Ein phänomenologisches Modell zur Prognose. einer schädigenden AKR im Beton, unter. Berücksichtigung von praxisnahen. Performanceaspekten

Transkript

1 Ein phänomenologisches Modell zur Prognose einer schädigenden AKR im Beton, unter Berücksichtigung von praxisnahen Performanceaspekten apl. Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Hünger Dipl.-Ing. Mario Kositz

2 Inhalt 1. Bestimmung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen 2. Prüfverfahren direkt am Korn (eine kurze Historie) 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Modellbildung 5. Performance Aspekte 6. Zusammenfassung & Fazit 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 2

3 ε (mm/m) ε (mm/m) 1. Bestimmung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen nach Alkalirichtlinie des DAfStb Gesteinsmaterialien: nach Teil 3 (alte Bezeichnung) Grauwacke, Rhyolit, & Kiese Prüfmethoden: Schnellprüfverfahren Betonversuch (NK oder 60 C) 2,5 AMBT expansion 2,5 CPT expansions 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0, Time (d) 0, Time (d) 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3

4 Enddehnung Alkali-Richtlinie [mm/m] 2. Prüfverfahren direkt am Korn A) Kieselsäureüberschuss als Kennwert zur Ermittlung von Enddehnungen (HILL 2003) 3,0 2,4 Löslichkeitsverfahren Linear GW 3a GW 4 1,8 GW3 GW WS 1,2 GW SW e = 0,006 max SiO 2üb 0,6 0,26 0,0 GW 97-5 GW 97-2 GW2B GW SN GW KR GW 97-4 Zuordnung auf sicherer Seite GW 97-6 für max SiO 2üb > 43 mg/l E I-G evtl. E II-G E III-G max. SiO 2üb in Lösung [mg/l]

5 open porosity (Vol.-%) 2. Prüfverfahren direkt am Korn B) Kieselsäureüberschuss & Porosität als Kennwertpaar - BTU-SP Test (BACHMANN 2007) 10,0 BTU-SP-Test method 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, maximum excess silica content (mg/l) 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 5

6 2. Prüfverfahren direkt am Korn C) Löserate & Betonenddehnung der modifizierte BTU-Test (KRONEMANN 2015) originale Korngröße beliebiger Zeitpunkt der Entnahme Homogenität der Probe einfache Handhabung 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 6

7 2. Prüfverfahren direkt am Korn mod. BTU-Test 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 7

8 ε (mm/m) excess silica solution (mg/l) excess silica / t (mg/l/d) 2. Prüfverfahren direkt am Korn 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Correlation CPT-mod. BTU Time mod.-btu test (d) Time fog-chamber (d) A1 eps G9 eps M1 eps K7g eps A1 sol G9 sol M1 sol K7g sol dissolution rate of excess silica G9 K7g A1 M gradual assessment of the alkali-reactivity of aggregates - rate of excess silica decides whether ASR take place, but model neglects porosity! - good agreement with CPT, but data presentation confused 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 8

9 3. Experimentelle Untersuchungen Ausgangspunkt 18 verschiedene GK (11+7) in den Fraktionen 2/8 und 8/16 Grauwacke G9 Rhyolith R3 Kies K5r Kies K5g Andesit M1 runde & gebrochene Kiese Rhyolite Grauwacken Quarzit Andesit 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 9

10 3. Experimentelle Untersuchungen Untersuchungsprogramm GK Rohdichte: 2,50-2,70 g/cm³ offene Porosität BTU-SP & mod. BTU-Test BV NK 40 C nach Alkali-Richtlinie w/z = 0,45 z = 400,00 kg/m³; Na 2 O eq = 1,30 M.-% GK = 30/40/30 Vol.-% Frischbetonrohdichte, LP-Gehalt & Konsistenz Dehnung & dynamischer Elastizitätsmodul 28d Würfeldruckfestigkeit 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 10

11 3. Experimentelle Untersuchungen offene Porosität Festgestein Lockergestein 6,0 5,0 po in Vol.-% 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r GK 2/8 8/16 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 11

12 3. Experimentelle Untersuchungen mod. BTU-Test SiO2üb in mg/l Dauer in d G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 12

13 ε in mm/m 3. Experimentelle Untersuchungen Dehnungen im BV NK 40 C 2,4 2,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Dauer in d G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 13

14 4. Modellbildung Annahmen reproduzierbares und zuverlässiges Modell zur Vorhersage einer AKR Empfindlichkeit von GK nichtlineares und riss-freies Materialverhalten Eingabeparameter sind p o & SiO 2üb AKR Dehnungsrate durchläuft Phasen mit var. Geschwindigkeit AKR Dehnungen beginnen ab dem 28. Tag 0,60 0,50 ε1d,t+f in mm/m 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r GK 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 14

