Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure- Reaktion in ...134.147.28.131/hp/downloads/03_Ludwig.pdf · Prof. Ludwig, Prof. Meng Weimar, 21. Oktober 2014 3 Einleitung • Auswahl Ausgangsstoffe-grobe,

Weimar, 21. Oktober 2014

FOR 1498/0

AKR unter kombinierter Einwirkung

Workshop „AKR unter kombinierten Einwirkungen“

Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure-

Reaktion in vorgeschädigten

Fahrbahndeckenbetonen(Teilprojekte 4 und 5)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig

Weimar, 21. Oktober 2014 2Prof. Ludwig, Prof. Meng

Mitarbeiter am Projekt

Mitarbeiter der BAM und des FIB

BAM: Dir. und Prof. Dr. rer. nat. B. MengM.Eng. S. MillarDipl.-Ing. S. PirskawetzDipl.-Ing. K. VolandDr.-Ing. F. WeiseDipl.-Phys. G. Wilsch

FIB: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. LudwigDr.-Ing. C. GiebsonM.Sc. S. Dietsch Dipl.-Ing. K. SeyfarthDipl.-Ing. D. Erfurt Dr. rer. nat. H. Kletti


Einleitung

• Auswahl Ausgangsstoffe- grobe, alkalireaktive Gesteinskörnungen (bekannt von AKR-Praxisschäden)- natürliche, feine Gesteinskörnung- Fahrbahndeckenzement (CEM I, Na2O-Äquivalent ≤ 0,80 M.-%)

• Auswahl Betonzusammensetzung- Vorversuche mit groben Gesteinskörnungen aus zwei Vorkommen (Schnelltests, Betonversuch nach Alkali-Richtlinie/ Teil 3)

- Rezeptur für Fahrbahndecken nach TL Beton-StB 07- mit AKR-Schädigungspotential für die Untersuchungen zum Einfluss- einer mechanischen Vorschädigung

• Auswahl AKR-Prüfverfahren- Nachweis der Eignung für die Untersuchungen zur Vorschädigung- Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C- Betonversuch bei 60 ◦C (ohne äußere Alkalizufuhr)- FIB-Klimawechsellagerung (AKR-Performance-Prüfung)


• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

Ausgangsstoffe

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hnu

ng

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Grenzwert am 28. Tag



Ausgangsstoffe

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hnu

ng

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2


Bestandteil [M.-%] Sand 0/2

Quarz 78,2

Plagioklas 7,1

Orthoklas 9,8

Biotit ---

Chlorit 1,6

Muscovit 1,7

Pyrit ---

Calcit 1,6


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 16/22


Ausgangsstoffe



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8



Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8

Quarz 78,2 83,3

Plagioklas 7,1 3,9

Orthoklas 9,8 4,6

Biotit --- ---

Chlorit 1,6 < 1

Muscovit 1,7 1,7

Pyrit --- ---

Calcit 1,6 5,5



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8



Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8

Quarz 78,2 83,3

Plagioklas 7,1 3,9

Orthoklas 9,8 4,6

Biotit --- ---

Chlorit 1,6 < 1

Muscovit 1,7 1,7

Pyrit --- ---

Calcit 1,6 5,5


41,3 M.-% Quarze36,7 M.-% Grauwacken/Quarzite12,9 M.-% Plutonite/Metamorphite03,7 M.-% Flint02,0 M.-% Radiolarit01,7 M.-% Sand- bzw. Kalkstein


0,0

0,5

1,0

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2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8





Ausgangsstoffe



0,0

0,5

1,0

1,5

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2,5

3,0

3,5

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De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8





Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8 Granodiorit 2/22

Quarz 78,2 83,3 25,1

Plagioklas 7,1 3,9 45,1

Orthoklas 9,8 4,6 13,0

Biotit --- --- 10,0

Chlorit 1,6 < 1 3,8

Muscovit 1,7 1,7 3,0

Pyrit --- --- << 0,5

Calcit 1,6 5,5 ---



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8





Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8 Granodiorit 2/22

Quarz 78,2 83,3 25,1

Plagioklas 7,1 3,9 45,1

Orthoklas 9,8 4,6 13,0

Biotit --- --- 10,0

Chlorit 1,6 < 1 3,8

Muscovit 1,7 1,7 3,0

Pyrit --- --- << 0,5

Calcit 1,6 5,5 ---


gestresster

Quarz


Ausgangsstoffe

• Alkalireaktivität der Gesteinskörnungen

Gesteinskörnung

an

Praxisschäden

beteiligt

Mörtelschnelltest

(70 °C)

Schnellprüfverfahren

(80 °C)

