Lehrstuhl für Baustoffkunde und Baustoffprüfung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Hillemeier. Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 1

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1 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 1 1 Das Problem Bei Verwendung alkaliempfindlicher Zuschläge kann der Beton durch Treiben infolge der Alkali Kieselsäure Reaktion (AKR; alkali silica reaction, ASR) geschädigt werden. Hierbei treten die alkalische Porenlösung des Zementsteins und der Betonzuschlag in Wechselwirkung. Alkalien werden im Beton über Zement, Zusatzmittel und stoffe sowie Zuschläge freigesetzt. In erster Linie wird die betonschädigende AKR jedoch durch die im Zement vorhandenen Alkalien Natrium (Na) und Kalium (K) hervorgerufen. Die Alkalisulfate (Na 2 SO 4 bzw. K 2 SO 4 ) reagieren mit Ca(OH) 2, das bei der Hydratation von Portlandzement gebildet wird. (Me = K und Na) Me 2 SO 4 + Ca(OH) 2 CaSO 4 + 2MeOH (Gleichung 1) Bei der Reaktion von SiO 2 mit Calciumhydroxid entstehen wasserunlösliche Calciumsilikate. Die Reaktion von Alkalihydroxiden (KOH; NaOH) mit amorpher Kieselsäure führt unter Anwesenheit von Wasser zur Bildung von gelartigen, quellfähigen Alkalisilkaten: 2MeOH + SiO 2 + nh 2 O Me 2 SiO 3 nh 2 O (Gleichung 2) Die Alkalisilikate quellen bei Zutritt von Feuchtigkeit; wodurch die zu beobachteten Dehnungserscheinungen hervorgerufen werden. Das Ergebnis sind netzartige oder strahlenförmig verlaufende Risse (map cracking), Ausblühungen sowie gelartige Ausscheidungen, die aber nicht immer sichtbar austreten. Bei einem Austritt aus Rissen sind die Ausscheidungen wasserklar. An der Luft bildet sich durch den Zutritt von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Kaliumcarbonat und Kieselgel. Letzteres gibt den Ausscheidungen ihre typische weiße Farbe. Es ist schwer zu entscheiden, wann es sich um eine AKR handelt. Verwechslungsgefahr besteht mit Frost-, Trocknungs- und Temperaturrissen, denn nicht immer treten Geltröpfchen an der Oberfläche aus. Bild 1: Vorstellung über Ursachen der Bild 2: Alkalischaden Dehnungserscheinungen bei AKR

2 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 2 Ablauf und Ausmaß der Reaktion und der Schädigungen hängen ab von: Art und Menge der alkaliempfindlichen Zuschläge deren Größe und Verteilung Alkalihydroxidgehalt in der Porenlösung Feuchtigkeits und Temperaturbedingungen des erhärteten Betons Die Reaktion ist stark feuchtigkeitsabhängig. Eine trockene Umgebung kann zum Stillstand der Reaktion führen; eine feuchte Umgebung wirkt beschleunigend. Die Reaktion läßt sich beeinflussen durch: geeignete Wahl der Ausgangsstoffe (Zemente, Zuschläge, Betonzusatzmittel) Regulierung der Umgebungsbedingungen Die Richtlinie des DAfStb nennt vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden an Bauwerken durch AKR. Die betontechnischen Maßnahmen sind so festgelegt, daß Standsicherheit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke durch AKR nicht beeinträchtigt werden. 2 Die Testmethoden Zur Beurteilung der Zuschläge auf Empfindlichkeit hinsichtlich der AKR existieren weltweit verschiedene Testmethoden. Die meisten international eingesetzten Methoden betten den Zuschlag zum Testen in Zementleim ein. Eine beschleunigende Untersuchung der AKR wird in einer Nebelkammer (40 C / 100 % r. F) durchgeführt. An einem aus dem Bauwerk entnommenen, durchfeuchteten Bohrkern (min. = 10 cm, l = 20 bis 30 cm) werden während der Lagerung in der Nebelkammer Dehnungen gemessen. Anhand des Dehnungsverlaufs über die Zeit und der mikroskopischen Betrachtung von Anschliffen und ggf. von Dünnschliffen vor und nach der Nebelkammerlagerung können Rückschlüsse auf die AKR gezogen werden. International üblich ist das NBRI- Verfahren (National Building Research Institute) als ein sicheres und schnelles Nachweisverfahren. Dabei werden die Betonproben für 24 Stunden in 80 C heißes Wasser gegeben. Anschließend wird die Länge gemessen. Ist die Längenänderung nach einer 12tägigen Lagerung in 80 C heißer, 1-molarer Natronlauge größer als 0,1 %, dann gilt der Beton als reaktiv. Bei der Diagnose mit Hilfe von Uranylacetat-Lösung (UO 2 (CH 3 COO) 2 ) werden die Bruchflächen von Beton mit der Lösung bestrichen und anschließend mit destilliertem Wasser gut abgespült. Wo sich Alkali-Silika-Gel gebildet hat, verbleibt das Uranyl, weil es zwischen Uranyl und Natrium zu einer Austauschreaktion kommt. Die vorhandene Uranyl-Anreicherung fluoresziert unter UV-Lichtbetrachtung hellgrün. Wenn Kalkstein als Zuschlag verwendet wurde, ist die Uranylacetatmethode nicht eindeutig. Die Richtlinie Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkaliereaktion im Beton (Alkali Richtlinie) des DAfStb von Dezember 1997 schreibt andere Untersuchungsmethoden vor.

