassung Schäden an Betonbauwerken infolge der AKR sind ein weltweites Problem, nicht nur an tausalzbeeinflussten Verkehrsbauwerken sondern auch an Wasserbauwerken. In den letzten 10 Jahren wurden zahlreiche Betonschäden als AKR-Schäden nachgewiesen, deren zerstörende Wirkung oft erst nach 20 bis 30 Jahren auftrat. Der Nachweis der AKR und die Instandsetzung werden erläutert, mit dem Mörtelschnelltest sowie Performance-Test werden Prüfverfahren zur Bewertung von Betonrezepturen benannt. 1 Die AKR an Wasserbauwerken in Thüringen und Sachsen Im Zusammenhang mit der Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken spielt die Alkali-Kieselsäure- Reaktion (AKR) eine wesentliche Rolle. Schäden an Betonbauwerken unter Mitwirkung der AKR sind ein weltweites Problem. In den letzten 10 Jahren hat die Analyse von mehr als 60 Schadensfällen im Finger-Institut der Bauhaus-Universität Weimar gezeigt, dass daran Wasserbauwerke mit fast 40 % beteiligt sind. Im Raum Thüringen/Sachsen sind beispielhaft zu nennen die Talsperre Zeulenroda (Bj. 1968/75, Schäden an der HWE), die Talsperre Lichtenberg (1966/75, Entnahmeturm), das Rückhaltebecken Meerchen/Gößnitz (1967/69, Tosbecken), die Talsperre Windischleuba (1951/1953, Entlastungsbauwerk) und das Rückhaltebecken Regis-Serbitz ( , Verteilerbauwerk, Bild 1). In drei der genannten fünf Fälle sind als Beton-Gesteinskörnungen mitteldeutsche Tertiärkiese mit hohen Anteilen an Stressquarz und geringen Anteilen an Kieselschiefer und Flint verwendet worden. Als Bindemittel kamen überwiegend hüttensandhaltige Zemente zum Einsatz, die heute etwa der

2 251 Qualität CEM II/B-S entsprechen. Die Zuschläge sind in die Gruppe langsam und spät reagierender Gesteinskörnungen (Slow late Gesteine) einzuordnen. Diese Situation hat zusammen mit den hüttensandhaltigen Zementen dazu geführt, dass die Schäden zwar nicht ausgeblieben, vergleichsweise aber langsam abgelaufen sind. In den Fällen Lichtenberg und Zeulenroda waren alkalireiche Portlandzemente (heute CEM I) eingesetzt, außerdem sind alkalireaktive Gesteinskörnungen Granitsplitt und Elbekies (Lichtenberg) bzw. neben nicht reaktivem Diabassplitt ein nordostdeutscher Kies mit Flint und Opalsandstein (Zeulenroda) eingesetzt worden. Bild 1: Verteilerbauwerk Regis-Serbitz Widerlager Nord, Detail Betonschadstelle, Risse < 10 mm, F1-2, Ablagerung s, Farbe w, Abplatzungen 2 Grundlagen und Nachweis der AKR Zum Ablauf einer AKR [1] sind die in einem Wasserbauwerk immer vorhandene Feuchte, reaktive Gesteinskomponenten (Flint, Opalsandstein, Kieselschiefer, Kieselkalk, Rhyolithe, Grauwacken, Quarzit, Stressquarz, einige Granite) und Alkalihydroxide notwendig. Letztere stammen aus den verwendeten Bindemitteln oder werden von außen (z. B. durch Meerwasser oder Taumittel) in das Bauwerk eingetragen. Die in der Porenlösung des Betons vorhandenen hohen ph-werte sind für die Löslichkeit der reaktiven SiO 2 -Komponenten in den Gesteinen verantwortlich. Die Reaktion führt zur Bildung quellfähiger gelartiger Reaktionsprodukte in Form von calciumhaltigen Alkalisilikathydraten. Dabei kommt es zum Aufplatzen der Gesteinskörner, wobei sich dort entstandene Mikrorisse in der Betonmatrix fortsetzten und diese zerstören. Das entstandene Gel infiltriert die Zementsteinmatrix, füllt vorhandene Porensysteme aus und führt zu Treiberscheinungen. Die AKR ist deswegen eine Langzeitreaktion, weil immer neues Alkalihydroxid entsteht, solange im System Calciumhydroxid vorhanden ist. Daher zielen vor-

