Betonschäden durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion

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1 16 FORSCHUNG Abb. 1: Betonfahrbahn mit AKR-Schäden im Bereich der Querscheinfuge Betonschäden durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion Neue Erkenntnisse aus dem Baustofflabor der HTW Dresden Christoph Grieger, Thomas Thiel Problematik Trotz umfangreicher Forschungen und zahlreicher Vorschriften treten nach wie vor Schäden an Betonbauwerken durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion auf. Dabei reagieren die im Beton enthaltenen und/oder während der Nutzung eingebrachten Alkalien (Natrium- und Kaliumoxid) mit reaktiven Kieselsäuren von Gesteinskörnungen und bewirken dabei eine Volumenzunahme und gegebenenfalls Treiberscheinungen im Beton. Ein hoher oder häufig wechselnder Feuchtigkeitsgehalt des Betons ist dazu allerdings Voraussetzung. Betroffen sind deshalb vorrangig Bauwerke des Verkehrs- und Wasserbaus wie Betonfahrbahnen, Brücken, Stützmauern und Schleusenkammern (Abb. 1 und 2). Eine Ursache dieser Schäden ist, dass nach wie vor Gesteinskörnungen aus bestimmten Teilen Deutschlands als Betonzuschlagstoffe nur schwer auf die vorhandene Reaktivität geprüft werden können und somit zum Teil in Bauwerke gelangen. Letztlich muss zur Einstufung der Reaktivität ein langwieriger Betonversuch mit pessimalen Bedingungen im Labor durchgeführt werden, der erst nach fast einem Jahr sichere Ergebnisse bringt. Dabei werden Prismen mit Kantenlängen von 100 mm x 100 mm x 500 mm und Würfel mit einer Kantenlänge von 300 mm mit den zu prüfenden Materialien und einem Zement mit hohem Alkaligehalt hergestellt und daran das Dehnungsverhalten sowie eventuelle Rissbildungen nach einer 270-tägigen Einlagerung bei 40 C und 100%-iger Luftfeuchtigkeit ermittelt. Beträgt die Deh-

2 FORSCHUNG 17 nung mehr als 0,6 mm/m oder treten Risse mit einer Weite von 0,2 mm am Würfel auf, müssen die Gesteinskörnungen in die Empfindlichkeitsklasse E III-S eingestuft werden und sind für die o.g. Bauwerke nicht geeignet. Mit einem vergleichbaren Prüfverfahren, das bisher vor allem in Frankreich durchgeführt wurde und bei dem die Temperatur bei der hohen Luftfeuchtigkeit allerdings 60 C beträgt, soll versucht werden, die Prüfungszeit zu verkürzen. Hier wird der Grenzwert bei 0,3 mm/m für die Dehnungen angesetzt, weil die Proben vor den Messungen auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Versuche mit verschiedenen Körnungen und beiden Verfahren sollten klären, ob die Aussagen zur Empfindlichkeitseinstufung übereinstimmen bzw. die Grenzwerte zutreffend sind. Im Rahmen der Prüf- und Gutachtertätigkeit des Baustofflabors unserer Hochschule wurden in den vergangenen 10 Jahren zahlreiche Bauwerke untersucht und dabei umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Dabei wurde festgestellt, dass die in der Zeitschrift beton, Heft 9/2003, veröffentlichte Empfehlung für die Schadensdiagnose und Instandsetzung von Betonbauwerken, die infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion geschädigt sind nicht alles erfasst bzw. zum Teil erweiterungsbedürftig