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FUTURUM
– Baustoff Straßenbeton
Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig
Forschungskolloquium „Betonstraßenbau“
11./12. Dezember2014
Reaktion von
reaktionsfähigem SiO2 mit
Alkalien (Natrium, Kalium) bei
Präsenz von Feuchtigkeit und Calcium,
zu quellfähigem Alkali-Kieselsäure-Gel
innerer
Quelldruck
(bis 20 N/mm²)
Grundlagen der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
FOR 1498/1
Grundlegender AKR-Mechanismus
Stark angelöstes und gerissenes
Kieselschieferkorn
Gerissenes Grauwackekorn und AKR-Gel
in Rissen und Poren
Mikroskopischer Befund
AKR als weltweites Problem
© www.weltkarte.com
• 14 internationale Konferenzen seit 1974
• tausende Veröffentlichungen
• Forschung und Austausch auf internationaler Ebene (RILEM)
• unzählige Normen, Richtlinien, Empfehlungen sowie Prüf- und
Untersuchungsverfahren
?
AKR bei Wasserbauten
Hoover Dam
Arizona/Nevada (USA)
Sapporo (Japan)
Betonschäden infolge
AKR in Island
The Icelandic Building
Research Institute
Wohnbauten
Spannbetonschwellen
AKR-Schäden
Brücke Merseburg
AKR an Brückenbauwerken
Begutachtete AKR-Schäden am FIB
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Wasserbauwerke Fahrbahndecken Brücken Andere (u.a.Schwellen, Tunnelund Fundamente)
24
82
20
45
An
zah
l A
KR
-Sch
ad
en
sfä
lle (
-)
Hessen:
137 km (33%)
Sachsen:
9.5 km (2%)
Sachsen-Anhalt:
115 km (28%)
Mecklenburg-
Vorpommern:
27 km (7%)
Brandenburg:
59 km (14%)
Nordrhein-Westfalen:
64 km (16%)
[1] Deutscher Bundestag: Antwort auf die kleine Anfrage der Fraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN (Drucksache 16/12024): Zerstörung des
Fahrbahnbelages durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion. 10.03.2009, http://dip21.bundestag.de/dip21/btd/16/122/1612210.pdf
[2] Deutscher Bundestag: Schädigung durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion soll ausgeschlossen werden. 16.03.2009,
http://www.bundestag.de/aktuell/hib/2009/2009_074/08.html
• In Deutschland AKR-betroffene Betonfahrbahndecken (2009)
- mehr als 400 km insgesamt:
Autobahn BAB A9, Bauzeit 1991-1993
Schäden nach ca. 10 Jahren
Autobahn BAB A10, Bauzeit 1991-1993
Schäden nach ca. 10 Jahren
• Regelungen für Fahrbahndecken
Neues ARS seit Anfang 2013:
Grundlage bleibt die Gutachterlösung auf
Basis einer AKR-Performance-Prüfung, der
sog. „WS-Grundprüfung“
© BMVBS
Alkali-Richtlinie
des DAfStb
ARS 04/2013
TL Beton-StB 07
Gutachterlösung:
- Prof. Heinz (München)
- Prof. Hünger (Cottbus)
- Dr. Müller (Düsseldorf)
- Dr. Richter (Euskirchen)
- Prof. Ludwig
ARS
04/2013
(Weimar)
Neues ARS 04/2013
Dreistufiges Konzept:
Positivliste mit bereits mehrfach positiv bewerteten Gesteinen
WS Grundprüfung
Gutachterlösung mit Performance-Test
Streufahrzeug,
Straßen
Taumittelsprühanlage,
Autobahn
Feuchtsalze:
• NaCl
• CaCl2• MgCl2
Besonderheit Autobahn: Enteisungsmittel
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273
De
hn
un
g [m
m/m
]
Zeit [d]
Einwirkung Wasser (ohne Vorschädigung)
Einwirkung NaCl-Lösung (ohne Vorschädigung)
CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42 LPFr = ~4,5 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/215 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22
Grenzwert NaCl-Lösung
Grenzwert Wasser
8. Z
yk
lus
6. Z
yk
lus
12
. Z
yk
lus
Einfluss externe Alkalien
• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne Vorschädigung)
DTVSV, Mo – So: Durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke der
Fahrtzweckgruppe „LKW“ (Schwerverkehr),
für alle Tage des Jahres (Montag bis Sonntag)
enthalten in den Ergebnistabellen der Jahresauswertung
der automatischen Zählstellen auf Bundesautobahnen
Schwerlastverkehr
beprobten Strecken im
Futurum:
bis zu 65 Mio. LKW seit
Verkehrsfreigabe
Einfluss Vorschädigung
• FIB-Klimawechsellagerung mechanisch vorgeschädigter Proben