3 252 beugende Maßnahmen (z.b. Einsatz von Puzzolanen) auch darauf ab, dieses Calciumhydroxid anderweitig zu binden. Es kann zweifelsfrei nachgewiesen werden, ob in einem Bauwerk eine AKR abgelaufen ist oder nicht. Im einfachen Stereo-Lichtmikroskop können Reaktionsprodukte und Mikroriss-Systeme erkannt werden. Im Beton-Dünnschliff (Großformat 6 x 10 cm) sind im Polarisationsmikroskop Mikrorisse bis zum verursachenden Gesteinskorn zu verfolgen (Bild 2). Schließlich werden im Rasterelektronenmikroskop die Reaktionsprodukte abgebildet und deren genau Zusammensetzung mittels ESMA ermittelt. Aus den Analysen mehrerer 100 Einzelproben ergibt sich eine mittlere Zusammensetzung mit 56,9 % SiO 2, 27,8 % CaO, 11,6 % K 2 O und 4,3 % Na 2 O. Das Verhältnis K 2 O : Na 2 O entspricht der Situation in den meisten deutschen Portlandzementen. Die genannte Verfahrensweise hat sich sowohl bei der Diagnose von Schäden als auch in gerichtlichen Streitfällen bewährt. Bild 2: RHB Regis-Serbitz: Beton Verteilerbauwerk Trennmauer rechts, AKR-geschädigtes Gefüge, Stressquarz-Gesteinskorn (Q) mit Rissbildung, Rissfortsetzung in der Betonmatrix (B), Gelansammlung im Riss (Pfeil), Dünnschliff-Aufnahme, lange Bildkante = 1,2 mm Im Zusammenhang mit Fragen der Bauwerksprognose und der Bewertung des Erfolges einer Instandsetzung ist zu empfehlen, eine vorhandenes Restdehnungspotential und die verbleibende Restdruckfestigkeit bzw. Spaltzugfestigkeit zu ermitteln. Dazu werden Bohrkerne bei > 99 % r.f. und 40 C in einer Nebelkammer über 270 Tage gelagert. Die als kritisch zu beurteilende bzw. für eine schädigende AKR maßgebliche Restdehnung liegt bei 0,8 mm/m. Bild 3 zeigt die Ergebnisse für die Betonkerne Regis Serbitz und Lichtenberg. Während das Kriterium für Regis Serbitz bei Restdruckfestigkeiten um 35 N/mm 2 nicht erreicht wird, ist es für Lichtenberg mit allen Proben überschritten worden. Daraus lässt sich sowohl die Instandsetzungsfähigkeit von Bauteilen, aber auch die Dringlichkeit von Maßnahmen ableiten.

4 253 Bild 3: Restdehnung von Betonbohrkernen RHB Regis-Serbitz und TS Lichtenberg nach 270 Tagen Nebelkammerlagerung 3 Empfehlungen für die Instandsetzung, Instandsetzungskonzepte Aus der Kenntnis des Mechanismus der AKR müsste abgeleitet werden, den Feuchteeintrag zu unterbinden oder zu minimieren, was bei einem Wasserbauwerk meist nicht möglich ist. Die jeweilige Schadensanalyse führt zu der Empfehlung, Bauteile entweder abzutragen, zu erhalten oder durch vorgesetzte Schalen zu schützen. Im Fall des Direktkontaktes sollten im neuen System alkaliarme Zemente (CEM I mit < 0,6 % Na 2 O-Äqu. oder fein aufgemahlene CEM III- Qualitäten) eingesetzt werden. Ein gelungenes Beispiel für eine anspruchsvolle Betoninstandsetzung eines AKR-belasteten Bauwerkes ist das Hochwasserrückhaltebecken Regis und dort das Wehr Regis mit dem Verteilerbauwerk. Die augenscheinlich von der AKR befallenen Bauteile wie die Brücke über die Hochwasserentlastung, die Pfeilerköpfe und Brückenauflager wurden mit ihrem typischen Schadensbild, u. a. mit Rissbreiten von 5 10 mm und Rissabständen im dm-bereich eindeutig dem nicht instandsetzungsfähigen, bereits entfestigtem Beton zugeordnet und mussten abgebrochen werden, weil die Betonzerstörung offensichtlich war. Weitergehende Untersuchungen haben wir an den augenscheinlich nur geringer geschädigten Pfeilern, Widerlagern und Flügelmauern durchgeführt. Wir haben nach Vorlage der qualitativen AKR-Nachweise dem AG empfohlen, den quantitativen Nachweis durch Beauftragung der neun Monate dauernden Nebelkammer- Untersuchungen zu führen, um eine Entscheidungsgrundlage für die Frage Abriss und Neubau oder Instandsetzung zu gewinnen. Das Ergebnis hat sich gelohnt. Es hat sich im Versuch erwiesen, dass die als instandsetzungsfähig eingeschätzten Betonbauteile nur eine noch unkritische Restdehnung von 0,6 mm/m aufwiesen und über ausreichende Restdruckfestigkeiten und Spaltzugfestigkeiten verfüg-