Petrographie/

Mineralogie

Sand 0/2 unbekannt alkalireaktiv alkalireaktivnicht

beurteilbar

Kies-Splitt 2/8 ja alkalireaktivausreichend

alkaliunempfindlich („grenzwertig“)

alkalireaktiv

Granodiorit-Splitt 2/22 jaausreichend alkali-

unempfindlichausreichend alkali-

unempfindlichpotentiell

alkalireaktiv

• AKR-Potential insgesamt vorhanden

• Anknüpfung an Praxiserfahrungen (AKR-Schadensfälle)

• für weitere Versuche zum Einfluss der Vorschädigung geeignet

• es war nicht das Ziel, die Alkalireaktivität der einzelnen Vorkommen zu• beurteilen


• Rezeptur nach Alkali-Richtlinie

Betonzusammensetzungen

Bestandteil Menge

Prüfzement CEM I 32,5 R (Na2Oäq = 1,30 M.-%) 400 kg/m³

Gesteinskörnungen

Sand 0/2 Rhein 30 Vol.-%

Splitt 2/8*

Kies-Splitt 2/8*

Granodiorit, Lausitz

Oberrhein20 Vol.-%

Splitt 8/16 Granodiorit, Lausitz 20 Vol.-%


Wasser (w/z = 0,45) 180 kg/m³

Luft ca. 1,5 Vol.-%

• Beurteilung der Alkalireaktivität zweier Gesteinskörnungsgemische

• Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C nach Alkali-Richtlinie

• Betonversuch bei 60 ◦C über Wasser nach Alkali-Richtlinie

• Gesamtalkaligehalt: 5,2 kg(Na2Oäq)/m³

*Splitt 2/8 oder Kies-Splitt 2/8

14Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦◦◦◦C (Rezeptur nach Alkali-Rili.)

keine kritischen Rissbreiten am Würfel, d.h. w < 0,20 mm


AKR-Prüfverfahren

• Betonversuch bei 60 ◦◦◦◦C (Rezeptur nach Alkali-Rili.)


Ausgangsstoffe

• AKR-Potential der Gesteinskörnungsgemische

Gesteinskörnungsgemisch Nebelkammerlagerung bei 40 °C Betonversuch bei 60 °C über Wasser

Sand 0/2Granodiorit-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

kein AKR-Potential sehr hohes AKR-Potential

Sand 0/2Kies-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

AKR-Potential hohes AKR-Potential

Vergleich AKR-Potential „Kies/Granodiorit“ > „Granodiorit“ „Granodiorit“ > „Kies/Granodiorit“

• AKR-Potential insgesamt vorhanden

• z.T. aber widersprüchliche Aussagen

• für weitere Versuche zum Einfluss einer mechanischen Vorschädigung • grundsätzlich geeignet


Betonzusammensetzungen

Bestandteil Menge

Fahrbahndeckenzement CEM I 42,5 N (Na2Oäq = 0,73 M.-%) 360 kg/m³

Gesteinskörnungen

Sand 0/2 Rhein 28 Vol.-%

A* Splitt 2/8C* Kies-Splitt 2/8

Granodiorit, LausitzOberrhein

15 Vol.-%



Wasser (w/z = 0,42) 151,2 kg/m³

Luft 4,0 - 4,5 Vol.-%

• Fahrbahndeckenbeton nach TL Beton-StB 07

• Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials zweier Fahrbahndeckenbetone unter• Berücksichtigung einer äußeren Alkalizufuhr und einer mechanischen Vorschädigung

• FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung von Wasser (Referenz) und NaCl-Lösung- Gesamtalkaligehalt: 2,6 kg(Na2Oäq)/m³

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C, Lagerung bei 60 ◦C über Wasser mit NaCl-Aufdotierung- Gesamtalkaligehalt: 4,7 kg(Na2Oäq)/m³

* Variante A oder C


AKR-Prüfverfahren

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦◦◦◦C (Fahrbahndeckenbetone + NaCl)

keine kritischen Rissbreiten am Würfel, d.h. w < 0,20 mm


AKR-Prüfverfahren

• Betonversuch bei 60 ◦◦◦◦C (Fahrbahndeckenbetone + NaCl)


AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Fahrbahndeckenbetone)

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

Deh

nu

ng [m

m/m

]

Zeit [d]

Beton A: Einwirkung Wasser

Beton A: Einwirkung NaCl-Lösung

Grenzwert NaCl-Lösung

Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42, LPFr = 4,4 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/2A: 15 Vol.-% Granodiorit-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22


AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Fahrbahndeckenbetone)

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]

Beton A: Einwirkung Wasser

Beton C: Einwirkung Wasser

Beton A: Einwirkung NaCl-Lösung

Beton C: Einwirkung NaCl-Lösung


Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42, LPFr = 4,4 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/2A: 15 Vol.-% Granodiorit-Splitt 2/8C: 15 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22


AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C: Dünnschliffe nach 12 Zyklen)

AKR-Merkmale

Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung

gerissenes

Granodioritkorn

AKR-Gel

AKR-Gel

gerissenes

Quarzkorn (Sand)