• definierte mechanische Vorschädigung von• Großbalken im Vierpunktbiegezugversuch• durch 5 Mio. Lastwechsel
• FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung• von Wasser (Referenz) bzw. NaCl-Lösung
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273
De
hn
un
g [m
m/m
]
Zeit [d]
Einwirkung Wasser (ohne Vorschädigung)
Einwirkung Wasser (mit Vorschädigung)
Einwirkung NaCl-Lösung (ohne Vorschädigung)
Einwirkung NaCl-Lösung (mit Vorschädigung)
CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42 LPFr = ~4,5 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/215 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22
Grenzwert NaCl-Lösung
Grenzwert Wasser
8. Z
yk
lus
6. Z
yk
lus
12
. Z
yk
lus
• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, mit Vorschädigung)
Einfluss Vorschädigung
DFG-Begutachtung Bonn, 21. Juli 2011
Lehrstuhl für Baustofftechnik
Lehrstuhl für Statik & Dynamik
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde F I B
Institut für Massivbau und Baustofftechnologie
FOR 1498/1
Alkali-Kieselsäure-Reaktionen in Betonbauteilen bei gleichzeitiger zyklischer Beanspruchung und externer Alkalizufuhr
Sprecher: Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. BreitenbücherLehrstuhl für Baustofftechnik, Ruhr-Universität Bochum
Futurum – Baustoff Straßenbeton
Erarbeiten von Grundlagen für die zukünftige Vermeidung von AKR-
Schäden bei Betonfahrbahndecken
Berücksichtigung von:
- herstellungs- und einbautechnologische Parameter
- konstruktive Ausbildung
- dynamische Beanspruchung durch Verkehr
- Witterungseinflüsse
- Alkalizufuhr von außen
24
Forschungsnetzwerk
FE „FUTURUM“
Untersuchungsstrecken
BMVI / BASt
Uni Bochum
BMVI / BASt
HS Anhalt
Heller Ing.-Ges.
BUW
FUTURUM –
Forschungsnetzwerk
und
Erprobungsstrecken
A115
BAM
A4
Dreistufige Vorgehensweise
Stufe I: Analyse ZEB-Daten und Ergebnisse visueller Oberflächenzustands-
erfassung potenziell AKR-geschädigter Bereiche
AP1: Generierung vertikaler Plattenverformung aus ZEB-Daten und Dokumentation
AP2: Aufbau eines AKR-Infoportals
Stufe II: Literaturrecherche und Laboruntersuchungen an Bohrkernen an
potenziell AKR-geschädigten BAB-Abschnitten
AP3: Literaturrecherche
AP4: Bohrkernentnahme und Laboruntersuchungen
Stufe III: Aufbauende Untersuchungen an ausgewählten nachgestellten
Fahrbahndeckenbetonen
AP6: Einfluss klimatischer Einwirkungen und der Nachbehandlung auf die schäd. AKR
AP5: Einfluss dynamischer Beanspruchung auf die schädigende AKR
AP7: Einfluss der Oberflächentextur auf die schädigende AKR
AP8: Analyse der Leistungsfähigkeit gegenwärtiger AKR-Prüfverfahren
26
1. Schadenskategorien
Bj. 2000, ca. 13 Jahre alt, SK I
27
2. Schadenskategorien
Bj. 2004, ca. 9 Jahre alt, SK II
28
3. Schadenskategorien
Bj. 2004, ca. 9 Jahre alt, SK II-III
Stufe I: Analyse ZEB-Daten und Ergebnisse visueller Oberflächenzustands-
erfassung potenziell AKR-geschädigter Bereiche
Stufe II: Literaturrecherche und Laboruntersuchungen an Bohrkernen an
potenziell AKR-geschädigten BAB-Abschnitten
Stufe III: Aufbauende Untersuchungen an ausgewählten nachgestellten
Fahrbahndeckenbetonen
Dreistufige Vorgehensweise
AP1: Generierung vertikaler Plattenverformung aus ZEB-Daten und Dokumentation
AP2: Aufbau eines AKR-Infoportals
AP3: Literaturrecherche
AP4: Bohrkernentnahme und Laboruntersuchungen
AP6: Einfluss klimatischer Einwirkungen und der Nachbehandlung auf die schäd. AKR
AP5: Einfluss dynamischer Beanspruchung auf die schädigende AKR
AP7: Einfluss der Oberflächentextur auf die schädigende AKR
AP8: Analyse der Leistungsfähigkeit gegenwärtiger AKR-Prüfverfahren
umfassende Bewertung für 50
Entnahmestellen (Schädigung,
Restschädigungspotential, Chlorid-
/Alkaliprofil, Spaltzugfestigkeit,
Porosität)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 7 14 21Zeit [d]
Tem
pera
tur
[°C
]
Volumen ca. 5 m3
(1,6×2,0×1,5 m)Platz für ca.
