Quellspannung - Einfluss von slow/late - Gesteinskörnungen und puzzolanischen Zusatzstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Anhand von Voruntersuchungen konnten Betonrezepturen ohne Zugabe von Betonzusatzstoffen mit konstanten Zementsteingehalten und damit konstanten, theoretischen Abständen der Gesteinskörnungspartikel voneinander (x = const.) entwickelt werden, die trotz unterschiedlicher w/z-Werte, ein konstantes Angriffspotential an OH'-Ionen (c = const.) auf die reaktive Gesteinskörnung im Beton liefern. Auf Grund dessen konnten die Auswirkungen unterschiedlicher Porositäten und damit Dichtigkeiten (Variation des Deff) der Zementsteinmatrix gegen den Transport von Alkalien, auch über verschiedene Hydratationsalter hinweg, in Beziehung zueinander gesetzt werden. Ein Konstanthalten der OH'-Konzentration flugaschehaltiger Rezepturen konnte nur unzureichend erreicht werden. Hier spielt die komplexe Wechselwirkung von Zement und Betonzusatzstoff eine große Rolle. Die unterschiedlichen Einflüsse der Flugasche, wie Feinheit, Aktivitätsindex, usw. wirken sich stark auf die Porenlösung aus und können nicht mehr über einfache Gleichungen miteinander in Beziehung gesetzt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass für die jeweilige Flugasche bei jeder Veränderung des Austauschgrades eine neue Ermittlung der Mischungszusammensetzung erfolgen muss, um die OH--Konzentration in der Porenlösung auf einem konstanten Niveau halten zu können. Dies verdeutlicht im Umkehrschluss die positive Wirkung der Flugasche auf die Reduzierung von Alkalien in der Porenlösung. In den ersten Untersuchungen an Probekörpern ohne Zementaustausch konnte gezeigt werden, dass bei gleichem Angriffspotential bekanntermaßen ein Einfluss der Porosität auf die AKR besteht. In einem Bereich der w/z-Werte von 0,3 bis 0,4 sind anhand der Porengrößenverteilung keine Unterschiede im Transport zu erwarten. Ein starker Anstieg der transportrelevanten Poren erfolgte ab einem w/z-Wert von 0,45. Weiter belegten die Porenlösungsuntersuchungen am Zementstein einen linearen Einfluss des w/z-Wertes und des Alkaliäquivalents des Zements auf die Porenlösungszusammensetzung. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen konnten Betonzusammensetzungen abgeleitet werden, die ein konstantes Angriffspotential auf die reaktive Gesteinskörnung besitzen. Anhand künstlicher Porenlösungen, die den tatsächlichen Porenlösungen der Zementsteine entsprachen, wurde das Lösungsverhalten einer reaktiven Gesteinskörnung ohne Einfluss der Transportprozesse im Zementstein bestimmt und eine Bindungsbilanz der Alkaliionen durch Betrachtung des Na+ + K+-Verhältnisses erstellt. Hierbei wurde eine „theoretische Porosität“ von 100 % im wässrigen System angenommen und der Bindungsbilanz der Betone gegenübergestellt. In diesen Ergebnissen wird der verzögernde Einfluss der Diffusion bzw. des Diffusionswiderstandes der Bindemittelmatrix auf die ablaufende Alkali-Kieselsäure Reaktion deutlich. Des Weiteren wurden Untersuchungen an Feinbetonen mit Duranglas als reaktiver Referenzzuschlag durchgeführt. Zu diesem Themengebiet wurden bereits von L.J. Struble umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Es wurden folgende Erkenntnisse bestätigt bzw. gewonnen. Eine Erhöhung der Lagerungstemperatur von 20°C auf 40°C beschleunigt die chemischen Reaktionen in den Duranglasbetonen in etwa um das 3-fache. Das Duranglas reagiert relativ unempfindlich auf eine Veränderung der Alkalität