Einfluss verschiedener Alkalien und des Calciums auf eine AKR in Abhängigkeit von der Gesteinskörnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden an Betonen mit verschiedenen alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen die Einflüsse von Natrium, Kalium, Calcium und Lithium auf eine schädigende AKR untersucht. Die verwendeten Gesteinskörnungen repräsentieren die von der aktuellen Alkali-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) (Ausgabe Februar 2007) erfasste Bandbreite. Der wirksame Alkaligehalt ist der Alkaligehalt, der für eine Reaktion mit alkaliempfindlichen Bestandteilen, insbesondere alkaliempfindlicher Kieselsäure, einer Gesteinskörnung in der Porenlösung des Betons vorliegt. Unterschiedlich wirksame Alkaligehalte wurden durch Zugabe von Kalium- und Natriumhydroxid zum Zugabewasser eingestellt und als Na20-Äquivalent (Na20-Äqu. = Na20 + 0,658 K2O) in Masseprozent bezogen auf den Portlandzement angegeben. Aus den Untersuchungen lassen sich folgende Aussagen ableiten. Mit steigendem Alkaligehalt des Portlandzements nahmen die Dehnungen von Betonen mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen im 60 °C-Betonversuch zu. Bei einem hohen Alkaligehalt des Portlandzements sind die Dehnungen im 60 °C- Betonversuch umso höher, je kleiner das Massenverhältnis von K2O zu Na20 ist. Dies gilt für langsam reagierende Gesteinskörnungen wie Kies-Edelsplitt vom Oberrhein, gebrochene Grauwacke, gebrochenen Quarzporphyr und für schnell reagierende Gesteinskörnungen wie Kies mit Opalsandstein und Flint. Demnach führt Natriumhydroxid in der Porenlösung des Betons im Vergleich zu Kaliumhydroxid zu höheren Dehnungen des Betons im 60 °C-Betonversuch. Die Untersuchungen mit Werkszementen bestätigten die Erkenntnisse zum Einfluss von Natrium und Kalium der Versuche mit dotierten Zementen. Mit sinkendem Alkaligehalt des Portlandzements nimmt der Einfluss des K20/Na20-Verhältnisses ab. Durch den abfallenden pH-Wert sinkt die Löslichkeit kieselsäurehaltiger Verbindungen, sodass weniger Alkali-Kiesel-Gel gebildet wird. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer schädigenden AKR nimmt dadurch insgesamt ab. Bei Alkaligehalten < 1,0 M.-% Na2O-Äquivalent in Portlandzement ist der Einfluss von K2O/Na2O zu vernachlässigen. Betonversuche mit Außenlagerung zeigten, dass die Entwicklung der Dehnung von Balkenbalken und der Risse am Betonwürfel auch bei einem hohen Na2O-Äquivalent des Portlandzements nur wenig vom K2O/Na2O-Verhältnis beeinflusst wird und dieser Einfluss in der Praxis vernachlässigt werden kann. Die schadensvermeidende bzw. dehnungsvermindernde Wirkung von Lithiumnitrat und Lithiumhydroxid in Beton wurde an Betonen in Laborversuchen und mit Lagerung im Außenlager für schnell und langsam reagierende Gesteinskörnungen bestätigt. Bei einer ausreichenden Zugabe zum Zugabewasser kann eine schädigende AKR mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen vermieden werden. Die Zugabe von Caiciumhydroxid zu Betonen mit langsam reagierender alkaliempfindlicher Gesteinskörnung und Portlandzement beeinflusste nicht die Dehnung des Betons im 60 °C-Betonversuch. In Beton mit Portlandzement und Flugasche führte die Zugabe von Caiciumhydroxid im Vergleich mit der Zugabe von Calciumcarbonat zu einer geringfügigen Erhöhung der Dehnung. Die absoluten Dehnungen waren jedoch gering. In flugaschehaltigem Beton mit schnell reagierender Gesteinskörnung hatte ein zusätzliches Angebot an Caiciumhydroxid keinen verstärkenden Einfiuss auf die Dehnung des Betons. Modellversuche zum Wirkungsmechanismus von Lithiumverbindungen zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Beton bestätigen die These, dass bei ausreichender Verfügbarkeit von Lithiumionen ein lithiumhaltiges Alkali-Kiesel-Gel als Ban'iere die reaktive Kieselsäure vor einem weiteren Angriff der Hydroxidionen schützt. Die Ergebnisse deuten an, dass die Alkaliempfindlichkeit und die Art der Minerale in Kontakt mit der angreifenden Lösung sowie die Anwesenheit von Caiciumhydroxid und Lithiumionen die Art der Reaktionsprodukte und damit deren Eigenschaften beeinflussen. Die Aussagen beruhen auf Laboruntersuchungen. Da nicht in allen Fällen die Ergebnisse von Laboruntersuchungen mit dem Verhalten von Betonen in der Praxis korrelieren, lagern parallel Probekörper im Außenlager des VDZ. Die Untersuchungen mit Außenlagerung werden fortgeführt. . Weitere Untersuchungen zur Charakterisierung der Reaktionsprodukte, die in Abhängigkeit von der Art und Zusammensetzung eines alkaliempfindlichen Minerals lokal in einem Gesteinskorn entstehen können, sind notwendig.
