Thomas Henoch Dr.-Ing. Leiter Forschung und Anwendungstechnik Technical Center Holcim (Schweiz) AG

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1 Was ist AAR? Thomas Henoch Dr.-Ing. Leiter Forschung und Anwendungstechnik Technical Center Holcim (Schweiz) AG Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 1 Inhalt Einführung (AAR von 1940 bis heute) AAR-Begriffe Mechanismus der AAR Haupteinflussgrössen und deren Wechselwirkungen Situation in Deutschland und Österreich Massnahmen: EN SN EN 206-1

2 T.E. Stanton (1940)......Bern (2005) 1940, Stanton: Treiberscheinungen an Beton (Zement mit hohen Alkaligehalt und Zuschlagstoffen die Hornstein und Schieferton mit hohem Gehalt an Kalzium- und Magnesiumkarbonat enthielten). 1942, Stanton / Porter / Meder / Nicol: Treiben durch Bildung von Magnesiumhydroxid (Anmerkung: aus dem Magnesiumkarbonat der Gesteinskörnungen und den Alkalien des Zementes). 1941/1942 verschiedene Autoren in den USA: Schäden als Folge der Wechselwirkung zwischen Alkalien/löslicher Kieselsäure Seit 1950: Intensive Untersuchungen (USA, Canada, Australien Neuseeland) 1958, Idorn: Schadensberichte aus Dänemark 1975: GILLOTT (2. ICAAR Reykjavik): schädigende Alkalireaktion (Quellen bestimmter Tonmineralien) bei Grauwacken, Phylliten und Quarziten (Gesteine ohne amorphe Kieselsäure in Form von Opal oder Chalcedon) Alkali-Silicate Reaction. 2004: 12. ICAAR Beijing, China Bis Ende der 60er Jahre des v. Jahrhunderts war eine AAR im deutschsprachigen Raum ohne Bedeutung 1960

3 Bis Ende der 60er Jahre des v. Jahrhunderts war eine AAR im deutschsprachigen Raum ohne Bedeutung 1000 Teilnehmer...im Jahre 1973

4 Begriffe der Alkali-Aggregat-Reaktion Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 7 Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) Eine Reaktion zwischen der (hoch) alkalischen Porenlösung und alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen wird in der Schweiz als Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) im Beton bezeichnet. Nach der Art der gegenüber der Porenlösung alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen wird bei der AAR zwischen: Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) [engl. alkali-silica reaktion (ASR)] Alkali-Silikat Reaktion (ASR) Alkali-Carbonat Reaktion (ACR) im Schriftum unterschieden. [engl. alkali-silicate reaction (ASR)] [engl. alkali-carbonat reaction (ACR)]

5 AAR-Übersicht Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) alkali-silca reaction (ASR) réaction alcali-silice (RAS) Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) alkali-aggregate reaction (AAR) réaction alcali-granulat (RAG) Alkali-Silikat Reaktion (ASKR) alkali-silicate reaction (ASCR) réaction alcali-silicate (RASC) Alkali-Carbonat Reaktion (ACR) alkali-carbonat reaction (ACR) réaction alcali-carbonate (RAC) Betonschädigende AAR im Beton Sofern die AAR zu Schäden am Beton führt, spricht man zumeist von einer schädlichen oder einer betonschädigenden AAR im Beton. Betonschädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion Betonschädigende Alkali-Silikat Reaktion Betonschädigende Alkali-Carbonat Reaktion Die begriffliche Unterscheidung zwischen AAR Betonschädigende AAR (Alkalitreiben) ist zum Verständnis der Zusammenhänge wichtig, da Reaktionen zwischen Alkalien und den Gesteinskörnungen immer stattfinden. Oft wird die betonschädigende AAR synonym mit dem Begriff Alkalitreiben verwendet.

6 Betonschädigende AAR-Beispiele Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 11 Alkalitreiben (Flügelwand einer Brücke ca. 8 Jahre nach Herstellung) Alkali-Kieselsäure-Reaktion

7 Alkalitreiben an einer Spannbetonschwelle Bilder ca. 6 Jahre nach Herstellung Alkalitreiben an Betonfertigteilen Kombination: Alkali-Kieselsäure-Reaktion / späte Ettringitbildung

8 Mechanismus der AAR Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 15 Mechanismus der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) chemische Reaktion zwischen: Kieselsäure (SiO 2 ) und/oder Silikaten aus den Gesteinskörnungen und anderen Bestandteilen des Betons (Silicastaub Zusatzstoffe) und Alkalien (Na +, K + ) der Porenlösung des erhärteten Betons, aus Zement oder anderen Bestandteilen des Betons stabiles Gel ~ wie C-S-H Phasen AAR ohne Schaden AAR treibendes Gel Betonschädigende Reaktion AAR Grenzen?

