Durable concrete by using aluminum containing supplementary cementing materials with special consideration of interactions between additive and aggregate
Final Report Abstract
Die Untersuchungen der Wirkungsweisen aluminiumhaltiger Zusatzstoffe unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen von Zusatzstoff und Gesteinskörnung zeigten einen entscheidenden Einfluss des löslichen Aluminiums, aber auch des gelösten SiO2-Anteils aus dem Zusatzstoff auf die Reaktionsprozesse im System Beton. Die zunächst getrennte Betrachtungsweise der Reaktionen des Zusatzstoffes einerseits mit der Gesteinskörnung durch Löseversuche und andererseits in der Zementsteinmatrix lieferten neuartige Erkenntnisse hinsichtlich der Bildung unterschiedlicher Reaktionsprodukte in den untersuchten komplexen Systemen in Abhängigkeit von der Zusatzstoffart und –menge und in Abhängigkeit von der Gesteinskörnung. Dabei zeigten sich bei den aluminiumhaltigen Zusatzstoffen wie Metakaolin, SFA und dem theoretischen Zusatzstoff Al(OH)3 deutliche Unterschiede im Löseverhalten in 1 M KOH-Lösung bei 40°C. Durch eine erhöhte Al2O3-Löslichkeit bei MK wird die SiO2-Konzentration im Gesamtsystem deutlich reduziert, was aus reaktionskinetischer Sicht eine entscheidende Voraussetzung zur Inhibierung einer AKR ist. Dieser Effekt verstärkt sich zusätzlich in Abhängigkeit von der Alkalireaktivität der verwendeten Gesteinskörnungen. Andererseits wird das gelöste Al z. B. aus dem Al(OH)3 durch Calciumionen in Form von CAH (Katoite) gebunden und steht im Beton für eine inhibierende Wirkung somit nicht mehr zur Verfügung. Auch wenn noch kein „einfaches“ Kriterium gefunden werden konnte, woran die Effizienz eines Zusatzstoffes in Kombination mit einer Gesteinskörnung letztendlich festgemacht werden kann, konnte klar aufgezeigt werden, dass die Arbeitshypothese des Projektes, nämlich, dass es Wechselwirkungen zwischen Zusatzstoffen und Gesteinskörnungen geben muss, voll zutreffend war und durch die Ergebnisse bestätigt werden konnte. Anhand der Löseversuche in 1M KOH/Ca(OH)2-Lösung bei 40°C konnte auch nachgewiesen werden, dass das Calciumhydroxid die Löslichkeiten an SiO2 und Al2O3 sowohl aus der Gesteinskörnung als auch aus den Zusatzstoffen und folglich auch in den Gemischen aus Gesteinskörnung und Zusatzstoff entscheidend mit beeinflusst. Da das Calcium im Zementstein für die Bildung zusätzlicher CSH- und CSAH-Phasen verbraucht wird, ist dieser Prozess entscheidend für die Ausbildung der Gefügestruktur des Betons. Damit konnte sowohl in den Löseversuchen mit gesättigter Calciumhydroxidlösung bei 40°C als auch in den Zementsteinuntersuchungen die unterschiedlich hohe puzzolanische Reaktivität der Si- /Al-haltigen Zusatzstoffe Metakaolin und SFA nachgewiesen werden. Die „eigentliche“ Wirkung der Zusatzstoffe bezüglich einer schädigenden AKR im Gesamtsystem Beton konnte erst anhand der Dehnungsverläufe der Betone, bestehend aus den drei unterschiedlich alkalireaktiven Gesteinskörnungen K5g, G9 bzw. R2 und den jeweils zugegebenen Zusatzstoffen Microsilica, Metakaolin und SFA in den Dosierungen 1%, 4%, 7% und 10% bestätigt werden. Diese wird entscheidend durch die Reaktivität der Gesteinskörnung mitbestimmt, d.h. je reaktiver die Gesteinskörnung hinsichtlich einer schädigenden AKR, desto stärker ist die Wirkung des Zusatzstoffes bei gleicher Zusatzstoffdosierung, was so nicht erwartet wurde. Überraschend, aber für das Projekt absolut förderlich war, dass die Reaktionsprodukte der Löseversuche in den komplexen Systemen KOH/Ca(OH)2/GK innerhalb von 1-2 Jahren Lagerungs- bzw. Reaktionszeit als teilweise kristalline Strukturen anzusprechen sind, so dass Unterschiede zwischen den Zusatzstoffen in Verbindung mit den unterschiedlichen Gesteinskörnungen sowohl mittels NMR-, aber auch mittels XRD-Untersuchungen messbar waren. Und diese Unterschiede in den Reaktionsprodukten sind mitentscheidend für das Verständnis der Inhibierungseffekte von Zusatzstoffen im Beton.
Publications
- (2015): Aggregate Reactivity and the Efficiency of Supplementary Materials. Conference proceedings, 13th International Conference on Recent Advances in Concrete Technology and Sustainability Issues, Ottawa, Canada, 14 - 17 July 2015, p. 437-450
Kronemann, J; Hünger, K.-J.
- (2015): On the Mechanism of ASR Inhibition by Si and Al Containing SCMs. Conference proceedings, 13th International Conference on Recent Advances in Concrete Technology and Sustainability Issues, Ottawa, Canada, 14 - 17 July 2015, Supplementary paper No. 31
Hünger, K.-J.; Kronemann, J.; Hübert, C.; Scholz, Y.
- (2016): On the Interactions of Aggregates with Supplementary Cementing Materials for durable Concrete Structures. Conference proceedings, 23rd Czech Concrete Days (2016), Litomysl, Czech. Republic, 30 Nov. - 01 Dez.2016, ISBN 978-80-906097-6-1
Hünger, K.-J.; Hübert, C.; Scholz, Y.
- (2016): The influence of supplementary cementing materials on the dissolution of aggregates in alkaline solutions. Conference proceedings, 15th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, São Paulo, SP, Brazil, 3 - 7 Juli 2016
Scholz, Y.; Hübert, C.; Hünger, K.-J.
- (2017): Dauerhaftigkeit von Beton – Wirkungsweisen von Betonzusatzstoffen zur Vermeidung einer AKR. Dissertation, BTU Cottbus-Senftenberg, 142 S.
Scholz, Y.