80 Probekörper (10×10×40 cm)
Zyklus = 21 Tage =
• 4 Tage Trocknung (60 °C, < 10 % rel. Feuchte)
• 14 Tage Nebel (45 °C, 100 % rel. Feuchte)
• 3 Tage Frost-Tau-Wechsel (+20 °C / -20 °C)
Messung bei 20 °C:• Dehnung• Masse• Eigenfrequenz
FIB-Klimawechsellagerung als AKR-Performance-Prüfung
33
Bj. 2004, ca. 10,2 Jahre alt, SK I
34
A10-2-D1
AKR (o bis +++++) -
SEB (o bis +++++) -
Gefügeschädigung
(o bis +++++) +
AKR (o bis +++++)
SEB (o bis +++++)
Gefügeschädigung
(o bis +++++)
Ergebnisse POLMI
OB
UB
Uranylacetat-Fluoreszenz-Schnelltest
35
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231
Deh
nu
ng
[m
m/m
]
Zeit [d]
Einwirkung Wasser
Einwirkung NaCl-Lösung
Grenzwert Taumittel
Grenzwert Wasser
8. Z
yklu
s
6. Z
yklu
s
10. Z
yklu
s
A12-1 (Oberbeton)
36
Bj. 1999, ca. 15,0 Jahre alt, SK III
37
A14-3
A14-3-D1
AKR (o bis +++++) ++++
SEB (o bis +++++) +++
Gefügeschädigung
(o bis +++++) ++++
AKR (o bis +++++)
SEB (o bis +++++)
Gefügeschädigung
(o bis +++++)
Ergebnisse POLMI
OB
UB
38
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231
De
hn
un
g [m
m/m
]
Zeit [d]
Einwirkung Wasser
Einwirkung NaCl-Lösung
Grenzwert Taumittel
Grenzwert Wasser
8. Z
yklu
s
6. Z
yklu
s
10. Z
yklu
s
A113-3 (einschichtig)
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
Na [M.-
%]0,11
Cl [M.-%] 0,10
Na [mm] 0
Cl [mm] 0
Einfluss Vorschädigung
• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)Referenz: 20 ◦C, 65 % rel. LF
Na [M.-
%]0,11 0,17
Cl [M.-%] 0,10 0,16
Na [mm] 0 ≥ 41
Cl [mm] 0 ≥ 50
Einfluss Vorschädigung
• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)Referenz: 20 ◦C, 65 % rel. LF KWL (NaCl) ohne Vorschädigung
Na [M.-
%]0,11 0,17 0,32
Cl [M.-%] 0,10 0,16 0,28
Na [mm] 0 ≥ 41 ≥ 80
Cl [mm] 0 ≥ 50 ≥ 52
Einfluss Vorschädigung
• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)Referenz: 20 ◦C, 65 % rel. LF KWL (NaCl) ohne Vorschädigung KWL (NaCl) mit Vorschäd.
Stufe I: Analyse ZEB-Daten und Ergebnisse visueller Oberflächenzustands-
erfassung potenziell AKR-geschädigter Bereiche
Stufe II: Literaturrecherche und Laboruntersuchungen an Bohrkernen an
potenziell AKR-geschädigten BAB-Abschnitten
Stufe III: Aufbauende Untersuchungen an ausgewählten nachgestellten
Fahrbahndeckenbetonen
Dreistufige Vorgehensweise
AP1: Generierung vertikaler Plattenverformung aus ZEB-Daten und Dokumentation
AP2: Aufbau eines AKR-Infoportals
AP3: Literaturrecherche
AP4: Bohrkernentnahme und Laboruntersuchungen
AP6: Einfluss klimatischer Einwirkungen und der Nachbehandlung auf die schäd. AKR
AP5: Einfluss dynamischer Beanspruchung auf die schädigende AKR
AP7: Einfluss der Oberflächentextur auf die schädigende AKR
AP8: Analyse der Leistungsfähigkeit gegenwärtiger AKR-Prüfverfahren
visuelle Einschätzung SK,
umfassende Bewertung für 50
Entnahmestellen (Schädigung,
Restschädigungs-potential, Chlorid-
/Alkaliprofil, Spaltzugfestigkeit,
Porosität)
AKR-Infoportal
- Aufbaudaten (Bauweise, Schichtenaufbau, Baujahr)
- Verkehrsdaten (DTV, SV)
- Trassierungsdaten (z.B. Gefälle, Steigung)
- Geologiedaten (Baugrundverhältnisse)
- Betonausgangsstoffe (Gesteinskörnung, Zement, Zusatzmittel)
- Betonzusammensetzung (w/z, Zementgehalt etc.)
