Grundlagen für die Lebensdauerbemessung von Beton unter Sulfatangriff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurden die Schadensmechanismen aufbauend auf den Phasenbildungs- und -lösungsvorgängen beim Sulfatangriff auf Beton für unterschiedliche Bindemittelzusammensetzungen und Lagerungsbedingungen untersucht. Durch die Kombination von Röntgendiffraktometrie und 27Al- und 29Si-NMR-Spektroskopie war es möglich, neben Änderungen in den kristallinen Phasen auch Änderungen in den C-A-S-H-Phasen durch Sulfatangriff quantitativ zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei Sulfatlagerung Ettringit aus vor allem AFm-Phasen bildet. Anders als bisher angenommen konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Aluminium, das strukturell in Brückentetraeder- Positionen in C-A-S-H gebunden ist, bei Sulfatangriff mobilisiert werden und zu einer Ettringitbildung beitragen kann. Das wirkt sich vor allem auf die Interpretation des Sulfatwiderstandes aluminiumreicher Bindemittelmischungen, wie z.B. beim Einsatz von Flugasche, aus. Die Sulfatkonzentration der Lagerungslösung und die Lagerungstemperatur beeinflussen die Stärke des Sulfatangriffs maßgeblich. Mit steigender Sulfatkonzentration nimmt die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung durch Sulfatangriff zu. Bei in Laborprüfverfahren üblichen hohen Sulfatkonzentrationen kommt es auch bei Zementen mit einem hohen Sulfatwiderstand durch die Bildung von eisenhaltigem Ettringit zu Schädigungen, weil sehr hohe Übersättigungen der Porenlösung erreicht werden. Zudem tritt eine überproportionale Gipsbildung auf, die verstärkt Calcium aus den C-S-H-Phasen auslaugt. Eine niedrigere Umgebungstemperatur führt zu einer langsameren Diffusion der Sulfationen, aber es stellen sich größere Kristallisationsdrücke ein, weil die Löslichkeit von Ettringit mit abnehmender Temperatur sinkt. Es gibt unterschiedliche Theorien in der Literatur für die Entstehung der Dehnungen, jedoch fehlten eindeutige Belege für die Richtigkeit einer der Theorien. Ein spezieller Versuchsaufbau wurde entwickelt, mit dem es möglich ist, die durch Kristallisationsdruck entstehenden Spannungen zu messen. Dabei konnte die Behinderung der Dehnung gezielt variiert werden. Phasenänderungen und die Porosität wurden mit Röntgendiffraktometrie und Quecksilberdruckporosimetrie untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ursache der Dehnungen - und damit der Schädigung von Beton - im Aufbau von Kristallisationsdrücken durch die Bildung von Ettringit in kleinen Poren (ca. 10-100 nm) liegt. Übersteigen die durch den Kristallisationsdruck hervorgerufenen Spannungen die Zugfestigkeit der Bindemittelmatrix, dann kommt es zu einer ausgeprägten Dehnung, Rissbildung und Gefügeschädigung. Die treibende Kraft der Kristallisation ist die Übersättigung der Porenlösung. Die Bildung von Ettringit in großen Poren führt zu keinen Schäden, weil hier keine großen Kristallisationsdrücke erzeugt werden. Das erklärt auch die Tatsache warum es keine Korrelation zwischen der Bildung einer bestimmten Menge an Ettringit und der Dehnung gibt. Die Bildung von Gips bei hohen Sulfatkonzentrationen führt zu keinen zusätzlichen Spannungen, die freie Dehnung von schon geschädigten Proben wird aber durch die Gipsbildung in bereits gebildeten Rissen verstärkt. Mit Hinblick auf die künftige Entwicklung eines besseren Prüfverfahrens für den Sulfatwiderstand des Betons bietet die Messung der Expansionsspannung eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Dehnungsmessungen, weil die Auswirkung des Kristallisationsdrucks und damit des primären Schädigungsmechanismus direkt quantifiziert wird. Es ist durchaus möglich, dass der Sulfatwiderstand bei praxisnahen Sulfatkonzentrationen geprüft werden könnte, oder zeitraffend bei hohen Konzentrationen, weil die Auswirkung der Gipsbildung durch Zwängung unterdrückt wird. Dies soll im Rahmen eines geplanten Forschungsvorhabens näher untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011). Effect of Phases and Microstructural Development on Expansion and Damage by Sulfate Attack. International Congress on the Chemistry of Cement. Madrid
Müllauer, W., Beddoe, R. E. und Heinz, D.
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(2012). Dehnungsmechanismen bei Sulfatangriff auf Beton. 18. Int. Baustofftagung, ibausil. Weimar. Tagungsbericht, Band 2, 0377-0389
Müllauer, W., Beddoe, R. E. und Heinz, D.
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(2012). Mechanismen des Sulfatangriffs auf Beton - Aspekte des chemischen und physikalischen Sulfatwiderstandes. 18. Int. Baustofftagung, ibausil. Weimar. Tagungsbericht, Band 1, 1204 - 1222
Heinz, D., Müllauer, W. und Beddoe, R. E.
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(2012). Mechanisms of sulfate attack for plain and fly ash cements at different storage temperatures and sulfate concentrations. International Congress of the Durability of Concrete. Trondheim
Müllauer, W., Beddoe, R. E. und Heinz, D.