3 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 3 3 Die Alkali Richtlinie 3.1 Allgemeines Die Richtlinie ist für unter normalen Bedingungen erhärtenden Beton nach DIN 1045, nicht für wärmebehandelten Beton, anzuwenden. Die alkaliempfindlichen Zuschläge sind nach Tabelle 1 unterteilt: Tabelle 1: Alkaliempfindliche Zuschläge Alkaliempfindliche Zuschläge Opalsandstein einschl. Kieselkreide Flint Grauwacke Kurzzeichen O F G Die AKR ist stark vom Feuchtigkeitsangebot abhängig. Es werden deshalb drei Feuchtigkeitsklassen definiert. Wird Zuschlag aus den Gewinnungsgebieten nach Bild 3 verwandt, muß die ausschreibende Stelle die Betonbauteile im Leistungsverzeichnis Feuchtigkeitsklassen zuordnen. Tabelle 2: Feuchtigkeitsklassen Feuchtigkeitsklasse Kurzzeichen Beispiel Trocken WO Innenbauteile im Hochbau (rlf < 80 %); Außenbauteile ohne Einwirkung von Niederschlag Feucht WF Ungeschützte Außenbauteile; Innenbauteile in Feuchträumen Feucht und Alkalizufuhr von außen WA Bauteile mit Meerwassereinwirkung, Tausalzeinwirkung (z.b. Parkhäuser, Flugplätze); Industriebauten mit Alkalieinwirkung Die Alkalirichtlinie ist in jedem Fall für Zuschlag der in Bild 3 dargestellten Gewinnungsgebiete anzuwenden. Im angrenzenden Bereich können örtlich alkaliempfindliche Zuschläge in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen. Besteht der Verdacht auf Alkaliempfindlichkeit der Zuschläge bei neu aufzuschließenden Lagerstätten oder Erweiterungen von Abbaufeldern sind im angrenzenden Bereich die Zuschläge nach der Richtlinie zu prüfen und einzustufen. Werden Zuschläge aus eindeutig unbedenklichen Gebieten, z.b. Mainkies, Rheinkies, Weserkies, eingesetzt, sind diese ohne Alkaliprüfung als unbedenklich hinsichtlich der Alkalireaktion der Zuschläge einzustufen und können ohne Einschränkung im Anwendungsgebiet (siehe Bild 3) verwendet werden. Werden Beton mit Zuschlägen der Kategorie E II - O bzw. OF oder E III O, OF oder G (s.u.) Betonzusatzstoffe und mittel zugegeben und liegen die Feuchtigkeitsklasse WF oder WA vor, so müssen für die Zusätze Bauaufsichtliche Zulassungen des DIBt vorliegen. Bei Zugabe von Betonzusatzstoffen oder Betonzusatzmitteln darf der wirksame Alkaligehalt 600 g / m³ Beton nicht überschreiten. Werden Betonzusatzstoffe und mittel gemeinsam zugesetzt, darf der Gesamtalkaligehalt von g / m³ Beton nicht überschritten werden. Beton mit o.g. Zuschlägen darf nicht mit Meerwasser bzw. Wässern mit erhöhtem Alkaligehalt hergestellt werden.

