Universität Rostock
Ingenieurwissenschaftliche Fakultät
Fachbereich Bauingenieurwesen
Fachgebiet Baustoffe

Diplomarbeit

Aspekte zur Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum
Nachweis der Alkali-Kieselsäure-Reaktion an Betonen

Verfasser:

Axel Mühlenbruch

Januar 2004

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Stand des Wissens  ... 2
2.1 Historischer Abriss  ... 2
2.2 Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion  ... 3
2.2.1 Übersicht über die Alkali-Zuschlag-Reaktion ... 3
2.2.2 Chemische Reaktion der Alkali-Kieselsäure-Reaktion  ... 3
2.2.3 Dehnungsreaktionen  ... 5
2.3 Schadensmerkmale der Alkali-Kieselsäure-Reaktion  ... 6
2.3.1 Äußere Schäden ... 6
2.3.2 Innere Schäden  ... 7
2.4 Einflussgrößen auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion  ... 8
2.4.1 Alkaliempfindlichkeit von Zuschlagsstoffen ... 8
2.4.2 Alkaliempfindliche Zuschläge ... 9
2.4.3 Betonbestandteile ... 15
2.4.4 Wasserzementwert ... 18
2.4.5 Umwelteinflüsse  ... 19
2.5 Prüfverfahren  ... 20
2.5.1 Nationale Prüfverfahren  ... 20
2.5.2 Internationale Prüfverfahren ... 23
2.6 AKR - Schadensanalyse  ... 25
2.7 Vermeidung von Schäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion ... 27

3 Zielstellung der eigenen Untersuchungen  ... 28

4 Versuchsprogramm ... 29

5 Versuchsdurchführung ... 30
5.1 Kenngrößen der Ausgangsstoffe  ... 30
5.1.1 Zemente  ... 30
5.1.2 Zuschlagsstoffe ... 31
5.2 Versuchsserie I – Mörtelprismen ... 34
5.2.1 Allgemeines  ... 34
5.2.2 Betonrezepturen ... 35
5.3 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken  ... 36
5.3.1 Allgemeines  ... 36
5.3.2 Betonrezepturen ... 37
5.4 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung  ... 38
5.4.1 Allgemeines  ... 38
5.4.2 Betonrezepturen ... 38

6 Versuchsergebnisse  ... 40
6.1 Versuchsserie I – Mörtelprismen ... 40
6.1.1 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus Nebelkammerlagerung ... 40
6.1.2 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus Laborlagerung ... 43
6.1.3 Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Nebelkammerlagerung  ... 45
6.1.4 Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Laborlagerung  ... 49
6.1.5 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 49
6.2 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken  ... 51
6.2.1 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken aus Nebelkammerlagerung  ... 51
6.2.2 Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken aus Laborlagerung  ... 54
6.2.3 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der Nebelkammerlagerung ... 56
6.2.4 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der Laborlagerung ... 61
6.2.5 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 62
6.3 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung  ... 64
6.3.1 Ergebnisse der Volumenmessungen der Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung  ... 64
6.3.2 Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung  ... 66
6.3.3 Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 66

7 Auswertung der Versuchsergebnisse ... 68
7.1 Versuchsserie I - Mörtelprismen  ... 68
7.1.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe ... 68
7.1.2 Einfluss des Zements  ... 68
7.1.3 Einfluss des Wasserzementwertes  ... 69
7.1.4 Einfluss der Umweltbedingungen  ... 69
7.2 Versuchsserie II – Betonwürfel mit Messmarken  ... 70
7.2.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe ... 70
7.2.2 Einfluss der Zementart ... 70
7.2.3 Einfluss der Umweltbedingungen  ... 71
7.3 Versuchsserie III – Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung  ... 71
7.3.1 Einfluss der Zuschlagsstoffe ... 71
7.3.2 Einfluss der Zementart ... 72