ist. [1] Für die Untersuchungen ist es üblich, Bohrkerne mit einem Durchmesser von 100 mm zu entnehmen und diese bei hoher Luftfeuchte und Temperatur in eine Nebelkammer einzulagern. Dazu sind diese nach der Bohrkernentnahme möglichst umgehend in ein Prüflabor zu bringen und baldigst die Messbolzen zur Längenänderung anzubringen. Nach 14-tägiger Laborlagerung ist dann der Einlagerungsprozess zu beginnen. Da dies nicht immer eingehalten wird, war interessant zu untersuchen, inwiefern Abweichungen davon die Aussage beeinflussen. Die während der Einlagerung ermittelten Dehnungen setzen sich aus Temperatur- und Feuchtedehnung sowie aus Dehnungen infolge von Treiberscheinungen zusammen. Um den Anteil der beiden erstgenannten zu ermitteln, wurden die Dehnungsmessungen während des anschließenden Austrocknungsprozesses nach der Nebelkammerlagerung weiter fortgesetzt. Dabei ergaben sich interessante Erkenntnisse, die bisher noch nicht in dem vorgegebenen Untersuchungsschema enthalten sind. [3] Entsprechend dem in [1] vorgegebenen Prüfablauf wird nach der Beendigung der Nebelkammerlagerung an den Bohrkernen die Druckfestigkeit ermittelt und als zu erwartende Bauwerksfestigkeit dargestellt. Auch hierzu wurden bei den Untersuchungen der letzten Jahre weiterführende Erkenntnisse gewonnen. Verkürzte Prüfmethode Zur Untersuchung dieser Problematik wurden jeweils Prismen mit den Abmessungen 75 mm x 75 mm x 280 mm für den 40 C-Versuch und für den 60 C Versuch aus 10 verschiedenen Gesteinskörnungen mit folgender Rezeptur hergestellt: Zement: CEM I 32,5 R nach DIN EN mit einem Na 2 O-Äquivalent von 1,3 M.-% Zementgehalt: z = 400 kg/m³ Wasser/Zement-Wert: w/z = 0,45 Gesteinskörnung: Gesteinskörnungsanteil 70 Vol.-% der Fraktion 2/16 mm und 30 Vol.-% hinsichtlich AKR unbedenklicher Sand Abb. 2: Brückenbauwerk mit deutlichen AKR-Schäden Die Rezeptur entsprach der Richtlinie des DAfStb Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton. [2] Die zehn verwendeten Gesteinskörnungen wurden aus dem mitteldeutschen Raum ausgewählt. Dabei waren sechs gebrochene (Splitt) und vier natürliche Körnungen (Kies) enthalten. Die Einlagerung der Prüfkörper bei 40 C bzw. bei 60 C erfolgte zwei Tage nach der Herstellung. Bei beiden Serien wurden Zwischenmessungen im Abstand von 28 Tagen durchgeführt. Dabei ist zu beachten, dass die 60 C-Werte nach 160 Tagen und die 40 C-Ergebnisse nach ca. 240 Tagen Einlagerung dargestellt sind (Abb. 3). Daraus ist erkennbar, dass der Splitt Nr. 3 mit Abstand die größten Dehnungen bei beiden Einlagerungsvarianten aufweist. Während durch die Nebelkammerlagerung bei 40 C lediglich zwei Körnungen als bedenklich eingestuft werden müssen, selektiert die 60 -Lagerung immerhin 5 Körnungen mit einem Grenzwert von > 0,3 mm/m heraus. Das würde bedeuten, dass diese Prüfung eine deutlich schärfere Beanspruchung darstellt als die langjährig praktizierte und mit vielen Erfahrungen untersetzte Prüfung bei 40 C. Damit wird deutlich, dass die beiden Prüfungen in ihrer Aussagekraft nicht unbedingt identisch sind. Die Einlagerungen werden deshalb fortgeführt und auch das Rissverhalten beurteilt.