5 254 ten, so dass wir die Bauteile mit Beton und Spritzbeton nach ZTV-W LB 219 instandsetzen konnten. Als Bindemittel wurde CEM I 42,5 R-HS, C 3 A-frei, NA-arm verwendet. Die Bilder vom instandgesetzten Bauwerk zeigen die Fachkunde der ausführenden Fachfirma für Betoninstandsetzung. 4 Vermeidung von AKR-Schäden an neuen Wasserbauwerken und Instandsetzungen Mit der z. Z. gültigen Alkali-Richtlinie des DAfStb [2] werden alle Flint- und Opalsandsteinhaltigen Kiese Norddeutschlands und Grauwacken aus der Lausitz sicher erfasst. Eine überarbeitete und 2007 erscheinende Neufassung berücksichtigt darüber hinaus u.a. gebrochene Rhyolithe, Grauwacken (und Kiese, die diese Komponenten enthalten) sowie Recycling- und Importmaterial. Das Problem besteht aber darin, dass z.b. die oben beschriebenen mitteldeutschen Kiese nicht eingestuft bzw. geprüft werden können, wenn nicht Bauwerksschäden bekannt sind. Am FIB Weimar wird daher neben einer intensiven petrographischen Bewertung der jeweiligen Gesteinskörnung die Verfahrensweise praktiziert, sowohl die Gesteinskörnung als auch die vorgesehene Betonrezeptur mit speziellen Prüfverfahren zu bewerten [3]. Dies erfolgt in einem Mörtelschnelltest, bei dem jede Gesteinsfraktion aufbereitet und in Mörtelprismen verarbeitet wird, wobei das Alkaliniveau durch NaOH-Zugabe im Anmachwasser auf 2,5 % Na 2 O-Äqu. gebracht wird. Nach Lagerung bei 70 C über Wasser wird über 28 Tage die Dehnung gemessen, das Kriterium liegt bei 1,5 mm/m. Die konkrete Betonrezeptur wird in einem Performance-Test mit Betonbalken in einer speziellen Klimakammer geprüft. Der Test umfasst mindestens 6 Zyklen mit jeweils 21 Tagen, darin enthalten sind Trocknung, Nebel und Frost/Tauwechsel. Eine Überschichtung mit Wasser oder einem speziellen Taumittel ist möglich. Diese Verfahrensweise hat sich bei der Vorbereitung aktueller Verkehrsbauwerke bewährt und ist auch beim Neubau oder der Instandsetzung von Wasserbauwerken zu empfehlen. Die Instandsetzung der Wasserseite der Staumauer der Talsperre Bleiloch in 2006 führte zu umfangreichen Betontechnologischen Voruntersuchungen. Die Staumauer weist keine AKR auf, sie ist mit einer Gesteinskörnung aus Diabas betoniert. Die Wasserseite wies jedoch erhebliche Frostschäden auf, die bei abgesenktem Wasserspiegel mit einer neuen Vorsatzschale aus Spritzbeton instandgesetzt wurden. Der Altbeton der Staumauer erforderte aufgrund seines Bindemittels Thurament, heute einem CEM III vergleichbar, den Einsatz von HS-Bindemittel zum Nachweis der Verträglichkeit. Bei der Bearbeitung des Betonierkonzeptes war neben dieser Randbedingung jedoch die AKR- Verträglichkeit der im Spritzbeton verwendeten Gesteinskörnungen mit dem vorgesehenen CEM I zu prüfen. Dabei stellte sich heraus, dass die im Ausgangsgemisch des Baustofflieferers enthaltenen Kiese 2/8 und 8/16 mm im AKR-Mörtelschnelltest kritische Dehnungen erbrachten. Ein später AKR-Schaden konnte somit nicht sicher ausgeschlossen werden. Gemeinsam mit Auftraggeber Vattenfall, Auftragnehmer SBN und dem Finger-Institut der Bauhaus-Universität haben wir für das Betonierkonzept folgende Maßnahmen veranlasst:

6 255 Ersatz der Kiesfraktion 8/16 durch ein Vorkommen mit unkritischen Ergebnissen im Mörtelschnelltest, Austausch des CEM I 42,5 R-HS gegen einen CEM I 42,5 R-HS/NA. Mit diesen Maßnahmen konnte dem Bauherrn eine dauerhafte Betoninstandsetzung gewährleistet werden, die auch die Gefahr eines späten AKR-Schadens im neuen Spritzbeton mit Sicherheit ausschließt. Literatur [1] Stark; J.; Wicht, B.: Dauerhaftigkeit von Beton Der Baustoff als Werkstoff. Basel: Verlag Birkhäuser, [2] Deutscher Ausschuß für Stahlbeton DAfStb Richtlinie Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali Richtlinie), Ausgabe Mai 2001 [3] Stark, J. et al.: AKR Prüfverfahren zur Beurteilung von Gesteinskörnungen und projektspezifischen Betonen. In: beton 56 (2006) Heft 12, S [4] Kubens, Ch. Bestandsaufnahmen und Begutachtung von geschädigten Wasserbauwerken sowie Planung und Prüfung von Betonierkonzepten an zahlreichen Vorhaben in Thüringen, Sachsen und Sachsen-Anhalt (unveröffentlicht). Anschrift der Verfasser Dipl.-Ing. Christian Kubens Rothenburger Straße Nürnberg, Germany christian.kubens@kubens-ingenieure.de Dr. Ernst Freyburg Coudraystraße Weimar, Germany Prof. Dr. Jochen Stark Coudraystraße Weimar, Germany jochen.stark@bauing.uni-weimar.de