Bauschäden durch Mineralische Treiberscheinungen

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Fritzi Baumann
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Bauschäden durch Mineralische Treiberscheinungen Herbert Pöllmann und Jürgen Göske Treiberscheinungen werden durch Mineralreaktionen in einem bereits erhärteten BaustoffGefüge verursacht.

1 Bauschäden durch Mineralische Treiberscheinungen Herbert Pöllmann und Jürgen Göske Treiberscheinungen werden durch Mineralreaktionen in einem bereits erhärteten BaustoffGefüge verursacht. Das höhere Volumen der Mineralneubildung führt Ausdehnungsreaktionen, die Spannungen und Risse im Gefüge verursachen können. Alle Neubildungen in einem erhärteten Gefüge, die ein höheres Volumen aufweisen, können in diese Klasse von Bauschäden eingereiht werden. Da diese Reaktionen sehr gut bet sind, durch eine geeignete Anwendung ein Schaden verhindert werden. So ist m Beispiel die Anwesenheit des voluminösen Ettringits nicht immer ein Bauschaden. Entsteht dieses Mineral während des Abbindens eines Zements, so ist die Bildung durchaus gewollt. Entsteht Ettringit jedoch später (Sekundärettringit), es entsprechenden Schäden kommen. Viele Bauschadensreaktionen können darüber hinaus aber auch nicht nur expansive Wirkung zeigen, sondern können auch lösend wirken. Deshalb reicht der reine Nachweis der Anwesenheit eines Minerals nicht aus, um von einem Bauschaden sprechen. Bauschäden können bei richtiger Vorgehensweise sehr oft verhindert werden. Bereits die Kristallisation von Wasser Eis führt auch einer Volumennahme von 9 %, wird aber nicht diesen Treibreaktionen gerechnet. Für diese Schadreaktionen gibt es sehr viele Möglichkeiten, dabei kommen sowohl der Baustoff selbst, Reaktionen mit geführten Stoffen, als auch Verarbeitungskomponenten in Betracht: 1. Durch Neubildung im Mikrogefüge des Materials (m Beispiel nach Wärmebehandlung eines Bauteils nachträgliche Kristallisation eines voluminösen Minerals, z.b.von Sekundärettringit in einem festen Gefüge) 2. Verspätete Hydratationsreaktionen aus dem Baustoff (Nachträgliche Reaktion von hochgebranntem CaO und MgO aus dem Zement) 3. Reaktion der Baustoffkomponenten mit geführten Bestandteilen aus dem Grundwasser oder umgebendem Boden- und Gestein 4. Reaktion der Baustoffkomponenten mit geführten Bestandteilen aus der Luft, durch Reinigungsmittel und Taumittel 5. Reaktion der Baustoffkomponenten im Rahmen einer Bausanierung usw. 6. Reaktion von Zuschlag mit Zement. Im Folgenden sollen nun einige besonders häufige mineralische Treiberscheinungen beschrieben werden. Die durch die Neubildungen verursachte Volumennahme führt dabei den Schäden (Tabelle 1).

Kalktreiben CaO + H2O - Ca(OH)2 Magnesiatreiben MgO + H2O - Mg(OH)2 Thenardit - Mirabilitbildung Na2SO4 +nh2o - Na2SO4.10H2O Kieserit,Pentahydrit, Epsomitbildung MgSO4 + nh2o - MgSO4.

2 Treibreaktion Chem. Zusammensetng Ettringittreiben [Al(OH)6]2 24 H2O}6+ {3SO42- nh2o}6- Thaumasittreiben {Ca6[Si(OH)6]2 24 H2O}8+ {2 SO42-2 CO32-}8- Hydrocalumitbildung C3A CaX H2O (X=Chlorid, Carbonat, Hydroxid) Kalktreiben CaO + H2O - Ca(OH)2 Magnesiatreiben MgO + H2O - Mg(OH)2 Thenardit - Mirabilitbildung Na2SO4 +nh2o - Na2SO4.10H2O Kieserit,Pentahydrit, Epsomitbildung MgSO4 + nh2o - MgSO4.nH2O(n=5,7) Thermonatritbildung Na2CO3, Na2CO3.nH2O(n= 7, 10) Nitrat, Phosphat, Carboxylat,... Ca,Mg,Na,K-salze Alkalitreiben Na,K-silikathydrate Oxydationsprodukte Neubildung von Eisenhydroxyd aus gediegen Eisen Tabelle 1: Mineralreaktionen die Treiberscheinungen führen Enthalten Zemente nach der Herstellung noch freies MgO, so es durch ein nachträgliches, meist sehr langsam reagierendes "Ablöschen" des MgO Mg(OH)2 (Brucit) einem "Magnesiatreiben" kommen. Zudem tritt diese Reaktion auch oft sehr verzögert nach mehreren Monaten auf. Abbildung 1: Brucitkristallisation im Fugenbereich Kalktreiben entsteht, wenn nach dem Klinkerbrand unreagiertes CaO rückbleibt und im festen Zementstein anschließend nachträglich Ca(OH) 2 (Portlandit) reagiert. Der Portlandit anschließend über eine Carbonatisierungsreaktion Calciumcarbonat weiterreagieren. Für Zemente sind deshalb Grenzwerte des Gehalts an freiem CaO und MgO gegeben. Abbildung 2: Portlanditbildung im Zwickelbereich des Gefüges Sehr bet ist auch die sulfatbedingte Treiberscheinung durch Ettringit/Thaumasit, wenn der Aluminatanteil im Zement mit Sulfat im festen Gefüge nachträglich das voluminöse Mineral Ettringit/Thaumasit bildet. Unter bestimmten Bedingungen auch Thaumasit, ein aluminatfreies Mineral der Ettringitgruppe, gebildet werden. Auch Thaumasit ist wie Ettringit sehr voluminös und aber auch in aluminiumfreier Umgebung gebildet werden. Bet ist auch die Bildung von Sekundärettringit in wärmebehandelten Bauteilen bei Temperaturen über 70 C. Bei diesen