9 Mechanismus der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) Alkalisilikatgel-Ausscheidungen Alkalisilikatgel farblos, dünnflüssig Alkalisilikatgel farblos, dünnflüssig Alkalisilikatgel dunkel, zähflüssig Pop out Alkalisilikatgel Alkalisilikatgel verfestigt, gealtert

10 AAR Haupteinflussgrössen und deren Wechselwirkungen Fachtagung Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Alkali Reaktion Aggregat Reaktion November November Th. Henoch 19 AAR Haupteinflussgrössen und deren Wechselwirkungen Umgebung des Bauwerkes Alkalität der Porenlösung Bauwerkstyp Abmessungen Beanspruchungen Alkaliempfindlichkeit Alkaliwiderstand Gesteinskörnungen

11 AAR Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Umgebung des Bauwerkes AAR-Schäden sind nach heute gesichertem Wissensstand nur dann möglich, wenn der Beton der Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Die AAR wird bei wechselnder Feuchtebelastung verstärkt. Nachträgliche Alkalizufuhr sowie Tausalzbeanspruchung verstärken die AAR. Temperaturen um 40 C verstärken die AAR. AAR Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Bauwerkstyp, Bauwerksabmessungen und Beanspruchungen Staumauern, Wasserbauten, Brücken und Betonfahrbahnen sind oft verstärkt von AAR betroffen (Massigkeit sowie starke und wechselnde Feuchtebeanspruchung). Massige Bauteile zeigen oft verstärkte AAR (Austrocknung, Mobilität der Alkalien). Gefügelockerungen oft rechtwinklig zur Bewehrung. Dynamische Beanspruchungen "scheinen" die Auswirkungen einer AAR zu verstärken (Spannbetonschwellen, Fahrbahnplatten).

12 AAR Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Alkalität der Porenlösung Ionenkonzentration [mmol/ Zusammensetzung der ausgepressten Porenlösung Hydratation bei 20 C Na + K + Ca ++ OH SO Hydratationszeit [Stunden] Alkalien im Beton Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 24

13 Alkaligehalt im Beton [kg Na 2 O/ m 3 ] Alkaligehalt: Na 2 O + 0,658 K 2 O A = Na 2 O Äq. [%] Für eine AAR im Beton ist die Alkalinität der Porenlösung des Beton (wirksame Alkalien) die entscheidende Kenngrösse. Alkaligehalt - Beton A B = Σ Na 2 O Äq.tot. * kg BB [kg/m 3 ] Alkaligehalt - wirksamer A Bwirk. = Σ Na 2 O Äq.wirk. * kg BB [kg/m 3 ] Beiträge der Betonbestandteile (BB) zur Alkalibilanz im Beton: Zement: Hauptalkaliträger, Zementgehalt Zusatzstoffe: Meist gering (immer Einzelfallprüfung) Zusatzmittel: Meist gering (immer Einzelfallprüfung) Gesteinskörnungen: Mit Ausnahmen gering Wasser: Bei Trinkwasser unwesentlich Alkaligehalt und wirksamer Alkaligehalt im Zement 100 % Zement CEM I: Na 2 O Äq. [%]: Klinker, Sulfatträger, Nebenbestandteile wirksam CEM I: CEM II: CEMII//B: Na 2 O Äq.wirksam = Na 2 O Äq. Na 2 O Äq.wirksam ( % vom CEM I) Na 2 O Äq.wirk. (<35% CEM I) Durch Einsatz von Zementen mit Zusatzstoffen (CEM II, CEM III) besteht die Möglichkeit den wirksamen Alkaligehalt aus dem Zement gegenüber CEM I bei Bedarf zu reduzieren.

14 Alkaligehalte der Zemente (Hersteller Schweiz) Orientierungswerte Zementart CEM I CEM II/A-LL CEM II/A-S CEM II/A-D Na 2 O Äq.total [%] < 1,0 % 0.7%...0,9% < 1,1 % (nicht relevant) < 1,0 % Na 2 O Äq.wirk. (Z) [%] < 1,0 % 0.7%...0,9% < Na 2 O Äq.total (zum Basis CEM I) < Na 2 O Äq.total Bemerkung in CH vergleichsweise gering in CH vergleichsweise gering in CH vergleichsweise gering Alkalipufferung (f) von Silicastaubanteil CEM III/A CEM III/B nicht relevant nicht relevant << Na 2 O Äq.total (zum Basis CEM I) <<< Na 2 O Äq.total (zum Basis CEM I) (f) von Hüttensandanteil (f) von Hüttensandanteil Gesteinskörnungen Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 28