3 18 FORSCHUNG Erfahrungen aus den Prüfungen zur Bauwerksanalytik Einfluss der Vorkonditionierung der Proben auf die Messergebnisse Für diese Untersuchung wurden Bohrkerne mit einem Durchmesser von 100 mm von drei verschiedenen Betonen verwendet: Nullbeton Autobahnbeton AKR-Laborbeton Abb. 3 Ergebnis der Dehnungsmessungen an Prismen von 10 verschiedenen Gesteinskörnungen nach 160 Tagen Einlagerung bei 60 C und 240 Tagen bei 40 C und jeweils 100% rel. Luftfeuchte Abb. 4 Ergebnis der Dehnungsmessungen nach 270 Tagen bei 40 C und 100% rel. Luftfeuchte an Bohrkernen von 3 verschiedenen Betonen mit einer Vorkonditionierung durch Wasserlagerung, Lagerung im Raumklima und Trocknung bei 70 C (jeweils bis zur Massekonstanz) Der Nullbeton entsprach einem Beton mit 330 kg Zement und enthielt Gesteinskörnungen, die als nicht reaktiv bekannt sind. Bei dem Autobahnbeton handelte es sich um Proben aus einer Betonfläche, die nach ca. 9 Jahren erste AKR-Schäden zeigte. Der Schädigungsfortschritt an diesem Material war relativ langsam, sodass man sich nach 15 Jahren Nutzungszeit entschlossen hatte, den Beton zu ersetzen. Dabei wurde ein reaktiver Kies als Hauptverursacher der Treibreaktionen ausgemacht. Bei der dritten Betonsorte handelte es sich um einen im Labor hergestellten Beton mit präkambrischer Grauwacke, 400 kg Zement je m³ und einem Na 2 O-Äquivalent von 1,3%. Bei diesem Beton war von Anfang an mit deutlichen Dehnungen und Schäden zu rechnen. Die gewonnenen Bohrkerne wurden vor der Prüfung unterschiedlich konditioniert (Lagerung jeweils bis zum Erreichen der Massekonstanz): vollständige Wasserlagerung Lagerung bei Raumklima Trocknung bei 70 C im Umlufttrockenschrank Abb. 5 Beispielhafter Dehnungsverlauf eines Bohrkerns mit deutlicher Alkali-Kieselsäure-Reaktion bei Einlagerung in der Nebelkammer bei 40 C (Mittelwert mit Streubereich) Die Prüfergebnisse sind in der Abbildung 4 zusammengefasst. Es zeigte sich, dass sich beim Nullbeton (grüne Balken) nur Dehnungen bis 0,3 mm/m einstellten und diese damit deutlich unter dem Grenzwert von 0,6 mm/m liegen. Eine zusätzliche Trocknung ergab gegenüber der üblichen Raumluftfeuchtelagerung keine Auswirkung auf die Dehnung. Die reine Feuchtedehnung betrug hier offenbar 0,3 mm/m, da die wassergelagerten Proben

4 FORSCHUNG 19 keine zusätzlichen Verformungen bei der Nebelkammerlagerung zeigten. Der AKR-Laborbeton (graue Balken) mit dem hohen Dehnpotential zeigte bei allen drei Vorlagerungsarten eine deutliche Längenzunahme über dem Grenzwert von 0,6 mm/m. Dabei dehnte sich der bei 70 C vorgetrocknete Beton jedoch um mehr als das Doppelte gegenüber den bei Raumklima konditionierten Proben. Bei dem Beton aus der geschädigten Betondecke (hellblaue Balken) zeigte sich, dass auch dort die zusätzlich getrockneten Prüfkörper ein deutlich höheres Dehnverhalten aufwiesen. Die nach [1] vorkonditionierten Proben ergaben lediglich eine Längenzunahme von 0,6 mm/m. Damit liegt der Wert an der Grenze und ergibt kein klares Bild vom potentiellen Schädigungspotential, obwohl an der Betonfahrbahn in einigen Bereichen (Fugen) deutliche Schäden zu sehen waren. Die wassergelagerten Proben weisen nur noch ein Dehnungspotential von 0,2 mm/m auf und lassen keine Schlussfolgerungen auf eine betonschädigende AKR zu. Rückdehnung der Bohrkerne nach der Einlagerung Ein typischer Dehnungsverlauf für einen Beton, der durch eine Alkali-Kieselsäure Reaktion geschädigt ist, zeigt sich in Abb. 5. Nach anfänglich schneller Dehnung, die offenbar auf Feuchte und Temperatur zurückzuführen ist, überschreitet die Längenänderung bereits nach 3 Tagen den kritischen Wert von 0,6 mm/m. Nach einer Einlagerungsdauer von 60 Tagen ist zudem eine Verkrümmung der Probe zu beobachten, die sich in einer vergrößerten Spannbreite der Dehnmesswerte auf den beiden Bohrkernseiten zeigt. Nach dem Abschluss der Einlagerung weisen die Proben nach 280 Tagen einen mittleren Dehnwert von 2,8 mm/m auf. Anschließend wurde diese Probe weitere 14 Tage im Labor bei Raumklima gelagert und trocknete langsam wieder aus. Dabei wurden die Masse sowie weiterhin die Dehnung gemessen. Abb. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Änderung des Wassergehaltes der Probe und der Längenänderung. Hierbei verdeutlicht die blaue Linie den Anteil der reversiblen Abb. 6 Darstellung der Rücktrocknung und Rückdehnung im Anschluss an die Nebelkammerlagerung des Bohrkerns aus Abb. 5 Feuchtedehnung; die verbleibende Restdehnung beträgt 2,3 mm/m. Probekörper, die bei der 9-monatigen Einlagerung sich nur max. 0,6 mm gedehnt hatten, wiesen nach der Rücktrocknung keine oder nur eine geringe irreversible Dehnung von 0,1 mm/m auf. Prüfzeitpunkt Prüfkörper äquivalente Würfeldruckfestigkeit vor der Nebelkammerlagerung im Anschluss an die Nebelkammerlagerung Anzahl Festigkeitsprüfergebnisse an Bohrkernen nach der Laborprüfung Bei der Ausarbeitung der Empfehlung für die Schadensdiagnose und Instandsetzung von Betonbauwerken, die infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion geschädigt sind [1] war man davon ausgegangen, dass Prüfkörper, die sich über ein bestimmtes Maß hinaus gedehnt haben, entsprechend innerlich geschädigt sind. Eine sich anschließende Druckfestigkeitsprüfung an diesen Proben würde dann Rückschlüsse auf die Bauteilfestigkeit zulassen. Das heißt, Prüfkörper mit vielen Rissen hätten dann nur noch eine geringe Betondruckfestigkeit. Die Untersuchungen der letzten Jahre belegen jedoch, dass diese Betrachtungsweise nicht zutreffend ist. In den meisten Fällen war die an den eingelagerten Proben ermittelte Druckfestigkeit genauso hoch oder noch höher als an Bohrkernen, die zuvor parallel aus dem Bauwerk geprüft wurden (Abb. 7). Das kann dadurch erklärt werden, dass durch eine AKR und die damit verbundene Gelbildung sich das Gefüge im Beton weiter verdichtet. Die an den Bohrkernen gemessenen Dehnungen führen aufgrund des geringen Volumens dieser Probekörper im Verhältnis zum Bewertung der Druckfestigkeit nach DIN EN 13791:2008 Abb. 7: Beispielhafte Darstellung von Bohrkernfestigkeiten vor und nach einer Nebelkammereinlagerung. Die Dehnung des Betons betrug im Mittel 0,67 mm/m. Bezeichnung Minimalwert Maximalwert Mittelwert geschätzte charakteristische Druckfestigkeit Eingeschätzte Betondruckfestigkeitsklasse 4; 5; ,3 50,0 46,7 39,8 C35/45 1; 2; ,4 58,8 54,6 47,3 C45/55

5 20 FORSCHUNG Bauwerksbeton zu keinen oder nur sehr kleinen Rissen. Außerdem werden bei der Druckfestigkeitsprüfung die Risse zusammengedrückt, wobei diese Beanspruchungsart nicht geeignet ist, eine Schädigung durch Risse im Prüfkörper deutlich zu machen. Insofern sollte auf eine abschließende Druckfestigkeitsprüfung verzichtet werden, da sie Ergebnisse bringt, die keine direkte Aussage zum Bauwerksbeton zulassen. Schlussfolgerungen Die Untersuchungen mit den unterschiedlichen Einlagerungstemperaturen 60 C und 40 C haben gezeigt, dass die Verfahren nicht unbedingt vergleichbare Werte liefern. Nach den geltenden Beurteilungskriterien für beide Versuche müssten von den 10 untersuchten Proben bei dem 60 C-Versuch 50% in E III-S eingestuft werden. Für den 40 C-Versuch liegen nur 2 Proben über dem Grenzwert (20%). Somit ergibt sich bei der 60 C-Lagerung eine schärfere Beurteilung. Die Fortführung der Einlagerung bei 40 C soll zeigen, ob ggf. noch spätere Dehnungen auftreten, die bisher bei der auf 270 Tage