Modellierung der initialen Phase einer Betonkorrosion durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Transport- und Reaktionsprozesse einer beginnenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) sind noch mit vielen Unklarheiten behaftet. Unter Berücksichtigung der Gesteinskörnung und der Zusammensetzung der umgebenden Betonporenlösung wurde die anfängliche Phase einer AKR als Funktion der Zeit simuliert und mit Ergebnissen aus Laborexperimenten, die an der BTU Cottbus-Senftenberg durchgeführt wurden, verglichen. Der dort entwickelte BTU-SP-Test stellte die Grundlage für die experimentelle Untersuchung der initialen Phase einer AKR dar. Im Untersuchungsprogramm wurden eine Grauwacke, zwei Rhyolithe, Opalsandsteine, Dankalk und Flint, sowie ein Bergkristall als ideal kristallines und somit als inert zu betrachtendes Gestein hinsichtlich mineralogischer Zusammensetzung und materialspezifischer Kenngrößen (Dichte, Porosität und Transportparameter) untersucht. Die 4 - 8 mm Gesteinskörnung wurde bei 40°C und 80°C in verschieden alkalische Lösungen gelagert. Während des Prüfungszeitraums von mind. 70 d wurde die chemische Zusammensetzung der Lösung – insbesondere der Gehalt an Si und Al - mittels ICP-OES bestimmt. Die experimentellen Laborversuche wurden mittels Transport-Reaktions-Simulation berechnet und die Ergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen. Dazu wurden die materialspezifische Kenngrößen der Gesteinskörnung sowie die Volumenverhältnisse und Randbedingungen der Versuche als Eingangsgrößen verwendet. Die Simulation wurde auch dazu benutzt, zusätzliche Variationen der Lösungszusammensetzung zu simulieren. Die wichtigsten Erkenntnisse aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen sind: In Natursteinen treten vergleichsweise große Streuungen der Materialeigenschaften auf. Um das Verhalten einer Gesteinskörnung und nicht nur eines einzelnen Gesteinskorns realistisch zu simulieren, muss diese große Streuung abgebildet werden. Dazu ist es vorteilhaft, zukünftig mit probabilistischen Modellen zu arbeiten. In Gesteinskörnungen tritt häufiger eine dual-porosity-Problematik auf, d.h. dieselbe Spezies bewegt sich über verschiedene Wegsamkeiten mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch das Gesteinskorn. Bei Diffusionsversuchen kann dies nur in In-Diffusionsversuchen erkannt werden und die verschiedenen Diffusionskoeffizienten so ermittelt werden. Bei dichten Gesteinskörnungen können die tatsächlichen Löseraten ohne eine Berücksichtigung der Reaktion an der äußeren Oberfläche nicht simuliert werden. Modelliert man den Prozess als Oberflächenreaktion, gelingt es jedoch das reale Materialverhalten zu simulieren. Oberflächenreaktionen können nur mit Kenntnis der relevanten Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten berechnet werden. Dazu wurden Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten der Lösungsreaktion von SiO2 aus Gesteinen verschiedenen Typs ermittelt. In Prüfverfahren kann die Stoffmenge der OH -Ionen als begrenzender Faktor für die Gesamtreaktion auftreten. Die gelösten SiO2-Konzentrationen am Ende der Reaktion werden dann nicht von der Gesteinskörnung bestimmt. Dies ist bei der Interpretation und Konzeption von Prüfverfahren für die Alkalireaktion zu berücksichtigen. Die gemessenen Löseraten von SiO2 sind teilweise ohne eine zusätzliche Lösung von SiO 2 aus Silikaten nicht erklärbar. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in manchen Gesteinen eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion und eine Alkali-Silikat-Reaktion nebeneinander ablaufen und die Alkali-Silikat-Reaktion eine größere Bedeutung hat als bisher angenommen. Transport-Reaktions-Simulationen von Gesteinskörnungen in Kontakt mit der sie umgebenden Lösung können Eingangsdaten für damit gekoppelte mechanische Modellierungen liefern und zur Untersuchung des Einflusses der Lösungszusammensetzung herangezogen werden. Die mit den zeitabhängigen Veränderungen der Feststoffkonzentrationen im Gesteinskorn verbundenen SiO2-Löseraten können zufriedenstellend simuliert werden, wobei noch einige größere Abweichungen im Detail auftreten. Simulationen von Al2O3-Löseraten, Gelbildung und Porositätsentwicklung sind möglich, sind jedoch noch mit erheblichen Unsicherheiten versehen. Es besteht weiterhin Forschungsbedarf in diesem Bereich. Dazu gehören auch die Eingangsdaten entsprechender Simulationen, bzw. auch die thermodynamischen Daten der beteiligten Spezies, insbesondere von Gelen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Rechnerische Simulation der beginnenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Tagung Bauchemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Hamburg, 6.-7.10.2011. GDCh Monographie Band 44, S. 364-368, 2011
Jehn, C.; Schmidt-Döhl, F.
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Simulation of Transport Processes and Chemical Reactions in Building Materials. 8th German Conference on Chemoinformatics. Goslar, 11.-13.11.2012, Journal of Cheminformatics 2013, 5(Suppl 1):P13
Jehn, C.; Schmidt-Döhl, F.
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Transport- und Reaktionsprozesse in silikatischen Gesteinskörnern – Simulation einer beginnenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Tagung Bauchemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Dübendorf, Schweiz, 11.-12.10.2012. GDCH Monographie 45, S. 97-102, 2012
Jehn, C.; Schmidt-Döhl, F.