Temperaturen über 70 C Ettringit nicht gebildet werden, wird jedoch nach der Abkühlung < 70 C im bereits erhärteten Gefüge unter feuchten Bedingungen und Normaltemperatur neu gebildet und dann durch

Abbildung 3: Rissbildung in Industrieboden durch sekundäre Ettringitbildung Andere sprengende Wirkung können durch Umkristallisationen oder durch die Bildung von hoch wasserhaltigen Mineralen

Die Reaktion wie folgt beschrieben werden : CaCO3 + SO4 2- + 2H2O - CaSO4.

3 Temperaturen über 70 C Ettringit nicht gebildet werden, wird jedoch nach der Abkühlung < 70 C im bereits erhärteten Gefüge unter feuchten Bedingungen und Normaltemperatur neu gebildet und dann durch die Expansionsschadreaktionen Dehnungen bis hin r Rissbildung führen. Diese Ettringit-ähnlichen Strukturen können dem noch verschiedene Mischkristalle durch Einbau von Carbonat und Hydroxyd ausbilden. Abbildung 3: Rissbildung in Industrieboden durch sekundäre Ettringitbildung Andere sprengende Wirkung können durch Umkristallisationen oder durch die Bildung von hoch wasserhaltigen Mineralen entstehen. Bei der Umkristallisation von Calciumcarbonat bei Sulfatfuhr es r Neubildung von Gips kommen. Das Volumen der Neubildung ist fast verdoppelt. Die Reaktion wie folgt beschrieben werden : CaCO3 + SO H2O - CaSO4.2H2O(Gips) + CO3 2- Abbildung 4: Betonpflastersteine mit Treibschäden Andere wichtige Reaktionen sind Mineralreaktionen, bei denen es durch Wasseraufnahme Umkristallisationen kommen. Sehr bet sind die wasserhaltigen Verbindungen Mirabilit (Na2SO4.10H2O) oder Epsomit (MgSO4.7H2O). Durch die Bildung der wasserreichen Phase aus einer wasserärmeren Phase kommt es Ausdehnungen und Absprengungen des Baustoffegfüges. Als sehr betes Beispiel soll hier die Umwandlung von Thenardit (Na 2SO4) in Mirabilit (Na2SO4.10H2O) dargestellt werden : Na2SO4 Na2SO4.10H2O (32.4 C) Diese bereits bei 32.4 C stattfindende Umwandlungsreaktion ist bei gleichzeitig anwesendem Magnesiumsulfat sogar schon bei 27 C und Chlorid bis auf 15 C abgesenkt. Abbildung 5: Ettringit/Thaumasitneubildung Betonsteinoberflächen in Zwickelräumen auf Andere Ausblühungen und Neubildungen können oft auch Schadreaktionen führen. Als Beispiel für eine derartige Reaktion in einem Stall ist in Abbildung 7 die Bildung von Kaliumnitrat auf einer Mörteloberfläche gezeigt. Volumennahme und Treibreaktionen können aber auch durch die Oxydation des eingelagerten Stahlgitters entstehen, da die rostige Neubildung FeOOH durch Volumennahme Absprengungen des überlagernden Materials führen. Werden alle Parameter wie richtige Wahl der Baustoffe und richtige Verarbeitung berücksichtigt, so können Schäden weitgehend vermieden werden. Treten trotzdem

einmal Schäden auf, so gibt es verschiedene Möglichkeiten der Schadensbehebung.

Ursachenforschung dient dabei nicht nur da den "Schuldigen" finden, sondern oft auch

4 einmal Schäden auf, so gibt es verschiedene Möglichkeiten der Schadensbehebung. Auch hier spielen bauchemische Produkte oft eine wichtige Rolle. Ursachenforschung dient dabei nicht nur da den "Schuldigen" finden, sondern oft auch da die Basis schaffen, dass ein Schaden optimal behoben oder im Idealfall von Anfang an verhindert wird. Abbildung 6: Mirabilit/Thenarditbildung (Kristalle 20cm) Abbildung 7: Kalinitratbildung an Mörteloberfläche Abbildung 8: Expansionsreaktion durch Rostbildung auf Stahlbewehrung

Seckendorffplatz 3 06120 Halle/Saale Unsere Schlaue-Fuchs-Frage diesem Beitrag

http://www.geo.uni-halle.de/ Dr. rer. nat.

5 Kontakt: Schlauer Fuchs Prof.Dr.Dr.Herbert Pöllmann Universität Halle/Saale Mineralogie/Geochemie Von Seckendorffplatz Halle/Saale Unsere Schlaue-Fuchs-Frage diesem Beitrag lautete: Warum gibt es für Zemente Grenzwerte für den Gehalt an freiem CaO und MgO? Dr. rer. nat. Jürgen Göske, Diplom Mineraloge Dorfstrasse 16a Neunkirchen am Sand Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) juergen.goeske@gmx.de

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