15 AAR Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Alkaliempfindlichkeit Alkaliwiderstand der Gesteinskörnungen Die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen steigt mit dem Grad der Gitterstörungen. Quarz Alkaliempfindlichkeit von kristallin Kieselsäuremineralien nahezu ungestört Opal amorph stark ungeordnet Die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen im Beton steigt mit der Erhöhung der Alkalinität der Porenlösung. Dehnung [%] Zementgehalt [kg/m 3 ] Die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen im Beton zeigt teilweise pessimale Effekte, d.h. mit Zunahme der Menge alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen reduziert sich die Dehnung des Betons wieder. Alkalireaktion Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Alkaliwiderstand der Gesteinskörnungen Prüfverfahren Die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen steigt mit dem Grad der Gitterstörungen. Quarz Alkaliempfindlichkeit von kristallin Kieselsäuremineralien nahezu ungestört Opal amorph stark ungeordnet Petrographie Chemische Schnelltests (Micro) Mörtelschnelltests Mörtelschnelltests Betontests (Gesteinskörnung) Betontests (Performance-Test) Pétrographie Essais chimiqes Essais ultra rapides sur mortier Essais rapides sur mortier Essais d'application granulat Essai de Performance béton

16 Angrenzende Länder (Beispiel: Deutschland, Österreich Fachtagung Alkali Alkali Aggregat Reaktion November Th. Henoch 31 Deutschland DAfStb-Richtlinie Vorbeugende Massnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie) Teil 1: Allgemeines Teil 2: Betonzuschlag mit Opalsandstein und Flint Teil 3: Betonzuschlag aus präkambrischer Grauwacke oder anderen alkaliempfindlichen Gesteinen Anwendungsbereich für Opalsandstein (einschl. Kieselkreide) und Flint Angrenzender Bereich Gewinnungsgebiet präkambrischer Grauwacke Opalsandstein (Scherbelstein) christobalitführend verkieselte Kreide, quarzführendes, christobalitführendes Opalgestein verkieselte sandige Kreide, quarzführender opalführender Kalkstein Flint mit dicken Krusten, kalkführender Opalflint

17 Deutschland Sonderregelungen für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton Vermeidung von Schäden an Fahrbahndecken aus Beton infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Allgemeines Rundschreiben Strassenbau 15/2005 Die in der Alkali-Richtlinie genannten Gesteine dürfen für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton nicht verwendet werden. Grauwacke, Kies-Edelsplitt des Oberrheins. Quarzporphyr, rezyklierte Gesteinskörnungen und nach Deutschland eingeführte Gesteine dürfen für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton nur verwendet werden, wenn in einem Gutachten die Eignung der Gesteine bestätigt wird. Geforderter charakteristischer Wert des Alkaligehaltes von Zementen für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton nach Tabelle. Zement CEM I + CEM II/A CEM II/B-T CEM II/B-S Hüttensandgehalt [M.-%] bis 29 Alkaligehalt des Zements Na 2 O-Äquivalent [M.-%] Alkaligehalt des Zements ohne Hüttensand bzw. Oelschiefer Na 2 O-Äquivalent [M.-%] CEM II/B-S 30 bis CEM III/A 36 bis Österreich ONR Beurteilung von Gesteinskörnungen für Beton auf Alkalireaktivität vom Schäden sind Einzelfälle Regelmässig für die Betonherstellung verwendete Gesteinskörnungen sind nicht betroffen Wo praktische Erfahrungen vorliegen, sind diese entscheidend und eine Prüfung ist nicht erforderlich. Prüfung als Vergleichsprüfung Bekannt nicht reaktive Gesteinskörnung Bekannt reaktive Gesteinskörnung Zu beurteilende Gesteinskörnung (0/4 und 4/22 getrennt) 1) Rilem TC (ultra-accelerated mortar bar-test) Anpassungen ONR Rilem TC (concrete prism test) Anpassungen ONR 23100

18 AAR Haupteinflussgrössen Wechselwirkung Nationale Regelungen Erkennbar sind heute international vergleichbare Prinzipien um eine betonschädigende AAR zu verhindern (Reduzierung der wirksamen Alkalien, Versuch der Vorhersage des Verhaltens der Gesteinskörnungen). Die Vorhersage der Wechselwirkung zwischen Alkalien und alkaliempfindlichen Bestandteilen des Betons (Grenzwerte) ist derzeit nicht umfassend gelöst. Vorhersage Bauwerksverhalten Grenzwerte (Schnellprüfverfahren) Bei vergleichbaren Prinzipien zur Verhinderung einer betonschädigenden AAR sind in Normen oft länderspezifische Regelungen erkennbar, um den konkreten geologischen Bedingungen Rechnung zu tragen. Die Übertragbarkeit von Grenzwerten anderer Länder auf die geologischen Bedingungen der Schweiz ist im Einzelfall kritisch zu überprüfen.