Gutachten 2-seitig - Bundesanstalt für Wasserbau
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FuE Abschlussbericht Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen A39510370009 Juni 2015 FuE Abschlussbericht Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen Beginn des Vorhabens: 01.12.2010 Auftrags-Nr.: BAW-Nr. A39510370009 Aufgestellt von: Abteilung: Referat: Bearbeiter: Bautechnik Baustoffe B3 Dr. Reschke Karlsruhe, Juni 2015 Der Bericht darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentlichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BAW. Bundesanstalt für Wasserbau · Postfach 21 02 53 · 76152 Karlsruhe · Tel.: (0721) 97 26 - 0 Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Zusammenfassung Durch vergleichende Untersuchungen mit Nebelkammerversuchen gemäß Alkali-Richtlinie wurde die Eignung bestehender und neu entwickelter Schnellprüfverfahren, sowie die Eignung von in den letzten Jahren entwickelten Performance-Prüfverfahren ohne und mit Alkalizufuhr für verschiedene Gesteinskörnungen und Betone unter den spezifischen Beanspruchungen im Verkehrswasserbau untersucht. Für die sichere Bewertung von Gesteinskörnungen erwies sich die zweistufige Vorgehensweise gemäß Alkali-Richtlinie (1. Stufe Prismenschnellversuch, 2. Stufe Betonversuch) grundsätzlich als zielführend. Der zusätzlich in der 1. Stufe mit einbezogene chemische Schnelltest (BTU-SP) hat sich dabei jedoch nicht für alle untersuchten Gesteinskörnungen als geeignet erwiesen. Bei langsam reagierenden Gesteinen vom Typ „slow/late“ werden Ergänzungen zum Verfahrensablauf der Betonversuche vorgeschlagen, welche bei erkennbaren Anfangsschädigungen eine Verlängerung der Prüfdauer zur Folge haben. Die untersuchten Performance-Prüfungen haben sich für die Bewertung von Betonen mit moderaten Zementgehalten (z ≤ 350 kg/m³) sowohl ohne als auch mit Alkalizufuhr grundsätzlich als geeignet erwiesen. Auf dieser Basis kann daher zukünftig auch für die Feuchtigkeitsklasse WA die Möglichkeit eröffnet werden, Betone mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen EIII-S durch Performance-Prüfungen mit externer Alkalizufuhr zu bewerten. Bei der Feuchtigkeitsklasse WF kann zudem bei moderaten Zementgehalten und gleichzeitiger Verwendung von NA-Zementen auf eine Performance-Prüfung verzichtet werden, da die Gesamtalkaligehalte unter diesen Randbedingungen nachweislich weit auf der sicheren Seite liegen. Unter ungünstigen Randbedingungen (höhere Ausgangsalkaligehalte bei z > 350 kg/m³) bestehen jedoch Bedenken, dass mit den Performance-Prüfungen bei der Prüfdauer von maximal 1 Jahr langfristige Prozesse adäquat abgebildet werden können. Dieses verbleibende Restrisiko muss im Hinblick auf die sehr lange Nutzungsdauer von Verkehrswasserbauwerken angemessen berücksichtigt werden. Von der Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Betonen mit höheren Alkali- bzw. Zementgehalten wird daher bei langlebigen Wasserbauwerken vorsorglich abgeraten. BAW DOKUMENTATION FuE-ABSCHLUSSBERICHT (1) Titel BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Kußmaulstraße 17, 76187 Karlsruhe Wedeler Landstraße 157, 22559 Hamburg FuE Abschlussbericht Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen (2) Ort (3) Wasserstr.-Nr. (5) Projektleiter Dr. Reschke (6) Bearbeiter Dr. Reschke (4) Kilometer von bis (10) aufgestellt am Juni 2015 (7) Mitarbeiter (8) Auftrags-Nr. A39510370009 (9) Auftragsdatum 01.12.2010 (11) Seitenzahl 30 (12) Sonderhinweise (13) Kurzfassung Durch vergleichende Untersuchungen mit Nebelkammerversuchen gemäß Alkali-Richtlinie wurde die Eignung bestehender und neu entwickelter Schnellprüfverfahren, sowie die Eignung von in den letzten Jahren entwickelten Performance-Prüfverfahren ohne und mit Alkalizufuhr für verschiedene Gesteinskörnungen und Betone unter den spezifischen Beanspruchungen im Verkehrswasserbau untersucht. Für die sichere Bewertung von Gesteinskörnungen erwies sich die zweistufige Vorgehensweise gemäß Alkali-Richtlinie (1. Stufe Prismenschnellversuch, 2. Stufe Betonversuch) grundsätzlich als zielführend. Der zusätzlich in der 1. Stufe mit einbezogene chemische Schnelltest (BTU-SP) hat sich dabei jedoch nicht für alle untersuchten Gesteinskörnungen als geeignet erwiesen. Bei langsam reagierenden Gesteinen vom Typ „slow/late“ werden Ergänzungen zum Verfahrensablauf der Betonversuche vorgeschlagen, welche bei erkennbaren Anfangsschädigungen eine Verlängerung der Prüfdauer zur Folge haben. Die untersuchten Performance-Prüfungen haben sich für die Bewertung von Betonen mit moderaten Zementgehalten (z ≤ 350 kg/m³) sowohl ohne als auch mit Alkalizufuhr grundsätzlich als geeignet erwiesen. Auf dieser Basis kann daher zukünftig auch für die Feuchtigkeitsklasse WA die Möglichkeit eröffnet werden, Betone mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen EIII-S durch Performance-Prüfungen mit externer Alkalizufuhr zu bewerten. Bei der Feuchtigkeitsklasse WF kann zudem bei moderaten Zementgehalten und gleichzeitiger Verwendung von NA-Zementen auf eine Performance-Prüfung verzichtet werden, da die Gesamtalkaligehalte unter diesen Randbedingungen nachweislich weit auf der sicheren Seite liegen. Unter ungünstigen Randbedingungen (höhere Ausgangsalkaligehalte bei z > 350 kg/m³) bestehen jedoch Bedenken, dass mit den Performance-Prüfungen bei der Prüfdauer von maximal 1 Jahr langfristige Prozesse adäquat abgebildet werden können. Dieses verbleibende Restrisiko muss im Hinblick auf die sehr lange Nutzungsdauer von Verkehrswasserbauwerken angemessen berücksichtigt werden. Von der Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Betonen mit höheren Alkali- bzw. Zementgehalten wird daher bei langlebigen Wasserbauwerken vorsorglich abgeraten. (14) Standort Archiv B3 (15) Archiv-Nr. Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Problemstellung und Ziel 1 1.1 1.2 1.3 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens Bedeutung für die WSV Untersuchungsziel 1 1 2 2 2.1 Untersuchungsmethoden Allgemeines Konzept 2 2 3 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 3.3.5 3.3.6 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.5 Untersuchungsdurchführung Untersuchungsumfang und beteiligte Institutionen Ausgangsstoffe Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnungen Natronlaugetest der Sande Petrografische Charakterisierung der Gesteinskörnungen Löslichkeitstest (BTU-SP-Test) Mörtelschnelltests nach Alkali-Richtlinie Allgemeines Referenzprüfverfahren Alternativverfahren Betonprüfungen nach Alkali-Richtlinie Zusammenfassung der Prüfungen an Gesteinskörnungen Bewertung von Betonen durch Performance-Prüfungen Zusammensetzung der Betone Performance-Prüfung mittels Nebelkammerversuch 40°C Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung Lichtmikroskopische Untersuchungen an Dünnschliffen Zusammenfassung Performance-Prüfungen an Betonen Bewertung der Alkalizufuhr an Bauwerken 3 3 4 5 5 5 6 8 8 8 9 12 15 16 16 17 18 22 23 24 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 Schlussfolgerungen Bewertung von Gesteinskörnungen Bewertung von Betonen für Wasserbauwerke durch Performance-Prüfungen Feuchtigkeitsklasse WF Feuchtigkeitsklasse WA Anpassung der Regelungen für Wasserbauwerke 25 25 26 26 27 28 -I- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bildverzeichnis Seite Bild 1 Grafische Bewertung BTU-SP-Schnelltest 7 Bild 