von Porenlösungen, die im Rahmen der Alkaligehalte deutscher Portlandzemente erreicht werden. Die Grenzalkalität eines lösenden Angriffs auf das Duranglas liegt bei rd. 200 mmol/l (pH ~ 13,3). Eine höhere Porosität und somit höhere Transportleistung im Zementstein führt zu einer Beschleunigung der Alkalibindung durch Reaktionsprodukte des Duranglases. Aufgrund der geringen Empfindlichkeit gegenüber einer Veränderung der Alkalität in der Porenlösung ist Duranglas nur bedingt für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Betonzusatzstoffen geeignet. Im Gegensatz zur Alkalität wirken sich die Transporteigenschaften und/oder die Gefügefestigkeit maßgebend auf das Dehnungsverhalten der Duranglasbetone aus. Es ist grundsätzlich nötig, die Ergebnisse anhand weiterer Untersuchungen abzusichern und auszuweiten. Eine Anpassung des Lagerungsversuches der Gesteinskörnung ist als sinnvoll zu erachten, da hier interessante Ergebnisse gewonnen werden können, wie sich beispielsweise die beobachtete schnelle anfängliche Reaktion innerhalb der ersten 2 Tage auf eine spätere AKR auswirkt. Bereits im frühen Alter wird durch die Gesteinskörnung eine große Menge an Alkalien verbraucht. Diese werden, wie auch Calciumionen, in hoher Zahl durch einen Austausch der Protonen der Silanolgruppen an der Oberfläche an das Silizium gebunden. Im weiteren Verlauf der Reaktion verdrängen weitere Calciumionen aufgrund ihrer höheren Bindungsaffinität die Alkalien aus ihren Verbindungen mit dem Silizium und ermöglichen einen Weitertransport von Na+ und K+ ins Innere des Gesteinskornes 1 , 2 . Dadurch kann zu einem späteren Zeitpunkt, trotz starker Abnahme des Ionenverbrauches, ein Grauwackekorn oder in Folge auch die Zementsteinmatrix geschädigt werden, da genügend Alkaliionen aus der raschen Anfangsreaktion zur Verfügung stehen und nur ein geringer Nachstrom an Na+ und K+ nötig ist, um die Reaktion weiterhin ablaufen zu lassen. Des Weiteren wirkt sich die Variation des w/z-Wertes nicht nur auf die Transporteigenschaften, sondern auch auf die mechanischen Eigenschaften des Betons aus. In wieweit sich die Veränderungen der bruchmechanischen Eigenschaften auf eine schädigende AKR auswirken, muss weitergehend untersucht werden. Die Ergebnisse sollen zur Erweiterung des Verständnisses der ablaufenden Mechanismen einer Alkali-Kieselsäure Reaktion in realen Betonbauteilen dienen. Sie sind deshalb von allgemeiner Bedeutung für die Bauindustrie. Bisher ist keine direkte baupraktische oder industrielle Verwertung der Ergebnisse erfolgt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind allerdings wesentlich zum detaillierten Verständnis der Wirkungsweise und Leistungsfähigkeit von puzzolanischen und latent-hydraulischen Bindemittelbestandteilen und bereiten damit die Basis für die Einführung weitergehender Vermeidungsstrategien für eine schädigende AKR unter Nutzung dieser Stoffe. Eine entsprechende Umsetzung im einschlägigen technischen Regelwerk ist z.B. für Steinkohlenflugasche als künstlichem Puzzolan in naher Zukunft vorgesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss der Diffusion auf eine Alkali-Kieselsäure Reaktion im Beton - Untersuchungen zum Alkalihaushalt und den Transporteigenschaften. 17. ibausil, Weimar (2009)
A. Dressler, Ch. Matschi, K. Schmidt, D. Heinz
- „Verwendung von Steinkohlenflugasche zur Vermeidung einer schädigenden Alkali-Kieselsäure Reaktion im Beton“. Dissertation, FG Gesteinshüttenkunde, TU München, 2009
Schmidt, Karl
