Alkalibindung und Ca(OH)2-Gehalt von Portlandpuzzolanzementen zur dauerhaften Vermeidung von AKR im Beton und Bruchmechanik von Gesteinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens begrenzten Umfangs, wurden Untersuchungen zur Rissursache und zur Rissentstehung in langsam und spät mit Alkalien reagierenden Gesteinen durchgeführt. Für die Untersuchungen standen 4 Gesteinssorten zur Verfügung. Neben gebrochener Grauwacke, gebrochenem Quarzporphyr und gebrochenem Kies des Oberrheins (in verschiedenen Varietäten: Kieselschiefer, Quarzit und Porphyr), welche alle der Kategorie slow/late (langsam und spät mit Alkalien reagierende Gesteinskörnungen) zuzuordnen sind, wurde für Vergleichszwecke auch ein Diabas, welcher gegenüber einer schädigenden AKR als unbedenklich einzustufen ist, in die Untersuchungen mit einbezogen. Es wurden bruchmechanische Kennwerte (Bruchzähigkeit und E-Modul) der Gesteine im Ausgangszustand sowie nach verschiedenen Einlagerungszeitpunkten in einer Kaliumhydroxidlösung (KOH-Lösung) mit einem pH-Wert von 14,0 ermittelt. Der kritische Zustand der bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in einem Gesteinskorn erzeugt wird, wurde mit Hilfe des kreisförmigen Risses (penny-shaped-crack) berechnet. Zudem lässt diese Berechnung Aussagen über die Stabilität eines Risses zu. Voraussetzung für diesen Ansatz war jedoch, dass im Gesteinskorn bereits Defekte oder Risse vor einer schädigenden AKR vorhanden sein mussten. Durch die Verwendung der KOH-Lösung wurde eine hohe alkalische Umgebung, wie wir sie im Beton antreffen, nachgestellt. Durch die Abwesenheit der Kalzium-Ionen (Ca2+-Ionen) in der Lösung, konnte sich jedoch kein stabiles und über längeren Zeitraum quellfähiges Gel im Gestein ausbilden, was zu einer Entfestigung der zu untersuchenden Gesteine hätte führen können. Dass die Löslichkeit von SiO2 mit steigendem pH-Wert zunimmt ist allgemein bekannt. Neben SiO2 gibt es jedoch noch viele andere Minerale in einem Gestein, deren Löslichkeit sehr stark abhängig vom pH-Wert ist. Aus der An- und Auflösung der Minerale resultiert die Entfestigung eines Gesteins bzw. eines Gesteinskorns. Meist reichen dann kleine aber häufig auftretende Defekte bzw. Risse im Gesteinskorn aus, in denen Gelbildung bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) stattfindet. Unter geeigneten Bedingungen beginnt das Gel zu quellen und führt schließlich zur Schädigung und sichtbaren Rissbildung im Beton. Für den Nachweis der An- und Auflösung der Minerale wurde mit der Dünnschliffmikroskopie eine mineralogische Untersuchungsmethode eingesetzt. Die Dünnschliffmikroskopie, die an Gesteinen im Ausgangszustand und nach verschiedenen Einlagerungszeitpunkten in der KOH-Lösung durchgeführt wurde, hatte zum Ergebnis, dass neue Erkenntnisse für die Transport- und Reaktionsmechanismen beim Ablauf einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion gewonnen werden konnten. In einer alkalischen Lösung kommt es bei der untersuchten Grauwacke zu Lösungserscheinungen von ehemals mit Hämatit verheilten Rissen. Diese Risse bilden dadurch den Transportweg für die Alkalien aus der Porenlösung und sind Ausgangspunkt für eine Rissentstehung aufgrund der AKR. In einem Grauwackekorn reicht für eine Rissentstehung aufgrund der AKR ein Riss mit dafür großer Risslänge aus. Der untersuchte Quarzporphyr besitzt aufgrund seiner Entstehungsgeschichte in seiner Gefügematrix sich viel verzweigende