begrenzten Zeit nicht beachtet wurden. Durch Rückdehnungsmessungen sollen auch noch die vorgegebenen Grenzwerte kritisch betrachtet werden. Die Untersuchungen zur Vorkonditionierung vor der Nebelkammerlagerung haben gezeigt, dass es wichtig ist, dabei genaue Bedingungen einzuhalten. Werden Bohrkerne nach der Entnahme zu lange feucht gehalten, kann bereits das Dehnungspotential abgebaut sein. Die vorgesehene Luftlagerung ist sicher richtig. Im konkreten Fall des Autobahnbetons ergab sich allerdings ein indifferentes Ergebnis gegenüber dem am Bauwerk vorhandenem Bild. Eine definierte Vortrocknung bei 70 C bis zur Massekonstanz erlaubt jedoch eine größere Trennschärfe in der Aussage. Alkali-Kieselsäure-Reaktion Der nicht AKR-gefährdete Nullbeton zeigte trotz Trocknung kein größeres Dehnverhalten als lufttrockene Proben. Es sollte geprüft werden, ob man durch eine derartige Trocknung (ggf. auch nur bei 50 C) künftig definierte Ausgangsbedingungen schafft und somit auch eindeutigere Ergebnisse erhält. Eine Rücktrocknung der Proben bringt eine zusätzliche Aussage über eine mögliche Schädigung des Betons und sollte künftig mit in die Empfehlungen aufgenommen werden. Demgegenüber könnte auf eine anschließende Ermittlung der Druckfestigkeit verzichtet werden, da es erfahrungsgemäß auch bei Dehnungen über dem Grenzwert von 0,6 mm/m kaum zu Festigkeitsverlusten gegenüber nicht eingelagerten Proben kommt. Hohe Festigkeitswerte widersprechen der am Bauwerk zu erwartenden Rissbildung. Bei der Übertragung der Prüfergebnisse auf das Bauwerk wird häufig verkannt, dass die Abnahme der Gebrauchstauglichkeit am Bauwerk nicht durch eine reduzierte Druckfestigkeit sondern durch eine verstärkte Rissbildung sowie die entsprechenden Folgeerscheinungen entsteht. Aber auch bei der Beurteilung der Risserscheinungen am Bauwerk muss beachtet werden, dass bei Stahlbetonbauwerken die Risse sich häufig nur bis zur Bewehrung erstrecken und dann parallel zu Bauwerksoberseite verlaufen. Erst wenn durch ein Zerstören der Bewehrung die Kraftübertragung zum Beton nicht mehr gegeben ist, kann es durch punktuelle Überlastungen zum Versagensfall im Bauwerk kommen. Quellen [1] Empfehlung für die Schadensdiagnose und Instandsetzung von Betonbauwerken, die infolge einer Alkali-Kieselsäure- Reaktion geschädigt sind, in: beton, Heft 9/2003 [2] Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton: Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (DAfStb Alkali-Richtlinie), Berlin 2007 [3] J. Lehmann: Einfluss des Wassergehaltes auf die Ergebnisse von Dehnungsmessungen im Zusammenhang mit Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion (Projektarbeit im Lehrgebiet Baustoffe an der HTW Dresden), Dresden 2011 [4] Verschiedene Prüfberichte Baustoffprüflabor der HTW Dresden Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist eine chemische Reaktion zwischen den aus dem Zement stammenden oder während der Nutzung von außen in den Beton eingebrachten Alkalihydroxiden (NaOH, KOH), der im Beton enthaltenen Feuchtigkeit und der in einigen Gesteinen noch vorhandenen reaktiven Kieselsäure. Hierbei bildet sich um reaktionsfähige Gesteinskörner herum eine gelartige Alkalisilikat-Schicht aus. Da diese Reaktion mit einer Volumenvergrößerung einhergeht, können betonschädigende Quelldrücke hervorrufen werden. Neben einer Netzrissbildung ist mitunter das Austreten von zähflüssigen meist gelblichen Geltropfen ein typisches Merkmal für diese Schadensursache. Kontakt HTW DRESDEN Fakultät Bauingenieurwesen/Architektur Prof. Dr.-Ing. Christoph Grieger grieger@htw-dresden.de Kontakt HTW DRESDEN Fakultät Bauingenieurwesen/Architektur M.Sc.Thomas Thiel thiel@htw-dresden.de