2 Dehnung der Prismen Fraktion 2/8 mm 8 Bild 3 Dehnung der Prismen Fraktion 8/16 mm 9 Bild 4 Dehnungen Mörtelschnelltest GK1 (Bericht Anlage 2, Bild 4.1) 10 Bild 5 Dehnungen Mörtelschnelltest GK2 (Bericht Anlage 2, Bild 4.2) 10 Bild 6 Dehnungen Mörtelschnelltest GK3 (Bericht Anlage 2, Bild 4.3) 11 Bild 7 Dehnungen Mörtelschnelltest GK4 (Bericht Anlage 2, Bild 4.4) 11 Bild 8 Dehnungen Betonversuch 40°C-Nebelkammer 12 Bild 9 Rissbild Würfel GK1 13 Bild 10 Rissbild Würfel GK4 13 Bild 11 Rissbild Würfel GK3 14 Bild 12 Überblick Ergebnisse Betonversuche in der 40°C-Nebelkammer 14 Bild 13 Dehnungen Performance-Prüfung in der 40°C-Nebelkammer (WF) 17 Bild 14 Schema Prüfablauf für einen Prüfzyklus 18 Bild 15 Messeinrichtung und Prüfeinrichtung (FIB-Klimawechselkammer) 19 Bild 16 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 1 20 Bild 17 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 2 20 Bild 18 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 3 21 Bild 19 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 4 21 Bild 20 Dünnschliff Beton 2 (links, Kieselschiefer) und Beton 4 (rechts, Grauwacke) 23 Bild 21 Alkaliprofile von Betonen bei Meerwasserbeaufschlagung 24 - II - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Tabellenverzeichnis Seite Tabelle 1 Überblick Untersuchungsumfang 3 Tabelle 2 Überblick Ausgangsstoffe Gesteinskörnung und Zement 4 Tabelle 3 Alkaligehalt der Zemente 4 Tabelle 4 Ergebnis Natronlaugetest (Bericht Anlage 2, Tabelle 4.2) 5 Tabelle 5 Ergebnis petrografische Charakterisierung (Bericht Anlage 2, Tabelle 4.3) 5 Tabelle 6 Ergebniszusammenstellung BTU-SP-Schnelltest 6 Tabelle 7 Ergebniszusammenstellung Prüfungen an Gesteinskörnungen 15 Tabelle 8 Zusammensetzung der Betone für die Performance-Prüfungen 16 Tabelle 9 Anforderungen an den Alkaligehalt der Betone für die Klasse WF 26 Anlagenverzeichnis Anlage 1 Prüfberichte BTU-SP-Schnelltests Anlage 2 Prüfbericht Performance-Prüfungen FIB Weimar, FIB-AN 336-10 - III - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 1 1.1 Problemstellung und Ziel Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens Bei Wasserbauwerken aus Beton sind aufgrund der i.d.R. massigen Bauteile und der Durchfeuchtung optimale Reaktionsbedingungen für eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) gegeben. Bei Bauwerken im Meerwasserbereich und Bauteilen mit Tausalzeinwirkung kommt noch eine zusätzliche Gefährdung durch Alkalizufuhr von außen hinzu. Da die Reaktion meist sehr langsam verläuft, können Schäden auch erst nach Jahren oder Jahrzehnten der Nutzung auftreten. Bei AKR-Schäden ist eine Instandsetzung der betroffenen Bauteile jedoch kaum möglich, es kann nur der weitere Schadensprozess gestoppt bzw. verzögert werden /1/. Im Hinblick auf die lange Nutzungsdauer von Wasserbauwerken sind diese Schäden daher besonders kritisch zu werten, da nach Schadensbeginn meist noch ein langer Nutzungszeitraum ansteht. Aktuelle Schadensfälle zeigen, dass mit dem bestehenden Regelwerk (Alkali-Richtlinie des DAfStb /2/) alkaliempfindliche Bestandteile nicht bei allen in Deutschland verwendeten Gesteinskörnungen erkannt und bewertet werden können. Für Gesteinskörnungen aus bestimmten Regionen (z.B. Kiese aus dem mitteldeutschen Raum) wurden daher bereits ergänzende Regelungen für den Geschäftsbereich der WSV erlassen, um das Risiko weiterer Schäden zu minimieren /3/. Insbesondere für langsam reagierende Gesteine („slow/late“Gesteine) erscheinen neue bzw. modifizierte Prüfverfahren erforderlich, da die bislang angewendeten Prüfverfahren entsprechende Schadensmechanismen möglicherweise nicht hinreichend abbilden. U.a. wird vermutet, dass die Untersuchungsdauer der üblichen Betonprüfungen („Nebelkammerversuche“) für die Bewertung langsam reagierender Gesteinsarten nicht ausreicht. Bei einer zusätzlichen Alkalizufuhr von außen werden einige Gesteinskörnungen daher momentan generell von der Verwendung ausgeschlossen, weil angepasste Performance-Prüfungen für Verkehrswasserbauwerke nicht zur Verfügung stehen. 1.2 Bedeutung für die WSV Nur durch eine sichere Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen im Vorfeld von Bau- und Instandsetzungsmaßnahmen sowie darauf abgestimmte Verwendungsregeln kann die für Verkehrswasserbauwerke aus Beton erforderliche hohe Dauerhaftigkeit gewährleistet werden. Nutzungseinschränkungen und Instandsetzungen bzw. der Ersatzneubau AKR-geschädigter Betonbauwerke können dann entfallen. Gegenüber der bisherigen Vorgehensweise kann zudem der im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit oft nachteilige und möglicherweise ungerechtfertigte Austausch örtlich verfügbarer, aber nicht sicher bewertbarer Gesteinskörnungen vermieden werden. -1- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 1.3 Untersuchungsziel Um zukünftig AKR-Schäden an Betonbauwerken zu vermeiden und Gesteinskörnungen wirtschaftlich einzusetzen, sind Verfahren für eine Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit bislang nicht sicher bewertbarer Gesteinskörnungen zu entwickeln bzw. zu modifizieren sowie Verwendungsregeln zu erarbeiten, welche die Randbedingungen und die Nutzungsdauer von Verkehrswasserbauwerken berücksichtigen. 2 Untersuchungsmethoden 2.1 Allgemeines Konzept Durch vergleichende Untersuchungen mit Nebelkammerversuchen gemäß Alkali-Richtlinie /2/ soll die Eignung bestehender und neu entwickelter Schnellprüfverfahren /4/ für verschiedene Gesteinskörnungen bewertet sowie bei Bedarf eine Modifikation der Verfahren abgeleitet werden. Des Weiteren sollen in den letzten Jahren entwickelte PerformancePrüfverfahren /5/, /6/, welche u.a. auch eine nachträgliche Alkalizufuhr berücksichtigen, an die spezifischen Beanspruchungen im Wasserbau angepasst und ebenfalls einbezogen werden. Folgende Prüfverfahren sollen vergleichend zur Anwendung kommen: 1. Prismenschnelltest Referenzverfahren (Teil 3 der Alkali-Richtlinie) 2. Prismenschnelltest nach Alternativverfahren (Anhang der Alkali-Richtlinie) 3. Löslichkeits-Porositäts-Test der BTU Cottbus (BTU-SP-Schnelltest) 4. 40°C-Nebelkammerversuch am Beton (Teil 3 der Alkali-Richtlinie) 5. Performance-Prüfung für die Feuchtigkeitsklasse WF (massige Bauteile, feucht) 6. Performance-Prüfung für die Feuchtigkeitsklasse WA (zusätzliche Alkalizufuhr) Als Gesteinskörnungen sollen verschiedene bislang nicht nach Alkali-Richtlinie bewertbare Gesteinskörnungen (i.d.R. mitteldeutsche Kiese) eingesetzt werden. Für die PerformancePrüfungen sollen in der Praxis übliche Betonzusammensetzungen verwendet werden (Rezepturen aus Bauvorhaben der WSV). Alle Ausgangsstoffe (Zement, Zusatzstoffe, Gesteinskörnungen) werden durch die üblichen Stoffprüfungen charakterisiert. Für die Zuordnung der Gesteinsarten sowie deren alkaliempfindliche Bestandteile soll vor Beginn der Laboruntersuchungen eine petrografische Bewertung der Gesteinskörnungen erfolgen. Nach Abschluss der Vergleichsprüfungen soll zusätzlich zu den jeweiligen Bewertungskriterien der Prüfverfahren 1. bis 6. eine verifizierende Dünnschliffmikroskopie evtl. Schadensmerkmale (u.a. Reaktionsprodukte, Mikrorisse) erfolgen. -2- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3 Untersuchungsdurchführung 3.1 Untersuchungsumfang und beteiligte Institutionen Die Untersuchungen konnten nur zum Teil im Baustofflabor B3 der BAW durchgeführt werden, da hier nicht alle erforderlichen Prüfeinrichtungen zur Verfügung standen. Folgende weitere Institutionen waren an den Untersuchungen beteiligt: Mit der Durchführung des neu entwickelten BTU-SP-Schnelltests /4/ wurde die Forschungs- und Materialprüfanstalt der Brandenburgisch Technischen Universität (BTU) Cottbus beauftragt. Die Ergebnisberichte dieser Prüfungen sind für alle untersuchten Gesteinskörnungen in Anlage 1 zusammengestellt. Die Bewertung des AKR-Schädigungspotenzials von 4 wasserbautypischen Betonen auf der Basis von Performance-Prüfungen sowie weiterer Untersuchungsverfahren wurden vom F.A.Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB) der Bauhaus-Universität Weimar durchgeführt. Das zu diesen Untersuchungen vorgelegte Gutachten FIB-AN 336-10 vom 30.05.2013, welches auch eine Verfahrensbeschreibung der als Performance-Verfahren angewendeten FIB-Klimawechsellagerung /5/ enthält, ist als Anlage 2 beigefügt. Ein Gesamtüberblick der von den jeweiligen Institutionen durchgeführten Prüfungen ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Untersuchungsverfahren BAW Karlsruhe Ausgangsstoffprüfungen X Prismenschnelltest Rili T3 Referenzverfahren X BTU Cottbus X Prismenschnelltest Rili T3 Alternativverfahren X BTU-SP-Schnelltest X Natronlauge-Kochversuch Rili T2 X Betonversuch Rili T3 X 40°C Nebelkammer Performance-Prüfung 40°C-Nebelkammer Performance-Prüfung FIB-Klimawechsellagerung Tabelle 1 FIB Weimar WF (X) X WF X WA X Überblick Untersuchungsumfang -3- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.2 Ausgangsstoffe Auf der Basis von für aktuelle Baumaßnahmen der WSV geplanten Betonrezepturen wurden 4 Gesteinskörnungen aus dem mitteldeutschen Raum sowie 3 Zemente in die Untersuchungen einbezogen. Gesteinskörnung Bez. Werk Zement Körnung Baumaßnahme WSV Bez. Art Z1 CEM III/A 32,5 N LH/NA Eisenhüttenstadt Z2 CEM I 42,5 N Königswusterhausen Lieferung 1 Z3 CEM II/A-M (S-LL) 42,5 R Rüdersdorf CEM I 42,5 N Königswusterhausen Lieferung 2 Schleuse Z4 CEM I 32,5 R Prüfzement nach (Na2O-Äqu. 1,3 M.-%) Alkali-Richtlinie 0/2 GK1 Burg 2/8 8/16 Wehranlage Quitzöbel 0/2 GK2 2/8 Parey 8/16 16/32 Hohensaaten GK3 0/2 2/8 Mühlberg 8/16 Schleuse Wusterwitz Schiffshebewerk Niederfinow 0/2 GK4 2/8 Schlagsdorf 8/16 16/32 Z5 Tabelle 2 Kersdorf Überblick Ausgangsstoffe Gesteinskörnung und Zement Neben dem Überblick ist der Tabelle die Zuordnung der im weiteren Bericht verwendeten Schlüsselbezeichnungen der Ausgangsstoffe zu entnehmen. Im Hinblick auf die Bewertung des Reaktionspotenzials der untersuchten Betonrezepturen wurde an den Zementen der Alkaligehalt bestimmt. Bez. Z1 Z2 / Z4 Z3 Z5 Na2O 0,36 0,58 0,29 - K2O 0,75 0,78 0,98 - Na2O-Äqu. 0,85 1,09 0,93 1,30 Tabelle 3 Alkaligehalt der Zemente Die Eigenschaften der Gesteinskörnungen werden im folgenden Abschnitt erörtert. -4- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.3 3.3.1 Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnungen Natronlaugetest der Sande An den feinen Gesteinskörnungen wurde vom FIB Weimar jeweils an der Prüfkornklasse 1/2 mm ein Natronlaugetest gemäß Alkali-Richtlinie Teil 2 durchgeführt. Tabelle 4 Ergebnis Natronlaugetest (Bericht Anlage 2, Tabelle 4.2) Bei allen Gesteinskörnungen ergaben sich Masseverluste deutlich unterhalb des Grenzwerts von 0,5 M.-%, so dass die Sande als unbedenklich (EI-O bzw. EI-OF) einzustufen sind. 3.3.2 Petrografische Charakterisierung der Gesteinskörnungen An jeweils 2 Kornfraktionen (2/8 mm und 8/16 mm) der Kiese wurde vom FIB Weimar eine petrografische Charakterisierung gemäß DIN EN 932-3 durchgeführt. Tabelle 5 Ergebnis petrografische Charakterisierung (Bericht Anlage 2, Tabelle 4.3) -5- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Auf der Basis der petrografischen Beurteilung der Korngruppe 8/16 mm wurden die höchsten Anteile an erfahrungsgemäß potentiell alkalireaktiven Gesteinsarten (rd. 40 %) bei den Gesteinskörnungen GK1, GK2 und GK4 gefunden. Bei der Gesteinskörnung GK3 war dieser Anteil mit rd. 35 % etwas geringer. Eine Bewertung der tatsächlichen Alkalireaktivität ist jedoch erst nach weitergehenden Untersuchungen (z.B. Rohdichte der Flinte, Löslichkeit der Kieselsäurehaltigen Bestandteile) möglich. 3.3.3 Löslichkeitstest (BTU-SP-Test) An den Kornfraktionen 2/8 mm, 8/16 mm und z.T. 16/32 mm wurde von der BTU Cottbus der BTU-SP-Schnelltest /4/ durchgeführt. Der Test besteht aus einem chemischen und einem physikalischen Teil: 1. Im chemischen Teil wird der maximale Kieselsäureüberschuss SiO2,üb durch eine Lösungsanalyse ermittelt. Bei dieser korngrößen- und zeitabhängigen Untersuchungsmethode werden die Gehalte an SiO2 photometrisch und Al2O3 komplexometrisch bestimmt. Hierfür erfolgt die Lagerung der Kiese bei 80 °C in einer 0,1 m KOH-Lösung (pH=13) im Klimaschrank mit einer Gesamtlagerungsdauer von 14 Tagen. 2. Im physikalischen Teil wird mit Hilfe der Pyknometer Methode gemäß DIN 1097-6:2000 die offene Porosität Poffen an Gesteinskörnungen ermittelt. Nach Ermittlung der chemischen und physikalischen Kennwerte erfolgt die Berechnung des modifizierten Löse- und Porositätskennwertes SPAKR. Ein Wert von ≤ 0 bedeutet „nicht reaktiv“ (EI-S), ein Wert zwischen 0 und 1 bedeutet „grenzwertig“ und ein Wert > 1 „reaktiv“ (EIIIS). Die Prüfberichte für die untersuchten Gesteinskörnungen sind in Anlage 1 enthalten, die ermittelten Ergebnisse in der folgenden Tabelle zusammengestellt. 2/8 8/16 16/32 SiO2,üb Poffen SPAKR SiO2,üb Poffen SPAKR SiO2,üb Poffen SPAKR mg/l Vol.-% - mg/l Vol.-% - mg/l Vol.-% - GK1 403 2,85 2,18 440 2,95 2,45 GK2 483 3,69 2,14 571 3,16 3,55 658,00 2,66 4,92 GK3 84 2,73 -0,89 68 2,76 -1,08 GK4 312 3,20 0,92 386 3,25 1,61 Tabelle 6 Ergebniszusammenstellung BTU-SP-Schnelltest Zur besseren Veranschaulichung der Ergebnisse sind im folgenden Bild noch einmal die im Kennwert SPAKR implizierten Zusammenhänge für die Bewertung der Reaktivität in Abhängigkeit des Kieselsäureüberschusses und der offenen Porosität dargestellt. Die im Bild eingetragene rote Grenzlinie basiert auf einer Vielzahl von Untersuchungen an verschiedenen Gesteinsarten und wurde durch Korrelation mit den Dehnungen an Betonbalken im Nebel- -6- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 kammerversuch festgelegt. Alle Werte links der Grenzlinie werden als nicht reaktiv, alle Werte rechts der Grenzlinie als reaktiv eingestuft. A B C nicht reaktiv reaktiv Bild 1 Grafische Bewertung BTU-SP-Schnelltest Das Bewertungsdiagramm kann zudem in drei Bereiche aufgeteilt werden, welche ebenfalls Aussagen zur Interpretation der Ergebnisse liefern: Der erste Bereich A enthält alle Gesteinsproben, die Kieselsäureüberschüsse unterhalb von 100 mg/l besitzen und aufgrund dieses geringen chemischen Potenzials als „nicht reaktiv“ eingestuft werden. Im Bereich B mit Kieselsäureüberschüssen zwischen 100-400 mg/l lassen sich in Abhängigkeit der Porosität zwei getrennte Wertebereiche erkennen. Wertepunkte unterhalb der roten Grenzlinie mit begrenzter Porosität zeigen eine reaktive Gesteinskörnung an, Punkte über der Linie sind nicht reaktive Gesteine. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass Punkte nahe der Grenzlinie auf „slow/late“-Gesteine hinweisen. Bei Gesteinen mit einem Kieselsäureüberschuss von über 400 mg/l im Bereich C handelt es sich stets um AKR-empfindliche Gesteinskörnungen. Aufgrund des sehr hohen Kieselsäurelösevermögens spielt die offene Porosität hier keine Rolle bei der Beurteilung. Zusammenfassend sind nach dieser Methode die Gesteinskörnungen GK1, GK2 und GK4 als alkalireaktiv (EIII-S) einzustufen, die Gesteinskörnung GK3 als nicht reaktiv (EI-S). -7- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.3.4 3.3.4.1 Mörtelschnelltests nach Alkali-Richtlinie Allgemeines An allen Gesteinskörnungen wurden Mörtelschnelltests an Prismen gemäß Alkali-Richtlinie /2/ durchgeführt. Dabei kamen 2 Verfahren zum Einsatz: Im Baustofflabor der BAW erfolgte die Prüfung mit dem Referenzprüfverfahren gemäß Teil 3 der Richtlinie (14 d bei 80°C in NaOH), vom FIB Weimar wurde das Alternativverfahren nach Anhang A der Richtlinie (28 d bei 70°C über Wasser) angewendet. 3.3.4.2 Referenzprüfverfahren Von allen Gesteinskörnungen wurden die Fraktionen 2/8 mm und 8/16 mm geprüft. Die Ergebnisse sind in den nachfolgenden Bildern zusammengefasst. Bei allen Gesteinskörnungen wurde der Grenzwert von 1,0 mm/m Dehnung für unbedenkliche Gesteine bereits nach ca. 1 Woche Lagerungsdauer überschritten. Das Dehnungsverhalten der Prüfkornfraktionen 2/8 und 8/16 mm ist dabei nahezu identisch. Somit konnte anhand des Schnellprüfverfahrens keine Unempfindlichkeit nachgewiesen werden. Um eine Einordnung zu einer Alkaliempfindlichkeitsklasse zu ermöglichen, muss bei diesem Ergebnis gemäß Alkali-Richtlinie ein Betonversuch angeschlossen werden. Bild 2 Dehnung der Prismen Fraktion 2/8 mm -8- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 3 Dehnung der Prismen Fraktion 8/16 mm 3.3.4.3 Alternativverfahren Mit dem Alternativverfahren wurden am FIB Weimar bei allen Gesteinskörnungen nicht nur die groben Fraktionen 2/8 mm, 8/16 mm und 16/32 mm, sondern auch alle Sande 0/2 mm geprüft. Die Ergebnisse sind in den nachfolgenden aus dem Bericht in Anlage 2 entnommenen Bildern zusammengefasst. Analog dem Referenzprüfverfahren in Abschnitt 3.3.4.2 wurden mit den groben Fraktionen 2/8 und 8/16 mm nahezu identische Ergebnisse erzielt. Bei allen 4 Gesteinskörnungen wurde der Grenzwert von 1,5 mm/m spätestens nach 2 Wochen Lagerungsdauer überschritten. Die Enddehnung nach 28 Tagen betrug bei allen groben Gesteinskörnungen ≥ 2,0 mm/m. Nach einer Einteilung des FIB zur Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen für Fahrbahndecken aus Beton erfolgt damit eine Zuordnung als „Alkalireaktiv“, d.h. für den Fahrbahndeckenbau nicht geeignet. Gemäß Alkali-Richtlinie ist zunächst nur keine Unempfindlichkeit nachgewiesen, für eine Einordnung zu einer Alkaliempfindlichkeitsklasse muss ein Betonversuch angeschlossen werden. Bei der GK2 (Bild 5) ergab sich mit der Fraktion 16/32 mm ein davon abweichendes Ergebnis. Der Grenzwert von 2,0 mm/m wurde hier nicht überschritten, so dass diese Fraktion mit einer Enddehnung von 1,42 mm/m einer Alkaliempfindlichkeitsklasse EI-S (nicht reaktiv) zugeordnet werden kann. -9- Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 4 Dehnungen Mörtelschnelltest GK1 (Bericht Anlage 2, Bild 4.1) Bild 5 Dehnungen Mörtelschnelltest GK2 (Bericht Anlage 2, Bild 4.2) - 10 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 6 Dehnungen Mörtelschnelltest GK3 (Bericht Anlage 2, Bild 4.3) Bild 7 Dehnungen Mörtelschnelltest GK4 (Bericht Anlage 2, Bild 4.4) Mit den Sanden wurden systematisch geringere Enddehnungen < 2,0 mm/m erreicht. Da Sande gemäß Alkali-Richtlinie mit den Prismenverfahren nicht geprüft und zugeordnet werden dürfen, kann lediglich eine gutachtliche Bewertung erfolgen. Nach dieser Bewertung des FIB Weimar werden die Sande der GK2, GK3 und GK4 als ausreichend alkaliunempfindlich angesehen. Der Sand der GK1 wird hingegen als alkaliempfindlich bewertet. - 11 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.3.5 Betonprüfungen nach Alkali-Richtlinie Für alle Gesteinskörnungen wurde ein Betonversuch gemäß Teil 3 der Alkali-Richtlinie /2/ durchgeführt. Dafür wurden mit den Gesteinskörnungen GK1 bis GK4 und einem Prüfzement Z5 mit erhöhtem Alkaligehalt Betone ansonsten gleicher Zusammensetzung (z= 400 kg/m³, w/z= 0,45) hergestellt und für 9 Monate in einer 40°C-Nebelkammer gelagert. Während dieser reaktionsbeschleunigenden Lagerung wurden typische Schadensmerkmale einer AKR wie Treibrissbildungen und Dehnungen an den Probekörpern erfasst. Die abschließende Bewertung erfolgt gemäß den Kriterien der Alkali-Richtlinie. Der Grenzwert für die Dehnung liegt bei 0,6 mm/m, Würfelproben mit 30 cm Kantenlänge dürfen keine starke Rissbildung mit Rissweiten w ≥ 0,2 mm aufweisen. Das Ergebnis der Versuche ist in der folgenden Grafik anhand der mittleren Dehnungswerte sowie anhand einiger Bilder der Würfelproben dokumentiert. Bild 8 Dehnungen Betonversuch 40°C-Nebelkammer Anhand der Dehnungen kann die Gesteinskörnung GK1 eindeutig einer Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII-S (reaktiv) zugeordnet werden. Die Gesteinskörnungen GK2 und GK 4 erreichen den Grenzwert von 0,6 mm/m zum Ende der Lagerungsdauer, überschreiten ihn aber nicht. Daher ist eine eindeutige Zuordnung anhand der Dehnung allein nicht möglich. Es wird jedoch deutlich, dass eine Reaktivität vorhanden ist. Der langsame und späte Dehnungsanstieg weist zudem auf „Slow/late“-Gesteine hin. Die Gesteinskörnung GK3 weist nur eine geringe Dehnung auf, die zunächst keine nennenswerte Alkaliempfindlichkeit erwarten lässt. Eine endgültige Bewertung ist jedoch nur im Zusammenhang mit der Rissbildung möglich. - 12 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 9 Rissbild Würfel GK1 Die starken Treibrisse mit systematischen Rissbreiten > 0,5 mm sowie die starken Gelausscheidungen (nach Carbonatisierung weiß eingefärbt) bestätigen die erhebliche Reaktivität der Gesteinskörnung GK1. Bild 10 Rissbild Würfel GK4 Auch bei den Gesteinskörnungen GK2 und GK4, die anhand der Dehnung als „slow/late“Gesteine zugeordnet wurden, traten am Betonwürfel erhebliche Rissbildungen und zum Teil Gelausscheidungen auf. Im Bild ist das Rissbild des Würfels GK4 mit Rissbreiten von > 0,5 mm dokumentiert. Bereits ab Rissbreiten > 0,2 mm erfolgt gemäß Alkali-Richtlinie eine Zuordnung zur Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII-S. - 13 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 11 Rissbild Würfel GK3 Trotz der nur geringen Dehnung hat sich auch beim Würfel mit der Gesteinskörnung GK3 ab dem 4. Lagerungsmonat ein Netzrissbild entwickelt. Gelausscheidungen wurden nicht beobachtet. Das Rissbild ist zwar von der Struktur schwächer ausgebildet als bei den anderen Gesteinskörnungen, die Rissweite beträgt aber auch hier bis zu 0,4 mm, so dass diese Gesteinskörnung ebenfalls einer Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII-S zuzuordnen ist. Das abschließende Ergebnis im Hinblick auf die Bewertung der Untersuchungen anhand der Kriterien Dehnung und Rissweite sind in der folgenden Grafik zusammengestellt. Bild 12 Überblick Ergebnisse Betonversuche in der 40°C-Nebelkammer - 14 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.3.6 Zusammenfassung der Prüfungen an Gesteinskörnungen Für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen wurden alle gemäß Alkali-Richtlinie zur Verfügung stehenden Verfahren sowie zusätzlich ein chemischer Schnelltest (BTU-SP), welcher ursprünglich für die Bewertung von Grauwacken entwickelt wurde, angewendet. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick. GK1 2/8 mm GK2 8/16 mm 2/8 mm GK3 8/16 mm 2/8 mm GK4 8/16 mm 2/8 mm 8/16 mm Petrografie gemäß DIN EN 932-3 Anteil potentiell alkaliempfindlicher Gesteine 42 % 39 % 35 % 41 % BTU-SP-Schnelltest (SPAKR > 0)* SPAKR 2,18 2,45 2,14 3,55 -0,89 -1,08 0,92 1,61 2,00 2,07 1,92 1,99 2,18 Schnelltest Alkali-Richtlinie Referenzverfahren (Dehnung ≥ 1,0 mm/m)* ε in mm/m 1,91 1,55 1,86 1,95 1,91 Schnelltest Alkali-Richtlinie Alternativverfahren IFB (Dehnung ≥ 2,0 mm/m)* ε in mm/m 2,28 2,11 2,05 2,00 2,25 2,19 Betonversuch Alkali-Richtlinie (Dehnung > 0,6 mm/m; Rissweite w ≥ 0,20 mm)* ε in mm/m 0,82 0,60 0,43 0,59 w in mm 0,55 0,40 0,40 0,55 EIII-S EIII-S EIII-S * Bedingung für Alkaliempfindlichkeit, Wertung Prüfergebnis: alkaliempfindlich Bewertung gemäß Alkali-Richtlinie Alkaliempfindlichkeitsklasse Tabelle 7 EIII-S nicht alkaliempfindlich Ergebniszusammenstellung Prüfungen an Gesteinskörnungen Bei allen 4 Gesteinskörnungen wurden nach petrografischer Beurteilung größere Anteile potentiell alkaliempfindlicher Gesteine gefunden, welche eine Prüfung erforderlich machen. Die Prüfung der Alkaliempfindlichkeit erfolgte zunächst durch Schnellverfahren. Dabei wurden für die Gesteinskörnung GK3 verfahrensabhängig unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Gemäß dem chemischen Schnelltest BTU-SP wäre die Gesteinskörnung GK3 als nicht alkaliempfindlich einzustufen. Die Prismenschnelltests gemäß Alkali-Richtlinie ergaben hingegen für alle 4 Gesteinskörnungen kritische Dehnungswerte, welche eine weitergehende Untersuchung im Betonversuch erforderlich machen. - 15 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bei dem für die Bewertung maßgeblichen Betonversuch in der 40°C-Nebelkammer wird sowohl die infolge einer Treibreaktion initiierte Dehnung an Betonbalken (10 x 10 x 50 cm3), als auch die Treibrissbildung an massiven Proben (Würfeln mit 30 cm Kantenlänge) über einen Zeitraum von 9 Monaten bewertet. Unstrittig kritische Dehnungswerte wurden nur bei der Gesteinskörnungen GK1 erreicht. Bei der Gesteinskörnung GK 2 wurde der Grenzwert von 0,6 mm/m gerade erreicht, bei der Gesteinskörnung GK4 lag die Dehnung nach 9 Monaten knapp unterhalb des Grenzwertes. Bei der Gesteinskörnung GK3, welche gemäß BTUSP als alkaliunempfindlich einzustufen wäre, trat nahezu kein Dehnungsanstieg auf. Trotz dieser insgesamt geringen Dehnungen wurden bei allen 4 Gesteinskörnungen an den massiven Probekörpern (30-cm-Würfel) stärkere Rissbildungen festgestellt (siehe auch Bilder 9 bis 11), welche anhand der aufgetretenen Rissbreiten eine Zuordnung zur Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII-S bedingen. Der chemische Schnelltest (BTU-SP) hat sich damit nicht für alle untersuchten Gesteinskörnungen als geeignet erwiesen. Eine sichere Bewertung auch der „slow/late“-Gesteine war letztlich nur durch den Betonversuch gemäß Alkali-Richtlinie gegeben. 3.4 Bewertung von Betonen durch Performance-Prüfungen 3.4.1 Zusammensetzung der Betone Die Performance-Prüfungen sollen im Sinne einer Eignungsprüfung eine Bewertung der tatsächlichen Betonrezepturen unter praxisrelevanter Beanspruchung ermöglichen. Daher wurden Betonrezepturen aus aktuellen Bauvorhaben der WSV nachgestellt, bei welchen die in Abschnitt 3.2 beschriebenen Gesteinskörnungen und Zemente (siehe auch Tabellen 2 und 3) verwendet wurden. Die Mischungszusammensetzung der 4 untersuchten Betone ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Beton Zement Wasser Luft Gesteinskörnungen Bez. z w w/z LP Bez. 0/2 - kg/m³ kg/m³ - % - 1 Z1* 360 163 0,45 1,5 GK1 724 2 Z2 350 161 0,46 5,5 GK2 3 Z3 430 172 0,40 1,5 4 Z4 335 160 0,48 5,5 2/8 8/16 16/32 390 743 - 694 199 438 473 GK3 666 426 674 - GK4 629 359 359 449 kg/m³ * NA-Zement Tabelle 8 Zusammensetzung der Betone für die Performance-Prüfungen Bei allen Betonen wurden Gesteinskörnungen verwendet, die gemäß den Untersuchungen in Abschnitt 3.3.6 als alkaliempfindlich (EIII-S) einzustufen sind. Für Betone mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen sind Maßnahmen zur Schadensvermeidung einzuhalten, die in - 16 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 der Alkali-Richtlinie /2/ festgelegt sind und durch den jeweils aktuellen Einführungserlass des BMVI /3/ ergänzt werden. Als deskriptive Maßnahme wird zunächst der Alkaligehalt begrenzt (Begrenzung Zementgehalt, Verwendung von NA-Zement), bei höheren Zementgehalten wird generell eine Performance-Prüfung gefordert. Bei allen 4 Betonen der Tabelle 8 wurden im Rahmen dieser Untersuchungen die für Wasserbauwerke relevanten Anforderungen an die Begrenzung des Alkaligehalts bewusst nicht eingehalten, so dass deren Eignung sowohl für die Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA nur durch Performance-Prüfungen nachgewiesen werden kann. (Nach den etwas geringeren Anforderungen der Alkali-Richtlinie /2/ wären für die Betone 1, 2 und 4 bei der Feuchtigkeitsklasse WF keine Performance-Prüfungen erforderlich gewesen, bei der Feuchtigkeitsklasse WA jedoch analog zu den Wasserbauregelungen /3/ für alle 4 Betone.) 3.4.2 Performance-Prüfung mittels Nebelkammerversuch 40°C Für die Beurteilung von Betonzusammensetzungen durch die BAW wurden bei einer Alkaliempfindlichkeitsklasse WF (ohne äußere Alkalizufuhr) bislang stets Nebelkammerversuche in Anlehnung an den Betonversuch der Alkali-Richtlinie durchgeführt. Damit wird für die tatsächliche Betonzusammensetzung eine entsprechende Feuchtebeanspruchung unter reaktionsbeschleunigenden Bedingungen bei 40°C realisiert. Daher wurden einige Betone der Tabelle 8 (Betone 1, 2 und 3) zunächst mit diesem Verfahren geprüft, um die Gleichwertigkeit mit dem Performance-Verfahren mittels FIB-Wechsellagerung (Abschnitt 3.4.3) bewerten zu können. Das Ergebnis ist in der folgenden Grafik anhand der mittleren Dehnungswerte dokumentiert. Bild 13 Dehnungen Performance-Prüfung in der 40°C-Nebelkammer (WF) - 17 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Analog der Richtlinienprüfung werden während der Nebelkammerlagerung typische Schadensmerkmale einer AKR wie Treibrissbildungen und Dehnungen an den Probekörpern erfasst, und diese gemäß den Kriterien der Alkali-Richtlinie bewertet (Grenzwert für die Dehnung 0,6 mm/m, keine starke Rissbildung mit Rissweiten w ≥ 0,2 mm am 30-cm-Würfel). Wie das Diagramm zeigt, trat bei keinem der 3 Betone eine auf ein Alkalitreiben hinweisende Dehnung auf. Auch an den 30-cm-Würfeln traten bis zum Lagerungsende nach 9 Monaten keine Rissbildungen auf. Somit ergaben sich keine Hinweise auf eine AKR, welche einer Verwendung der Betone bei der Feuchtigkeitsklasse WF entgegenstehen würden. 