8 Schlussfolgerung  ... 73

9 Ausblick ... 75

10 Zusammenfassung  ... 76

11 Literaturverzeichnis  ... 78

Anlagen ... 81

Verzeichnis der Abbildungen:
Abb. 2-1: AKR – Schadensbild an einem Betonelement[25]  ... 4
Abb. 2-2: Alkaliausblühungen an einem Brückenelement  ... 4
Abb. 2-3: Prinzip der Alkali-Kieselsäure-Reaktion [25]  ... 5
Abb. 2-4: Aufbau der Quelldruckspannung durch AKR [25]  ... 6
Abb. 2-5: Durch AKR verursachte Risse an einem Betonbauteil ... 6
Abb. 2-6: Durch AKR verursachte Abplatzung (Marke 2,5 mm)  ... 7
Abb. 2-7: Darstellung weißer Ausblühungen an einem Betonbauteil ... 7
Abb. 2-8: Temperatureinfluss auf die Löslichkeit von SiO2 [15]  ... 9
Abb. 2-9: Opal [19]  ... 11
Abb. 2-10: Chalcedon [19]  ... 11
Abb. 2-11: Christobalit [19]  ... 12
Abb. 2-12: Quarze [19]  ... 12
Abb. 2-13: Modifikationen von Opalsandstein [26]  ... 13
Abb. 2-14: Modifikationen von Flintgestein [26]  ... 13
Abb. 2-15: Hornstein [19]  ... 14
Abb. 2-16: Grauwacke [19]  ... 14
Abb. 2-17: Porphyre [19]  ... 15
Abb. 2-18: Abhängigkeit der Alkalität der Porenlösung vom Alkaligehalt des Zements [25]  ... 16
Abb. 2-19: Grenzen der spez. Zementmenge im Beton zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Abhängigkeit vom Alkaligehalt des Zements [17]  ... 17
Abb. 2-20: Anwendungsbereich von Teil 2 der Alkalirichtlinie und Gewinnungsgebiete von Opalsandsteinen und fraglichen Gesteinen sowie Flint [4]  ... 22
Abb. 2-21: Gewinnungsgebiete präkambrischer Grauwacke [4]  ... 22
Abb. 2-22: Extinktionskurven einiger Gesteins- und Mineralarten [14]  ... 23
Abb. 2-23: Leitfaden für eine AKR – Schadensanalyse[20]  ... 26
Abb. 2-24: Einfluss von Flugasche auf die axiale Dehnung von Mörtelprismen  ... 27
Abb. 5-1: Augit-Porphyrit, 20-fache Vergrößerung  ... 32
Abb. 5-2: Kies, Flint, 20-fache Vergrößerung  ... 32
Abb. 5-3: Kies, Opalsandstein, 20-fache Vergrößerung  ... 33
Abb. 5-4: Granit, 20-fache Vergrößerung (1 Feldspat, 2 Biotitglimmer, 3 Quarz)  ... 34
Abb. 5-5: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie I  ... 35
Abb. 5-6: Anordnung der Messmarken am Betonwürfel ... 36
Abb. 5-7: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie II  ... 37
Abb. 5-8: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie III ... 38
Abb. 6-1: Mörtelprismen – Ki/Z1/450  ... 46
Abb. 6-2: Mörtelprismen – Ki/Z2/450  ... 46
Abb. 6-3: Mörtelprismen – Ki/Z3/450  ... 47
Abb. 6-4: Mörtelprismen – Ki/Z1/550  ... 47
Abb. 6-5: Mörtelprismen – Ki/Z2/550  ... 48
Abb. 6-6: Mörtelprismen – Ki/Z3/550  ... 48
Abb. 6-7: Fluoreszenz-Test an MÖ – Ki/Z2/450  ... 50
Abb. 6-8: Fluoreszenz-Test an MÖ – Ki/Z3/450  ... 50
Abb. 6-9: Betonwürfel mit Marken – AuPo-SRet/Z3/450 ... 57
Abb. 6-10: Betonwürfel mit Marken – Ki-SNeu/Z1/450 ... 58
Abb. 6-11: Betonwürfel mit Marken – Ki-SNeu/Z2/450 ... 58
Abb. 6-12: Betonwürfel mit Marken – Ki-SNeu/Z3/450 ... 59
Abb. 6-13: Betonwürfel mit Marken – Gr-SNeu/Z1/450 ... 60
Abb. 6-14: Betonwürfel mit Marken – Gr-SNeu/Z2/450 ... 60
Abb. 6-15: Betonwürfel mit Marken – Gr-SNeu/Z3/450 ... 61