AKR-Gel


Ausgangsstoffe

• AKR-Potential der Fahrbahndeckenbetone

• Nebelkammerlagerung für weitere Versuche zur Vorschädigung ungeeignet

• 60 ◦C-Betonversuch mit Vorbehalt (da Beton A > Beton C) geeignet

• FIB-Klimawechsellagerung geeignet

FahrbahndeckenbetonNebelkammer-

lagerung bei 40 °C

Betonversuch bei 60 °C

über Wasser

FIB-Klimawechsel-

lagerung

„Beton A“

Sand 0/2Granodiorit-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

--- ---Einwirkung Wasser:

kein AKR-Potential

Aufdotierung mit NaCl:

kein AKR-PotentialAufdotierung mit NaCl:

AKR-PotentialEinwirkung NaCl-Lösung:

AKR-Potential

„Beton C“

Sand 0/2Kies-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

--- ---Einwirkung Wasser:

kein AKR-Potential

Aufdotierung mit NaCl:

kein AKR-PotentialAufdotierung mit NaCl:

AKR-PotentialEinwirkung NaCl-Lösung:

AKR-Potential

Vergleich AKR-Potential Beton A ≈ Beton C Beton A > Beton C Beton C > Beton A


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

vgl. Vorträge Prof. Meng,

Prof. Müller


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

Deh

nu

ng

[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 Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s


• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne Vorschädigung)


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

Deh

nu

ng

[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 Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne und mit 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


• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)Referenz: 20 ◦C, 65 % rel. LF KWL (NaCl) ohne Vorschädigung KWL (NaCl) mit Vorschädigung



• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)

0,11

0,17

0,32

0,10

0,16

0,28

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Referenz ohne Vorschädigung mit Vorschädigung

Ba

sisw

ert

[M

.-%

in d

er

Fe

inm

ört

elm

atr

ix] Na Cl

0

41

80

0

50 52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Referenz ohne Vorschädigung mit Vorschädigung

Ein

dri

ng

tie

fe [

mm

]

Na Cl

Basiswerte Eindringtiefen

• höhere Eindringtiefen infolge einer mechanischen Vorschädigung (Einfluss Mikrorisse)

• Eindringtiefen aufgrund des höheren Basiswertes in Proben unter NaCl-Einwirkung• offenbar höher als bislang angenommen

• Interpretation von Eindringtiefen - insb. für Praxisbetone - problematisch, da i.d.R.• keine Referenzproben vorliegen, an denen der Basiswert des mit NaCl unbelasteten• Betons bestimmt werden kann


Zusammenfassung

• Eine mechanische Vorschädigung des Betongefüges begünstigt den Ablauf einer AKR, speziell unter äußerer Alkalizufuhr, sofern der Beton ein AKR-Potential besitzt.

• Infolge der Vorschädigung (Mikrorisse) kommt es zu einem beschleunigten Eindringen von Wasser bzw. NaCl-Lösung, wodurch es vor allem zu einem früheren Beginn der AKR kommt.

• Im späteren Verlauf deutet sich unter äußerer Alkalizufuhr eine Verstärkung der AKR an, bedingt durch die größere Menge an eingedrungenem NaCl.

• AKR-Schäden werden damit zuerst in vorgeschädigten Bereichen eines Betonbauteils auftreten, wobei es sich im Fall der Fahrbahndecken um die Bereiche der Querfugen und Fugenkreuze handelt.

• Um eine AKR in vorgeschädigten Bauteilen bzw. Bauteilbereichen zu vermeiden, muss das stofflich bedingte AKR-Potential der Betonzusammensetzung ausreichend gering sein.


Zusammenfassung

• Für praxiskonforme Aussagen zum Einfluss einer Vorschädigung auf die AKR müssen auch praxiskonforme AKR-Prüfverfahren zum Einsatz kommen.

• Mit der Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C wurde das AKR-Potential der geprüften Fahrbahndeckenbetone unterschätzt. Von weiteren Untersuchungen unter Verwendung der Nebelkammerlagerung wird daher abgesehen.

• Mit dem Betonversuch bei 60 ◦C konnte das AKR-Potential der geprüften Fahrbahndeckenbetone mit Hinblick auf Praxiserfahrungen grundsätzlich zutreffend beurteilt werden, jedoch treten bislang noch nicht erklärbare Unterschiede zwischen den Betonen auf.

• Mit der FIB-Klimawechsellagerung konnte das AKR-Potential der Fahrbahndeckenbetone mit Hinblick auf Praxiserfahrungen korrekt beurteilt werden. Zudem zeigte sich bereits die grundsätzliche Eignung des Verfahrens für die weiteren Untersuchungen zum Einfluss einer Vorschädigung auf die AKR.


Dank und Anerkennung

• Lieferanten der Gesteinskörnungen, des Zementes und der Zusatzstoffe

• DFG für die finanzielle Förderung


Vielen Dank!

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