3.4.3 Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung Weitergehende Performance-Prüfungen mit den in Tabelle 8 beschriebenen Betonen, bei welchen in Anlehnung an die tatsächlichen Beanspruchungen von Wasserbauwerken neben der Feuchtebeanspruchung (WF) auch eine Frost-Tauwechsel-Beanspruchung sowie insbesondere eine externe Alkalizufuhr (WA) realisiert werden, wurden vom F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB) der Bauhaus-Universität Weimar durchgeführt. Die genaue Beschreibung des Prüfablaufs mit diesem Performance-Verfahren (FIB-Klimawechsellagerung /5/) kann Anlage 2, Abschnitt 4.5, entnommen werden. Nachfolgend ist der Ablauf noch einmal kurz beschrieben: Bild 14 Schema Prüfablauf für einen Prüfzyklus Jeder Lagerungszyklus dauert 3 Wochen und umfasst neben einer Trocken- und FeuchtWarm-Lagerung (Nebel) auch mehrere Frost-Tau-Wechsel. - 18 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Als Proben wurden je Beton 3 Balken mit den Abmessungen 10 x 10 x 40 cm³ hergestellt. Die Balken wurden an den Stirnseiten mit Messzapfen für die Dehnungsmessung versehen, sowie an der Oberseite durch ankleben eines Moosgummistreifens eine Aufstandsfläche für die Prüfflüssigkeit (Wasser oder 3 % NaCl-Lösung) geschaffen. Zusätzlich wurden als massige Prüfkörper Würfel mit 30 cm Kantenlänge hergestellt und ebenfalls für das Aufstehen der Prüfflüssigkeit präpariert. Mit dem in Bild 14 beschriebenen Prüfablauf wurde bei den Betonen 2, 3 und 4 im Alter von 7 Tagen, beim Beton 1 (langsame Festigkeitsentwicklung) im Alter von 28 Tagen nach der Herstellung begonnen. Unter Berücksichtigung der bei Wasserbauwerken sehr langen Nutzungsdauer wurde die Zyklenanzahl von 12 auf 16 erhöht. Die Bewertung erfolgte unter Berücksichtigung der Dehnung nach 16 Zyklen, des Dehnungsanstiegs zwischen dem 12. und 16. Zyklus, sowie in Kombination mit den mikroskopischen Untersuchungen (siehe auch Abschnitt 3.4.4). Prüfeinrichtung und Messeinrichtung sind im folgenden Bild dargestellt. Bild 15 Messeinrichtung und Prüfeinrichtung (FIB-Klimawechselkammer) Die Ergebnisse sind in den folgenden Bildern anhand der Dehnungen der Betonbalken jeweils vergleichend für die normale Feuchtebeanspruchung (WF, Prüfflüssigkeit Wasser, Dehnungsgrenzwert 0,4 mm/m) sowie für die Prüfung unter Alkalizufuhr (WA, Prüfflüssigkeit 3% NaCl-Lösung, Dehnungsgrenzwert 0,5 mm/m) vergleichend dargestellt. - 19 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 16 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 1 Bild 17 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 2 - 20 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bild 18 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 3 Bild 19 Dehnungen Performance-Prüfung FIB-Wechsellagerung für Beton 4 - 21 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bei normaler Feuchtebeanspruchung WF (Prüfflüssigkeit Wasser) ergaben sich weder anhand der Dehnungen noch anhand der Bewertung der 30-cm-Würfel (siehe Anlage 2) Hinweise auf eine Alkaliempfindlichkeit der Betone. Im Vergleich mit der normalen Nebelkammerlagerung (Abschnitt 3.4.2) kommt man zu einer übereinstimmenden Bewertung, d.h. die Verfahren sind als gleichwertig zu betrachten. Bei zusätzlicher Alkalizufuhr WA (Prüfflüssigkeit 3% NaCl) unterscheidet sich das Ergebnis in Abhängigkeit der Betonzusammensetzung: Der Beton 1 zeigte keinerlei Auffälligkeiten. Durch die Verwendung eines Hochofenzementes mit NA-Eigenschaft konnte trotz der offensichtlich alkaliempfindlichen Gesteinskörnung GK1 eine schädigende Reaktion wirksam verhindert werden. Für den Beton 3 ergaben sich durch die bis zum Ende der Prüfdauer langsam ansteigende Dehnung zwar Hinweise auf ein mögliches Treibpotenzial, die Dehnung ist jedoch insgesamt so gering, dass Rissbildungen am Bauwerk kaum zu erwarten sind. Dies deckt sich einerseits mit der insgesamt nur sehr geringen Reaktivität der Gesteinskörnung GK3, andererseits wirkt sich die Verwendung des Hüttensandhaltigen CEM II-Zementes Z2 mit moderatem Alkaligehalt begünstigend aus. Bei den Betonen 2 und 4 ist dagegen ein sehr deutlicher Dehnungsanstieg zu verzeichnen, der unmittelbar nach dem 12. Zyklus zu einer Überschreitung des Grenzwertes führte. Bei erreichen solch hoher Dehnungswerte (> 0,6 mm/m) muss erfahrungsgemäß auch am Bauwerk mit Rissbildungen infolge AKR gerechnet werden. Entsprechend wurde auch an den massigen 30-cm-Würfeln eine beginnende Rissbildung detektiert. Dieses Ergebnis erscheint plausibel, da in den Betonen bereits erhöhte Mengen an Alkalien vorlagen (Portlandzemente Z2 bzw. Z4, Na2O-Äqu. 1,09 M.-%) und bei zusätzlicher Alkalizufuhr offenbar ein kritischer reaktionsauslösender Wert überschritten wurde. 3.4.4 Lichtmikroskopische Untersuchungen an Dünnschliffen Nach 16 Prüfzyklen wurde aus je einem Prüfkörper ein Dünnschliff 60 x 100 mm² gewonnen und hinsichtlich typischer AKR-Merkmale (Anlösung von Körnern, Rissbildungen in Körnern und/oder Matrix, Phasenneubildungen (AKR-Gel) in Poren und Rissen) im Polarisationsmikroskop bewertet (siehe Anlage 2, Abschnitt 4.6). Durch diese Untersuchungen konnten die Ergebnisse der Dehnungsmessungen prinzipiell bestätigt werden. Beim Beton 1 wurden keine der vorgenannten Merkmale festgestellt. Beim Beton 3 wurden bei Alkalizufuhr geringe Gelbildungen in Poren gefunden. Diese zeigen zwar eine schwache Reaktivität bestimmter Gesteinskörnungsbestandteile an (gestresste Quarzkörner, Flintkörner), führten aber nicht zu Strukturdefekten der Matrix. - 22 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Bei den Betonen 2 und 4 zeigten sich dagegen AKR-Merkmale bereits ohne Alkalizufuhr (Anlöseerscheinungen, geringe Gelbildung in Poren). Bei zusätzlicher Alkalizufuhr traten diese Merkmale dann deutlich verstärkt auf (Poren mit AKR-Gel gefüllt) und es zeigten sich eindeutige Strukturdefekte (Rissbildungen von Körnern und in der Matrix, teilweise mit AKRGel gefüllt). Betroffene Gesteinskörnungen waren neben Flint und Grauwacke gestresste Quarz-, Rhyolith-, Kieselschiefer- und Sandsteinkörner. Bild 20 Dünnschliff Beton 2 (links, Kieselschiefer) und Beton 4 (rechts, Grauwacke) mit Rissbildungen der Körner und Gelansammlungen in Poren und Rissen 3.4.5 Zusammenfassung Performance-Prüfungen an Betonen An 4 wasserbautypischen Betonen (siehe Tabelle 8) wurden Performance-Prüfungen nach 2 Verfahren durchgeführt: (a) einer Nebelkammerlagerung bei 40°C in Anlehnung an die Alkalirichtlinie und (b) einer Klimawechsellagerung, bei welcher in Anlehnung an die tatsächlichen Beanspruchungen von Wasserbauwerken neben den wechselnden Feuchtebedingungen auch eine Frost-Tauwechsel-Beanspruchung sowie bei Bedarf eine externe Alkalizufuhr realisiert wurde. Bei den Prüfungen ohne Alkalizufuhr (Feuchtigkeitsklasse WF) erwiesen sich alle 4 Betone sowohl mit dem Verfahren (a) Nebelkammerlagerung als auch dem Verfahren (b) FIBKlimawechsellagerung als geeignet. Bei den Prüfungen mit Alkalizufuhr (Feuchtigkeitsklasse WA), welche nur mit dem Verfahren (b) FIB-Klimawechsellagerung realisiert werden konnten, erwiesen sich nur die Betone 1 und 3 als geeignet, wobei beim Beton 3 Hinweise auf eine geringe Alkaliempfindlichkeit gefunden wurden. Die Betone 2 und 4 zeigten dagegen deutliche AKR-Merkmale. Durch die Bildung entsprechend großer Gelmengen und deren Expansion bei Feuchteaufnahme wurden Treibschäden am Beton initiiert. Die Betone 2 und 4 sind daher für eine Verwendung bei externer Alkalizufuhr nicht geeignet. - 23 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 3.5 Bewertung der Alkalizufuhr an Bauwerken Um zu bewerten, inwieweit es durch externe Alkalizufuhr tatsächlich zu einer Anreicherung von frei verfügbaren Alkalien im Beton kommt, wurde exemplarisch das Alkaliprofil von 2 Betonen untersucht, welche 23 Jahre durch Meerwasser (Ostsee und Nordsee) beaufschlagt wurden. Die Betone unterscheiden sich bei sonst gleicher Zusammensetzung nur durch das Bindemittel. Bei einem Beton wurde ein Portlandzement (CEM I), beim anderen ein Hochofenzement (CEM III) jeweils mit NA-Eigenschaft verwendet. Die in Abhängigkeit der Entnahmetiefe ermittelten löslichen Alkaligehalte sind in der folgenden Grafik für die beiden Betone dargestellt. Bild 21 Alkaliprofile von Betonen bei