15 S(t) ds/dt 4. Modellbildung 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 3,5E-03 3,0E-03 2,5E-03 2,0E-03 1,5E-03 1,0E-03 5,0E-04 0,00 0,0E Dauer in d 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG S(t) ds/dt 15

16 ds/dt ds/dt 4. Modellbildung Approximation Runge-Kutta Verfahren 4. Ordnung stochastisches Optimierungsverfahren zur Parameterschätzung Dehnungseinzelwerte miteinbezogen!!! Qualität der Anpassung mittels R² > 0,995 1,0E-08 8,0E-09 6,0E-09 4,0E-09 2,0E-09 0,0E Dauer in d G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r 1,0E-08 8,0E-09 6,0E-09 4,0E-09 2,0E-09 0,0E+00 0,0E+00 2,0E-07 4,0E-07 6,0E-07 8,0E-07 S(t) G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 16

17 ds/dt 4. Modellbildung Proportionalität vorhanden: 1,0E-08 8,0E-09 6,0E-09 4,0E-09 2,0E-09 0,0E+00 0,0E+00 2,0E-07 4,0E-07 6,0E-07 8,0E-07 S(t) G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r x10-2 G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r k 1 /S 1,03 0,84 1,18 0,89 0,93 1,10 1,03 1,03 0,87 0,94 1,05 1,04 1,04 1,25 1,23 1,06 1,03 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 17

18 ds/dt 4. Modellbildung Ausnahmen: 1,0E-08 8,0E-09 6,0E-09 4,0E-09 2,0E-09 0,0E+00 0,0E+00 2,0E-07 4,0E-07 6,0E-07 8,0E-07 S(t) x10-2 K5g G9 k 1 /S 1,51 1,52 >> 1,03 G2 V1 Q1 R2 M1 G6 K7g R3 A2 K5g G9 A1 K2 K1 K4 K6r K7r K5r Identität von S? 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 18

19 k1(po) 4. Modellbildung offene Porosität! 1,0E-08 G9 8,0E-09 R² = 0,981 A1 K5g 6,0E-09 R2 4,0E-09 V1 A2 K2 2,0E-09 K6r K4 K1 G6 K5r K7g R3 Q1 0,0E+00 K7r M p o in cm³ sehr starke Korrelation bei Festgesteinen! Lockergesteine nicht so einfach korrelierbar vielfältige petrographische Einflüsse 90g Einwaage zu wenig -> ca. 16x Körner 8/16 Lösung: Berechnung mit streuenden Löslichkeiten (ca. 60%) oder Anpassung Probenmenge 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 19

20 SW(po) und S (po) k1(po) 4. Modellbildung 6,0E-09 1,2E-06 SW R² = 0,970 1,0E-06 8,0E-07 S k1 R² = 0,970 R² = 0,982 5,0E-09 4,0E-09 6,0E-07 4,0E-07 3,0E-09 2,0E-09 2,0E-07 1,0E-09 p o ist das entscheidende Bindeglied damit sind alle Parameter bekannt 0,0E+00 0,0E p o in cm³ 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 20

21 ε in mm/m 4. Modellbildung Berechnungsbeispiele 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Dauer in d G9 Exp. K5g Exp. K7g Exp. M1 Exp. Ber. EIII-S (EII-S) EI-S BV Dehnungen werden gut wiedergegeben AKR Klassifizierung stimmig 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 21

22 OH - in mmol/l k1(po, OH - ) 5. Performance Aspekte OH - Konzentration Reduzierung erfolgt durch: w/z-wert Einsatz von Zusatzstoffen Austausch des Zementes ,0E-08 8,0E-09 6,0E mmol/l 870 mmol/l 834 mmol/l 792 mmol/l 775 mmol/l ,0E-09 w/z=0, w/z=0, ,10 1,13 1,17 1,20 1,23 1,27 1,30 Na 2 O eq in M.-% 2,0E-09 0,0E p o in cm³ k 1 (p o, OH - ), S W (p o, OH - ) & S (p o, OH - ) 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 22

23 ε in mm/m 5. Performance Aspekte für die GK G9 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Dauer in d 920mmol/L 870mmol/L 834mmol/L 792mmol/L 775mmol/L Ber. alle experimentelle Daten der G9 liegen noch nicht vor eine Abstufung durch die OH - Konzentration ist erkennbar 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 23

24 6. Zusammenfassung und Fazit SiO 2üb und offene Porosität der GK maßgebende Parameter Faktische und zuverlässige Voraussage von Dehnungen -> EI-S, (EII-S) & EIII-S Verkürzung des Untersuchungszeitraumes frühzeitige Prognose bereits nach wenigen Tagen möglich Berücksichtigung von Performance Gesichtspunkten Festgesteine führten zu höheren Korrelationen als Lockergesteine leistungsfähiges Ingenieurmodell 4. Workshop, AKR UNTER KOMBINIERTEN EINWIRKUNGEN AKTUELLES AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Mario Kositz (0)355/