Verzeichnis der Diagramme:
Diagramm 6-1: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung, Zuschlag AuPo)  ... 40
Diagramm 6-2: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung, Zuschlag Ki)  ... 41
Diagramm 6-3: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung, Zuschlag Gr)  ... 41
Diagramm 6-4: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung, Zuschlag SNor)  ... 42
Diagramm 6-5: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag AuPo)  ... 43
Diagramm 6-6: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag Ki)  ... 44
Diagramm 6-7: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag Gr)  ... 44
Diagramm 6-8: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag SNor)  ... 45
Diagramm 6-9: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung, ZGE AuPo-SRet)  ... 51
Diagramm 6-10: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung, ZGE Ki-SNeu)  ... 52
Diagramm 6-11: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung,ZGE Gr-SNeu)  ... 53
Diagramm 6-12: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung, ZGE Gr-SNor)  ... 53
Diagramm 6-13: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE AuPo-SRet)  ... 54
Diagramm 6-14: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Ki-SNeu)  ... 55
Diagramm 6-15: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Gr-SNeu)  ... 55
Diagramm 6-16: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Gr-SNor)  ... 56
Diagramm 6-17: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE AuPo-SRet)  ... 64
Diagramm 6-18: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Ki-SNeu)  ... 65
Diagramm 6-19: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNeu)  ... 65
Diagramm 6-20: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNor) ... 66

Verzeichnis der Tabellen:
Tab. 2-1: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Zuschlägen einschließlich Kieselkreide und Flint [4]  ... 21
Tab. 2-2: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Grauwacke und anderer empfindlicher Gesteine [4]  ... 21
Tab. 2-3: Bewertungsskala zur Beurteilung des Fluoreszenz-Tests  ... 25
Tab. 5-1: Alkaligehalt der verwendeten Zemente in M.-%  ... 30
Tab. 5-2: Festigkeiten der verwendeten Zemente  ... 30
Tab. 5-3: Übersicht der Rezepturen für Versuchsserie I ... 35
Tab. 5-4: Übersicht über die verwendeten Zuschlagsgemische ... 36
Tab. 5-5: Übersicht der Rezepturen für die Versuchsserie II ... 37
Tab. 5-6: Übersicht der Rezepturen für die Versuchsserie III  ... 39
Tab. 6-1: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag AuPo)  ... 49
Tab. 6-2: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag Ki)  ... 49
Tab. 6-3: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag Gr) ... 50
Tab. 6-4: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag SNor)  ... 51
Tab. 6-5: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE AuPo-SRet)  ... 62
Tab. 6-6: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Ki-SNeu)  ... 62
Tab. 6-7: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Gr-SNeu)  ... 62
Tab. 6-8: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Gr-SNor)  ... 63
Tab. 6-9: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE AuPo-SRet)  ... 66
Tab. 6-10: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Ki-SNeu)  ... 67
Tab. 6-11: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNeu)  ... 67
Tab. 6-12: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNor)  ... 67

Abkürzungsverzeichnis:
AuPo:  ... Augit-Porphyrit
BB:  ... Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
BM:  ... Betonwürfel mit Messmarken
Gr:  ... Granit
Ki:  ... Kies
MÖ:  ... Mörtelprisma
SNeu:  ... Sand Neukloster
SNor:  ... Normsand
SRet: ... Sand Rethwisch
Z1:  ... CEM I 42,5 N-NA
Z2: ... CEM I 32,5 R
Z3: ... CEM I 42,5 R
ZGE:  ... Zuschlagsstoffgemisch

1 Einleitung

Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton handelt es sich um eine Reaktion zwischen der reaktiven Kieselsäure in den Zuschlägen und den in der Porenlösung gelösten Alkalien. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zu einer Volumenzunahme im Umfeld der reaktiven Zuschlagskörner. Daraus resultieren dann Schäden wie Risse, Abplatzungen (pop-outs) und Ausblühungen. Die Verhinderung dieser Schäden ist für die Gewährleistung der Dauerbeständigkeit von Betonkonstruktionen von entscheidender Bedeutung.

STANTON [24] berichtete zum ersten Mal über Treibschäden an Betonkonstruktionen als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen und den angewendeten Zuschlägen. Zur Bezeichnung dieser Schadensreaktion hat sich daraufhin der Begriff Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) durchgesetzt.

Eine besondere Problematik dieser Schadstoffreaktion besteht darin, dass die Schäden in vielen Ländern nicht rechtzeitig erkannt wurden. Noch 1965 war man in der BRD der Auffassung, dass Betonschäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion unter den hiesigen Bedingungen nicht auftreten können. Nachdem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke bei Lübeck nach drei Jahren wieder abgerissen werden musste, gab man diese Ansicht auf [25].

