Wechselwirkung chemischer Mechanismen auf das mechanische Materialverhalten von Gesteinskörnung bei einer AKR

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1 Wechselwirkung chemischer Mechanismen auf das mechanische Materialverhalten von Gesteinskörnung bei einer AKR Oliver Mielich Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Otto-Graf-Institut Berlin, 07. März 2013 Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM)

2 Schematische Darstellung des AKR-bedingten Schädigungsverlaufs nach den Vorstellungen von Sprung & Sylla (1998) Ausgangszuschlagkorn mit alkaliempfindlicher Kieselsäure Oberflächenreaktion mit Alkali- und Calcium-Ionen des Zements zu nicht quellendem Alkalicalciumsilicathydrat = semipermeable Membran Diffusion von Alkali-Ionen und Wasser in das Zuschlagkorninnere und Reaktion mit alkaliempfindlicher Kieselsäure zu Alkalikieselgel Durch fortschreitende Reaktion und Wasseraufnahme Erhöhung des Innendrucks Rissbildung bei Erreichen der Zugfestigkeit des Zuschlagkorns; geringe Gelbildung 2 Auflösung des Zuschlagkorns von innen heraus; starke Gelbildung

3 Schematische Darstellung des AKR-bedingten Schädigungsverlaufs nach den Vorstellungen von Sprung & Sylla (1998) Ausgangszuschlagkorn mit alkaliempfindlicher Kieselsäure Oberflächenreaktion mit Alkali- und Calcium-Ionen des Zements zu nicht quellendem Alkalicalciumsilicathydrat = semipermeable Membran Diffusion von Alkali-Ionen und Wasser in das Zuschlagkorninnere und Reaktion mit alkaliempfindlicher Kieselsäure zu Alkalikieselgel Durch fortschreitende Reaktion und Wasseraufnahme Erhöhung des Innendrucks Rissbildung bei Erreichen der Zugfestigkeit des Zuschlagkorns; geringe Gelbildung p 0 1 = ft 1 a für a 0 Beispiel: f t = 7,5 MPa, a = 5 % p 0 = 142,5 MPa >> 20 MPa? 3 Auflösung des Zuschlagkorns von innen heraus; starke Gelbildung

4 Schallemission vs. Dehnung Rissbildung 2 Gelbildung 3 Rissbildung Zementstein 4 Gelansammlung in Rissen Quelle: Pour-Ghaz, M.; Spragg, R.; Castro, J.; Weiss J. (2012): Can acoustic emission be used to detect alkali silica reaction earlier than length change tests? Conference Proceedings of the 14th ICAAR, May 21-25, 2012, Austin, TX, USA

5 Löslichkeit von amorphen und kristallinem SiO 2 Theoretisch berechnete Löslichkeit von amorphen und kristallinem SiO 2 in Abhängigkeit vom ph-wert der Porenlösung bei 25 C (aus: [Stark & Wicht (2001)] 5

6 Löslichkeit von Elementen gesteinsbildender Mineralien in Abhängigkeit der OH - -Konzentration 6 Gelöstes Silizium, Aluminium und Natrium in Abhängigkeit der OH - -Konzentration bei 80 C nach 14 -tägiger Lagerung

7 Beispiel: Gesteinsbildende Mineralien gesteinsbildendes nachgewiesen in der chemische Formel 1) Mineral Gesteinssorte Pyrit/Eisensulfid GW FeS 2 Hämatit/Eisenoxid QP, QP1-OR, QP2-OR, DB Fe 2 O 3 Chlorit GW, QP, QP1-OR, DB (Mg,Fe,Al) 12 [(Si,Al) 8 O 20 ](OH) 16 Biotit DB K(Mg,Fe) 3 1) chemische Formeln aus BETECHTIN (1964) 7

8 Löslichkeit von Elementen gesteinsbildender Mineralien in Abhängigkeit der OH - -Konzentration 8 Gelöstes Silizium, Aluminium und Natrium in Abhängigkeit der OH - -Konzentration bei 80 C nach 14 -tägiger Lagerung

9 OH - -Konzentration der Porenlösung nach 365 Tagen in Abhängigkeit des Na 2 O Äqu. in M.-% des Zements (Quelle Messwerte VDZ: [Böhm & Baetzner (2008)] 9

10 Löslichkeit von Elementen gesteinsbildender Mineralien in Abhängigkeit der OH - -Konzentration 10 Gelöstes Silizium, Aluminium und Natrium in Abhängigkeit der OH - -Konzentration bei 80 C nach 14 -tägiger Lagerung

11 Löslichkeit von Elementen gesteinsbildender Mineralien in Abhängigkeit der OH - -Konzentration 11 Gelöstes Calcium, Eisen und Magnesium in Abhängigkeit der OH - -Konzentration bei 80 C nach 14 -tägiger Lagerung

12 AKR-Schaden an der Flughafen-Auffahrt Trondheim Betonoberfläche mit Braunverfärbung im Bereich der Rissbildung 12

13 13 Alkali-Kieselsäure-Gel entlang einer angelösten Calcit-Ader

14 14 Energie-Dispersive-Röntgenanalyse (EDX) eines Gels

15 Dünnschliffaufnahmen eines Quarzporphyrs in Abhängigkeit seiner alkalischen Umgebung 14-tägige Lagerung bei 80 C warmer Lösung Wasserlagerung Lagerung in 0,37 mol/l KOH-Lösung (ph = 13.57) Lagerung in 1,0 mol/l KOH-Lösung (ph = 14.0) 15