Eisenoxidadern. Diese Eisenoxidadern werden in einer alkalischen Lösung angelöst. Diese Lösungsprozesse an den Eisenoxidadern bilden den Transportweg für die Alkalien aus der Porenlösung. Durch die Vielzahl der an- und aufgelösten Eisenoxidadern, wird der Quarzporphyr entfestigt. Daher reichen kleinere Risslängen aber dafür häufig auftretende Defekte bzw. Risse für eine Rissbildung aufgrund der AKR aus. Aus dem Oberrhein wurden drei Gesteine untersucht. In dem untersuchten Kieselschiefer (Chert) führte quellfähiges Alkali-Kieselgel zu Volumenvergrößerungen und den daraus resultierenden netzartigen Rissen an der Manteloberfläche. Das stabile, quellfähige Alkali-Kieselgel bildete sich aufgrund des Angebotes von Ca2+ - Ionen aus kalziumreichen Hornblenden und Karbonatklüften. Bei dem untersuchten Quarzit kommt es zu Lösungserscheinungen an den Korngrenzen von ehemals eng miteinander verwachsenden Quarzkörnen. Die Anlösungserscheinungen entlang der Korngrenzen bilden den Transportweg für die Alkalien aus der Porenlösung. Aufgrund der Lösungserscheinungen entlang der Korngrenzen und den daraus resultierenden veränderten Materialeigenschaften, reichen daher kleinere Risslängen aber dafür häufig auftretende Defekte bzw. Risse für eine Rissbildung aufgrund der AKR aus. Der untersuchte Porphyr des Oberrheins und der im Vorfeld der Untersuchungen als unbedenklich hinsichtlich AKR eingestufte Diabas, zeigten in der Gefügestruktur nahezu keine Veränderung aufgrund der Einlagerung in der KOH-Lösung. Daher kann davon ausgegangen werden, dass diese beiden untersuchten Gesteine sich nicht an einer AKR beteiligen. Der Mechanismus der An- und Auflösung verschiedener Minerale in Abhängigkeit vom pH-Wert wurde in diesem Forschungsprojekt nur am Gestein selbst und nicht an der Gesteinskörnung im Beton festgestellt. In einem kleineren Projekt sollen die bisher gewonnen Erkenntnisse an der Gesteinskörnung im Beton nachgewiesen werden. Hierfür soll mittels Dünnschliffmikroskopie die zeitliche Veränderung der Gefügestruktur der zu untersuchenden Gesteinskörner in einer alkalischen Umgebung (Beton) in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen sichtbar gemacht werden. Neben den alkaliempfindlichen Bestandteilen, die in einem Gesteinskorn für eine AKR vorhanden sein müssen, sind die Lösungserscheinungen der Hämatitadern des untersuchten Quarzporphyrs für die Rissbildung aufgrund der AKR verantwortlich. Aufgrund der unterschiedlichen Gewinnungsgebiete dürfte jedoch die festgestellte Häufigkeit der Hämatitadern nicht in jedem Quarzporphyr vorhanden sein. Diese Folgerungen sollen an einem Quarzporphyr aus dem Schwarzwald, der bekanntlich als unbedenklich gegenüber einer AKR einzustufen ist, mit der hier vorgestellten Untersuchungsmethode nachgewiesen werden. Mit zusätzlicher Kenntnis des Einflusses der Alkali-Kieselsäurereaktion auf die mechanischen Materialparameter der Kontaktzone zwischen Zementstein und einem reaktivem Gesteinskorn wäre eine Berechnung der zeitlichen Festigkeitsabnahme des Betons möglich. Dies würde Aussagen über die Dauerhaftigkeit des Betons hinsichtlich einer AKR ermöglichen. Die Erkenntnis der Rissentstehung bei langsam und spät mit Alkalien reagierenden Gesteinskörnungen verdeutlicht die Notwendigkeit der Weiterentwicklung der Performance-Prüfungen mit dem Verfahren der Klimawechsellagerung gegenüber dem Verfahren der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