Meerwasserbeaufschlagung Der Grafik ist zu entnehmen, dass der Alkaligehalt bei beiden Betonen im Randbereich signifikant ansteigt. Unter Berücksichtigung des Alkaligehaltes der Ausgangsbetone (rechnerisch anhand der Alkaligehalte von NA-Zementen CEM I und CEM III bei dem bekannten Zementgehalt von 350 kg/m³) sowie einer Einbindung von Alkalien in Hydratationsprodukte kann näherungsweise abgeschätzt werden, dass in den rd. 23 Jahren Meerwasserbeaufschlagung eine Alkalianreicherung bis in Tiefen von etwa 6 cm stattgefunden hat. Damit belegt die Untersuchung, dass eine externe Alkalizufuhr an Meerwasserbauwerken bis in größere Tiefen stattfindet. Über geplante Nutzungsdauern von 80 bis 100 Jahren ist somit auch bei dichteren Betonen (z.B. mit Hochofenzementen) eine Alkalianreicherung zumindest über den gesamten Betondeckungsbereich wahrscheinlich. - 24 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 4 Schlussfolgerungen 4.1 Bewertung von Gesteinskörnungen Bei den untersuchten Kiesen konnten anhand der petrografischen Charakterisierung gemäß DIN EN 932-3 verschiedene in Deutschland als potentiell alkaliempfindlich bekannte Gesteinsarten erkannt werden. Die Alkaliempfindlichkeit dieser Gesteinsarten wurde im Rahmen der Lichtmikroskopischen Untersuchungen (Abschnitt 3.4.4) bestätigt. Basierend auf der Petrografie sowie unter Berücksichtigung der geografischen Zuordnung der Gewinnungsstätten wurde daher - analog zur Alkali-Richtlinie - die weitere Vorgehensweise festgelegt. Da es sich nicht eindeutig um Gesteinskörnungen mit Opalsandstein und Flint (Norddeutschland und angrenzender Bereich) handelte, wurden für eine Bewertung der Alkaliempfindlichkeit die im Folgenden beschriebenen Prüfungen durchgeführt: Eine erste Bewertung erfolgte mit den Prismenschnelltests (Referenz- und Alternativverfahren). Beide Verfahren erwiesen sich auch bei den „slow/late“-Gesteinen als zuverlässig, im Rahmen einer 2-stufigen Bewertung eine Vorauswahl zu treffen. Für alle Gesteinskörnungen ergab sich anhand dieser Prüfungen eindeutig die Notwendigkeit von weiterführenden Betonversuchen. Maßgebend für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit waren die anschließenden Betonversuche in der Nebelkammer. Im Rahmen dieser Prüfung wurden zwar alle 4 Gesteinskörnungen als Alkaliempfindlich erkannt (EIII-S), für die „slow/late“-Gesteine konnte diese Zuordnung aber nur anhand der Rissbildungen an den massigen 30-cm-Würfeln erfolgen. Kritische Dehnungen wurden bei 2 dieser Gesteine (GK2 und GK4) erst zum Ende der 9 Monatigen Lagerungsdauer erreicht, bei einem Gestein (GK3) gar nicht festgestellt. Die Vorgehensweise gemäß Alkali-Richtlinie hat sich somit zwar grundsätzlich als geeignet erwiesen. Bei Hinweisen auf langsam reagierende Gesteine vom Typ „slow/late“ sind aber Ergänzungen zum Verfahrensablauf bei den Betonversuchen ratsam. In Abhängigkeit von erkennbaren Anfangsschädigungen sollte (sofern nach 9 Monaten noch keine sichere Zuordnung möglich ist) die Prüfdauer entsprechend verlängert werden: a) Bei Dehnungswerten unterhalb des Grenzwertes, die zwischen dem 6. und 9. Lagerungsmonat einen Anstieg erkennen lassen, ist die Prüfung der Balken und Würfel über 9 Monate hinaus zu verlängern, bis eine kontinuierliche Enddehnung erreicht ist bzw. die Grenzwerte (Dehnung oder/und Rissweite) überschritten werden. b) Bei Dehnungswerten im Grenzbereich (> 0,5 mm/m) und/oder nennenswerter Rissbildung an den Würfeln (Netzrisse w > 0,1 mm) ist die Prüfung der Balken und Würfel über 9 Monate hinaus um mindestens 3 Monate zu verlängern. - 25 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Der chemische Schnelltest (BTU-SP) hat sich nicht für alle untersuchten Gesteinskörnungen als geeignet erwiesen und sollte daher nicht für „slow/late“-Gesteine angewendet werden. Abgesichert ist die Anwendung dieses Verfahrens vor allem für Grauwacken. 4.2 Bewertung von Betonen für Wasserbauwerke durch PerformancePrüfungen 4.2.1 Feuchtigkeitsklasse WF Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, waren bei den untersuchten Betonen die für Wasserbauwerke relevanten vorbeugenden Maßnahmen für die Feuchtigkeitsklasse WF gemäß /3/, d.h. die aktuell zulässigen Alkaligehalte im Beton (Spalte „zulässig nach Erlass“), nicht eingehalten. Beton Gesteinskörnungen Zement Bez. Bez Art - - - Beton Na2OÄqu. 1) z Alkaligehalt Beton zulässig zulässig handen nach 2) Erlass nach 3) AKR-Rili vor- M.-% kg/m³ kg/m³ kg/m³ kg/m³ 0,85 360 3,06 ≤ 2,85 ! ≤ 3,32 ٧ 1 GK1 Z1 2 GK2 Z2 CEM I 1,09 350 3,85 ≤ 1,80 ! unbegrenzt 3 GK3 Z3 CEM II/A-M 0,93 430 3,99 ≤ 1,80 ! ≤ 2,58 ! 4 GK4 Z4 CEM I 1,09 335 3,68 ≤ 1,80 ! unbegrenzt CEM III/A 1) NA-Zement gemäß DIN 1164-10 2) Beton mit NA-Zement und z ≤ 300 kg/m³ gemäß /3/ 3) Beton mit NA-Zement ab z > 350 kg/m³ gemäß /2/ Tabelle 9 ٧ ٧ ٧ wird vom Beton erfüllt ! wird vom Beton nicht erfüllt Anforderungen an den Alkaligehalt der Betone für die Klasse WF Dennoch wurde die Performance-Prüfung bei allen Betonen sowohl mit dem Verfahren (a) Nebelkammerlagerung als auch dem Verfahren (b) FIB-Klimawechsellagerung bestanden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die in /3/ vorgegebenen Maßnahmen und die sich daraus ergebenden Grenzwerte für den Alkaligehalt sehr auf der sicheren Seite liegen. Diese insbesondere für die „slow/late“-Gesteine erhöhte Sicherheit erscheint - zumindest für Betone mit moderaten Zementgehalten - nach aktuellem Erkenntnisstand nicht mehr erforderlich. Grundsätzlich muss jedoch bei einer entsprechenden Anpassung der Regelungen beachtet werden, dass eine schädigende Reaktion nur durch Begrenzung des Alkaligehalts im Beton (Begrenzung des Zementgehaltes, Verwendung von NA-Zementen) unterbunden werden kann. Die in der Alkali-Richtlinie /2/ getroffene Regelung, den Alkaligehalt bei Zementgehalten ≤ 350 kg/m³ überhaupt nicht zu begrenzen (siehe Tabelle 9, Betone 2 und 4), wird daher als unzureichend eingeschätzt. - 26 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Für Wasserbauwerke der Feuchtigkeitsklasse WF können die über baupraktische Erfahrungen im Hoch- und Ingenieurbau bewährten Regelungen zur Schadensvermeidung mit Gesteinskörnungen EIII-S sinngemäß nur angewendet werden, wenn es sich um Betone mit moderaten Zementgehalten (z ≤ 350 kg/m³) und somit auf der sicheren Seite liegenden Gesamtalkaligehalten handelt. Unter diesen Voraussetzungen kann bei Verwendung von NAZementen auf eine Performance-Prüfung verzichtet werden. Bei höheren Zementgehalten besteht jedoch das Risiko, den Bereich dieser auf der sicheren Seite liegenden Gesamtalkaligehalte zu verlassen. Hieraus würde sich im Hinblick auf die sehr lange Nutzungsdauer von Verkehrswasserbauwerken unter den durchgehend reaktionsbegünstigenden Randbedingungen ein Restrisiko ergeben, welches über bisherige baupraktische Erfahrungen nicht ausreichend abgedeckt und auch mit Hilfe von PerformancePrüfungen momentan nicht hinreichend bewertbar ist. Bei Verkehrswasserbauwerken sollte die Verwendung von als EIII-S eingestuften Gesteinskörnungen in Betonen mit Zementgehalten > 350 kg/m³ daher ausgeschlossen werden. 