16 ESEM-Aufnahmen einer Quarzporphyroberfläche in Abhängigkeit der alkalischen Umgebung 14-tägige Lagerung bei 80 C warmer Lösung Detail Detail Detail Wasserlagerung 16 Detail Lagerung in 0,37 mol/l KOH-Lösung (ph = 13.57) Detail Lagerung in 1,0 mol/l KOH-Lösung (ph = 14.0) Detail

17 Prüfaufbau und Probengeometrie zur Bestimmung mechanischer Gesteinsparameter nach ISRM K c Ic = 1+ 1 p p F F c max K Ic Gesteins- Bruchzähigkeit E = g o df d( CMOD) 1 D Gesteins-E-Modul 17

18 Entwicklung mechanischer Eigenschaften des Gesteins 18 Kraft [N] Quarzporphyr - 0 Tage Quarzporphyr - 35 Tage Quarzporphyr - 70 Tage Quarzporphyr Tage Quarzporphyr Tage Quarzporphyr Tage 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 CMOD [mm] Lagerungsdauer [d] K c Ic [MN/m 1,5 ] 2,90 ± 0,12 2,97 ± 0,11 2,52 ± 0,13 1,87 ± 0,10 1,62 ± 0,15 1,51 ± 0,19 E-Modul [GPa] 76,3 ± 0,4 76,3 ± 0,7 68,8 ± 0,6 45,4 ± 0,5 39,5 ± 0,7 27,2 ± 0,5

19 19 E-Modul des Gesteins und E-Modul des Betons

20 Theoretisches Grundmodell für den Elastizitätsmodul (HIRSCH-Modell) E = V k E k 05, + ( 1 V k ) E m 1 V k 1 V + 05, k + Ek Em Berechnungsansatz für den Elastizitätsmodul nach HIRSCH (1962) Kombination von jeweils zwei parallel und seriell geschichteten Phasen 20

21 21 E-Modul des Gesteins und E-Modul des Betons

22 22 E-Modul des Gesteins und E-Modul des Betons

23 23 Einfluss einer betonschädigenden AKR auf die mechanischen Eigenschaften von Beton

24 24 Einfluss einer betonschädigenden AKR auf die mechanischen Eigenschaften von Beton

25 25 Einfluss einer betonschädigenden AKR auf die mechanischen Eigenschaften von Beton

26 Vorversuch Quarzporphyr im Ausgangszustand Lagerungsbedingungen: 5 Monate in 1,0 mol/l KOH- Lösung bei 80 C Ermittlung des statischen Beton-E-Moduls 3 Betonzylinder mit Durchmesser 150 mm und 300 mm Höhe Betonzusammensetzung: 330 kg/m³ CEM I 42,5 N w/z = 0,45 30 Vol.-% 0/2 Sand 40 Vol.-% 2/8 Quarzporphyr 30 Vol.-% 8/16 Quarzporphyr 26

27 Ergebnisse 38,9 GPa 35,5 GPa 44,2 GPa 38,9 GPa 8,7 % 12,0 % 27

28 Theoretisches Grundmodell für Elastizitätsmodul (HIRSCH-Modell) + + = V k V k E ,, m k m k k k E E E V E V 05 1, ) ( mit E k = f (c(oh - ); T)

29 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Ziel war die Erfassung der Wechselwirkung chemischer Mechanismen auf das mechanische Materialverhalten von Gesteinskörnung in einem hoch alkalischen Milieu sowie die Erfassung der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften des Betons. Ein hoch alkalisches Milieu hat neben dem bekannten Lösungsprozess der Kieselsäure (SiO 2 ) auch Lösungsprozesse von Aluminium, Eisen, Calcium, Natrium und Kalium zur Folge. Die Summe aller Lösungs- und Neubildungsprozesse führen in einem hoch alkalischen Milieu zur Veränderung mechanischer Gesteinseigenschaften. Die Veränderung der mechanischen Gesteinseigenschaften kann auf die Gesteinskörnung im Beton übertragen werden. 29

30 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Gesteinskörnung im Beton hat einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Betons. Eine AKR-bedingte Schädigung hat bei langsam reagierender alkaliempfindlicher Gesteinskörnung keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf die Druckfestigkeit, aber einen deutlichen Einfluss auf den statischen Beton-E-Modul und die Zugfestigkeit. Im Frühstadium einer AKR, wenn makroskopisch noch keine Anzeichen für eine AKR sichtbar sind, kann bereits eine Schädigung in Form von reduzierten mechanischen Eigenschaften des Betons vorliegen. Bei Performance-Prüfungen sollten in Abhängigkeit des Verwendungszweckes die mechanischen Eigenschaften des Betons ermittelt werden. Die Wahl von Enteisungsmitteln sowie deren Konzentration ist eine entscheidende Größe für das mechanische Materialverhalten von Gesteinskörnung im Beton 30

31 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Wird bei der Planung von Betonbauwerken ein bestimmter Wert der Zugfestigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls angesetzt, so muss der Planer sich im Vorfeld der Bauausführung vergewissern, ob mit den zur Verfügung stehenden Rohstoffen ein solcher Wert erreichbar ist und dann einen Mindestwert der Zugfestigkeit und/oder des Elastizitätsmoduls als zusätzliche Betoneigenschaft gesondert festlegen. Vorschlag: Bei AKR-Performance-Prüfungen sollten in Abhängigkeit des Verwendungszweckes die mechanischen Eigenschaften des Betons ermittelt werden. 31

32 Was eben erst fixiert worden, wird durch neu eintretende Ursachen aufgehoben, verzehrt, gestört, neu hergestellt. J.W. v. Goethe (1811, Handschriftlich) 32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!