- Einbaubedingungen (Jahreszeit, Witterung, Fertiger, NB)
- Oberflächentextur (Baugrundverhältnisse)
- Zeitpunkt Verkehrsfreigabe
Stufe I: Analyse ZEB-Daten und Ergebnisse visueller Oberflächenzustands-
erfassung potenziell AKR-geschädigter Bereiche
Stufe II: Literaturrecherche und Laboruntersuchungen an Bohrkernen an
potenziell AKR-geschädigten BAB-Abschnitten
Stufe III: Aufbauende Untersuchungen an ausgewählten nachgestellten
Fahrbahndeckenbetonen
Dreistufige Vorgehensweise
AP1: Generierung vertikaler Plattenverformung aus ZEB-Daten und Dokumentation
AP2: Aufbau eines AKR-Infoportals
AP3: Literaturrecherche
AP4: Bohrkernentnahme und Laboruntersuchungen
AP6: Einfluss klimatischer Einwirkungen und der Nachbehandlung auf die schäd. AKR
AP5: Einfluss dynamischer Beanspruchung auf die schädigende AKR
AP7: Einfluss der Oberflächentextur auf die schädigende AKR
AP8: Analyse der Leistungsfähigkeit gegenwärtiger AKR-Prüfverfahren
Vorschädigung mit Schwingversuch bei
aufstehender Prüfflüssigkeit temperaturabhängige Herstellung
(15°C, 30°C)
verschiedenartige Nachbehandlung
(Folie, Windkanal) Oberflächenbehandlung mittels
Grinding
Mikroskopische, mikrochemische und
mechanische Untersuchungen
© Thüringer Landesamt für Straßenbau
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Die Autoren danken dem BMVBS und der BASt für
die Förderung,
und den Damen und Herren der Beratergruppen für
die Unterstützung
Betonzusammensetzung für WS-Betongrundprüfung
Betonzusammensetzung für Oberbeton (D > 8) und Unterbeton
Zementgehalt: 360 kg/m3
Wasserzementwert: w/z = 0,45
LP-Gehalt: 4,0 - 5,0 Vol.-%
Gesteinskörnung:30 Vol.-% Sand 0/2 mm
15 Vol.-% der zu beurteilenden Gesteinskörnung 2/8 mm
25 Vol.-% der zu beurteilenden Gesteinskörnung 8/16 mm
[1] Die Beurteilung an der Gesteinskörnung 2/8 mm kann auf die Körnungen 2/5 mm und 5/8 mm übertragen werden.
Betonzusammensetzung für Oberbeton 0/8
Zementgehalt: 430 kg/m3
Wasserzementwert: w/z = 0,45
LP-Gehalt: 5,5 - 6,5 Vol.-%
Gesteinskörnung:
30 Vol.-% Sand 0/2 mm
70 Vol.-% der zu beurteilenden Gesteinskörnung 2/8 mm [1]
Schnellprüfverfahren an Prüfkörnung (z.B. 1,2 mm/m MST)
Chemisch-mineralogische Charakterisierung
WS-Betonversuch mit den bisherigen Performance-Testverfahren
(FIB-Klima-Wechsellagerung, Alternativ 60 °C-Versuch) z.B. 0,40
mm/m nach 8 Zyklen
allerdings im Gegensatz zur reinen Performance-Prüfung Nutzung
von feststehenden Grenzrezepturen
Eignung wird bestätigt durch Schnellprüfverhafren
a) entweder regelmäßig durch Fremdüberwacher oder
b) Einmalig vor Betonierbeginn
z.B. 1,1 mm/m oder im schlechteren Fall 1,9 mm/m