4 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 4 Bild 3: Anwendungsbereiche und Gewinnungsgebiete von Zuschlägen mit Opalsandstein, Flint und präkambrischer Grauwacke Der Zuschlag wird nach einer Erstprüfung in Alkaliempfindlichkeitsklassen eingeteilt. Er unterliegt einer ständigen Überwachung. Die Alkaliempfindlichkeitsklasse ist neben der Kurzbezeichnung des Zuschlags nach DIN 4226 im Sortenverzeichnis und auf dem Lieferschein anzugeben. Tabelle 3: Alkaliempfindlichkeitsklassen und ihre Einstufung hinsichtlich Alkalireaktion Kurzzeichen E Klasse I II III Brauchbarkeit / Bedenklichkeit unbedenklich bedingt brauchbar bedenklich 3.2 Opalsand und flinthaltige Zuschläge Bei opalsand und flinthaltigen Zuschlägen sind zwei gesonderte Untersuchungen erforderlich. Da bei einer Zementzugabemenge von z 330 kg / m³ Beton der Einfluß des Flitanteils gering ist, wird der Zuschlag für diesen Fall nach den Alkaliempfindlichkeitsklassen E I O bis E III O beurteilt. Ist z > 330 kg /m³, ist die Beurteilung nach E I OF bis E III OF heranzuziehen.

5 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 5 In der Richtlinie sind in Abhängigkeit von der Korngröße Grenzwerte des erlaubten Gewichtsverlusts für den reinen Zuschlag nach Reaktion mit heißer Natronlauge festgelegt. Danach werden die Zuschäge in die entsprechende Alkaliempfindlichkeitsklasse eingeteilt: Bezeichnungsbeispiel: Kies DIN / 16 E I - O E II - OF: Kies der Körnungsklasse 8 / 16, unbedenklich hinsichtlich Alkalireaktion durch Opalsandstein, bedingt brauchbar hinsichtlich Alkalireaktion durch Opalsandstein und Flint. Der Untersuchungsalgorithmus kann Bild 4 entnommen werden. Die zu treffenden vorbeugenden Maßnahmen sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Tabelle 4: Vorbeugende betontechnische Maßnahmen für opalsand und flinthaltige Zuschläge Zementgehalt / kg/m³ Beton 330 > 330 Alkaliemp- Erforderliche Maßnahme für die Feuchtigkeitsklasse: findlich- keitsklasse WO WF WA E I O keine keine keine E II O keine keine NA Zement E III O keine NA Zement Austausch des Zuschlags E I OF keine keine keine E II OF keine NA Zement NA Zement E III OF keine NA Zement Austausch des Zuschlags 3.3 Präkambrische Grauwacke Bezüglich des Gefährdungspotentials von präkambrischer Grauwacke liegen keine gesicherten Erkenntnisse vor. Die Einteilung beschränkt sich deshalb auf die Gruppen E I G (unbedenklich) und E III G (bedenklich). Zur Untersuchung der Alkaliempfindlichkeit von Grauwacke und anderer alkaliempfindlicher Gesteine werden Betonversuche an Balken und Würfeln durchgeführt. Die Betonbalken dürfen nach 9 monatiger Lagerung in der Nebelkammer (40 C / 100 % r. F) festgelegte Grenzdehnwerte ε nicht überschreiten. An den Würfeln ist das Rißbild zu beobachten. Nach festgelegten Kriterien ist die Einstufung in E I G (ε 0,6 mm / m und keine Rißbildung) oder E III G (ε > 0,6 mm / m und starke Rißbildung) vorzunehmen. Die vorbeugenden betontechnischen Maßnahmen sind Tabelle 5 zu entnehmen. Tabelle 5: Vorbeugende betontechnische Maßnahmen für Zuschläge mit präkambrischer Grauwacke Zementgehalt / kg/m³ Beton Ohne Festlegung Alkaliempfindlichkeitsklasse Erforderliche Maßnahme für die Feuchtigkeitsklasse WO WF WA E I G keine keine Keine z 300 keine keine Keine 300< z 350 E III G keine keine NA Zement z > 350 keine NA Zement Austausch des Zuschlags

6 Alkali Richtlinie des DAfStb Seite 6 Bild 4: Ablaufschema für die Prüfung mit opalsand und flinthaltigen Zuschägen