Die Geschwindigkeit und Stärke der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist von verschiedenen, nach inneren und äußeren zu unterscheidenden Einflüssen abhängig. Äußere Einflüsse sind zum Beispiel das Feuchteangebot, die Temperatur oder die Zufuhr von Alkalien von außen durch Tausalze oder Meerwasser. Art, Menge und Größe des reaktiven Zuschlags und der eingesetzten Zemente, der die Zusammensetzung der Porenlösung beeinflusst, sind innere Einflüsse auf die AKR.

Die vorgelegte Arbeit soll einen Einblick über die Alkali-Kieselsäure-Reaktion geben. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Darstellung vom Mechanismus der Reaktion. Weiterhin werden Minerale und Gesteine mit Reaktionspotenzial sowie Einflussgrößen auf die Reaktion aufgeführt. Des Weiteren setzt sich die Arbeit mit bestehenden Prüfverfahren zur Erkennung der AKR, Schadensmerkmalen einer schädigenden AKR und Vorschlägen zur Vermeidung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion auseinander. 

In Deutschland kann Alkali-Kieselsäure-Reaktion an empfindlichen Gesteinen durch Lagerung von Betonen in der Nebelkammer entsprechend der DafStb-Richtlinie [4] nachgewiesen werden. Dieser Nachweis vollzieht sich über einen mindestens neunmonatigen Zeitraum. Die Arbeit zielt darauf ab, verschiedene Aspekte zur Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum Nachweis von an Betonen darzulegen.

2 Stand des Wissens

2.1 Historischer Abriss

Anfang der 20er Jahre wurden in den USA erstmals Reaktionen zwischen den Alkalien des Zements und bestimmten Zuschlägen als Ursache für Betonschäden festgestellt. 1940 berichtete STANTON über die „alkali-aggregate-reaction” opalhaltiger Zuschläge, die in Kalifornien beim Bau eines Staudammes verwendet wurden. Diese Schäden führten zu umfangreichen Ursachenforschungen und Gegenmaßnahmen in den USA. 

Mit Beginn der 50er Jahre ist die AKR auch in Australien bekannt. Seit Mitte der 50er Jahre wurde aus immer mehr Ländern, darunter Kanada, Dänemark, Island und Südafrika, von Schäden infolge AKR berichtet.

In Deutschland war man bis Mitte der 60er Jahre der Auffassung, dass es hier aufgrund der geologischen Situation eine schädigende Alkalireaktion nicht gibt. Auf das Problem der AKR wurde die Öffentlichkeit erst durch Schäden an der in Schleswig-Holstein gebauten Lachswehrbrücke aufmerksam. Sie wurde in den Jahren 1965-1966 erbaut und musste bereits im Frühjahr 1968 wegen Gefährdung der Standsicherheit wieder abgerissen werden. In der DDR wurden erste Schäden durch die Alkali-Kieselsäure- Reaktion in Form von Gelabscheidungen und Abplatzungen an Fertigteilen des Plattenbaus im Jahre 1974 festgestellt. Ab Anfang der 80er Jahre traten Schäden in Mecklenburg, Sachsen und Thüringen auf. Besonders die von AKR betroffenen Spannbetonschwellen verursachten Milliardenschäden [22].

Bis zum heutigen Tag wurden immer weitere Schäden bekannt. Dabei handelt es sich überwiegend um Betonkonstruktionen, bei deren Bau man die bisherigen Erkenntnisse zur Vermeidung einer schädigenden AKR nicht beachtete. Teilweise waren es auch ältere Bauwerke oder Konstruktionen, bei denen eine Umnutzung erfolgte. Als weitere Ursache kommen aber auch Zuschläge in Frage, von denen eine schädigende AKR bislang nicht bekannt war [5,16].

In Deutschland wurde 1974 aufgrund der umfangreichen Untersuchungen eine vorläufige Richtlinie „Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton“ aufgestellt. Diese Richtlinie erfuhr eine mehrfache Überarbeitung und ist seit der Fassung Dezember 1997 verbindlich [25].

2.2 Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion

2.2.1 Übersicht über die Alkali-Zuschlag-Reaktion

Je nach Art des angegriffenen Zuschlags wird nach

• Alkali-Silika-Reaktion (Alkali-Kieselsäure-Reaktion),
• Alkali-Silikat-Reaktion oder
• Alkali-Carbonat-Reaktion (Alkali-Dolomit-Reaktion)

unterschieden [25].

Die Alkali-Silika-Reaktion wird im deutschen Sprachgebrauch herkömmlich als Alkali-Kieselsäure-Reaktion, kurz AKR, bezeichnet. Es findet eine Reaktion mit amorpher Kieselsäure statt.

Vereinfachtes Prinzip der AKR:

[....]