4.2.2 Feuchtigkeitsklasse WA Gemäß Alkali-Richtlinie /2/ dürfen Gesteinskörnungen EIII-S bis zu einem Zementgehalt von 300 kg/m³ ohne Einschränkung, bei Zementgehalten zwischen 300 und 350 kg/m³ nur unter Verwendung von NA-Zement verwendet werden. Bei Verkehrswasserbauwerken dürfen dagegen bislang bei allen Bauteilen, die häufiger oder langzeitiger Alkalizufuhr von außen ausgesetzt sind (Feuchtigkeitsklasse WA), alkaliempfindliche Gesteinskörnungen EIII-S generell nicht verwendet werden /3/. Diese Regelung wurde als notwendig erachtet, da eine entsprechende Performance-Prüfung mit Alkali-Zufuhr nicht zur Verfügung stand. Die nun durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch eine externe Alkalizufuhr bei den Betonen 2 und 4 (Gesteinskörnungen GK2 und GK4, Portlandzement mit erhöhtem Alkaligehalt) eine schädigende AKR im Beton initiiert wurde. Bei einem weiteren Beton 3 (Gesteinskörnung GK3, sehr hoher Zementgehalt 430 kg/m³) wurden nach externer Alkalizufuhr eindeutige Hinweise einer Alkalireaktion gefunden, die im Untersuchungszeitraum jedoch nicht zu sichtbaren Schäden führten. Lediglich beim Beton 1 (Gesteinskörnung GK1, 360 kg/m³ NA-Zement) traten - trotz bei der Gesteinskörnungsprüfung eindeutig belegter Reaktivität - keine auf AKR zurückzuführenden Reaktionen auf. Somit hat sich diese Performance-Prüfung grundsätzlich als geeignetes Verfahren erwiesen, ein mögliches Reaktionspotenzial von Betonen bei externer Alkalizufuhr zu erkennen. Für Verkehrswasserbauwerke wird damit die Möglichkeit eröffnet, die Verwendbarkeit alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen EIII-S für konkrete Betonzusammensetzungen mit moderaten Zementgehalten (z ≤ 350 kg/m³) auf der Basis einer Performance-Prüfung zu bewerten. - 27 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Die Untersuchungen zeigen jedoch auch, dass unter ungünstigen Randbedingungen (erhöhter Zement- und somit Ausgangsalkaligehalt) bei der Prüfdauer von maximal 1 Jahr langfristige Schadensprozesse ggf. nicht adäquat abgebildet werden (Beton 3: Anfangsreaktion ohne sichtbaren Schaden). Im Hinblick auf die sehr langen Nutzungsdauern von Verkehrswasserbauwerken erscheint eine sichere Bewertung von Betonen mit als EIII-S eingestuften Gesteinskörnungen bei Zementgehalten > 350 kg/m³ mit Hilfe einer Performance-Prüfung nicht immer möglich, so dass deren Verwendung unter diesen Randbedingungen für die Feuchtigkeitsklasse WA generell auszuschließen ist. 4.3 Anpassung der Regelungen für Wasserbauwerke Mit den Untersuchungen konnte belegt werden, dass bei Betonen mit moderaten Zementgehalten (z ≤ 350 kg/m³) und bei Verwendung von NA-Zementen die Gesamtalkaligehalte so weit auf der sicheren Seite liegen, dass bei der Feuchtigkeitsklasse WF auch bei alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen EIII-S unter den vorgenannten Randbedingungen keinerlei Schäden zu erwarten und somit auf eine Performance-Prüfung verzichtet werden kann. Die angewendeten Performance-Prüfungen sowohl ohne als auch mit Alkalizufuhr haben sich für Betone mit moderaten Zementgehalten grundsätzlich als geeignete Bewertungsverfahren erwiesen. Bei der Prüfung von langsam reagierenden Gesteinen vom Typ „slow/late“ sind jedoch Ergänzungen zum Verfahrensablauf zu berücksichtigen (Verlängerung der Prüfdauer bei Hinweisen auf Reaktivität). Auf der Basis dieser Ergebnisse kann daher zukünftig auch für die Feuchtigkeitsklasse WA die Möglichkeit eröffnet werden, Betone mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen EIII-S durch Performance-Prüfungen mit externer Alkalizufuhr1 zu bewerten, solange die Zementgehalte 350 kg/m³ nicht übersteigen. Einschränkend ist jedoch festzuhalten, dass durch Performance-Prüfungen zwar die tatsächlichen Verhältnisse in der Betonzusammensetzung zum Herstellzeitpunkt wiedergegeben werden, bei der Prüfdauer von maximal 1 Jahr langfristige Prozesse im Beton jedoch unter ungünstigen Randbedingungen (höhere Ausgangsalkaligehalte) ggf. nicht adäquat zur tatsächlichen Bauwerkssituation abgebildet werden können. 1 Neben der im Rahmen dieses FuE-Vorhabens angewendeten FIB-Klimawechsellagerung /5/ wurden in den letzten Jahren umfangreiche Untersuchungen mit einer vom VDZ weiterentwickelten Performance-Prüfung /6/ durchgeführt, um Betone für den Fahrbahndeckenbau (Feuchtigkeitsklasse WS) zu bewerten. Dieses Verfahren ist nach aktuellen Erkenntnissen auch für die Bewertung von Betonen der Feuchtigkeitsklasse WA geeignet, in der Verfahrensbeschreibung sind entsprechende Grenzwerte angegeben /6/. Gegen eine alternative Anwendung dieses Verfahrens bestehen daher grundsätzlich keine Bedenken. - 28 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Dieses verbleibende Restrisiko muss im Hinblick auf die sehr lange Nutzungsdauer von Verkehrswasserbauwerken angemessen berücksichtigt werden. Von der Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen wird daher bei Betonen mit höheren Alkali- bzw. Zementgehalten (> 350 kg/m³) vorsorglich sowohl bei der Feuchtigkeitsklasse WS als auch bei der Feuchtigkeitsklasse WA abgeraten. Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe, Juni 2015 - 29 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Literatur /1/ Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Empfehlung für die Schadensdiagnose und Instandsetzung von Betonbauwerken, die infolge einer Alkali-KieselsäureReaktion geschädigt sind. Beton 53 (2003), Heft 9, S. 438-443. /2/ Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie „Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton“ (Alkali-Richtlinie), Ausgabe Februar 2007. /3/ Erlass WS 13/5257.6/2 vom 08.12.2010: Ergänzende Regelungen zur AlkaliRichtlinie, Ausgabe Februar 2007, für die Verwendung alkaliempfindlicher Kiese aus dem mitteldeutschen Raum im Geschäftsbereich der WSV. /4/ Bachmann, Hünger, Scholz, Hahn: BTU-SP-Schnelltest zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen. Beton 59 (2009), Heft 4, S. 138-143. /5/ Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C.: AKR-Prüfverfahren zur Beurteilung von Gesteinskörnungen und projektspezifischen Betonen. Beton 56 (2006), Heft 12, S. 574-581. /6/ Borchers, I; Müller, Ch.: Praxisgerechte Prüfung der Alkaliempfindlichkeit von Betonen für die Feuchtigkeitsklassen WF und WA in AKR-Performance-Prüfungen. Beton 64 (2014) 10, S. 403-409. - 30 - Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Bericht GK 1 Anlage 1.1 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.2 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.3 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Bericht GK 2 Anlage 1.4 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.5 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.6 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.7 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Bericht GK3 Anlage 1.8 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.9 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.10 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Bericht GK4 Anlage 1.11 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.12 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 1 – Ergebnisse BTU-Schnelltest Anlage 1.13 Bundesanstalt für Wasserbau FuE-Abschlussbericht AKR BAW-Nr. A39510370009 – Juni 2015 Anlage 2 – Prüfbericht Performance-Prüfungen FIB Weimar Anlage 2 F. A. FINGER INSTITUT FÜR BAUSTOFFKUNDE BAUHAUS UNIVERSITÄT WEIMAR Direktor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig Bauhaus-Universität Weimar · FIB · Coudraystraße 11 · 99421 Weimar Gutachten Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials von vier Betonzusammensetzungen zum Bau von Wasserbauwerken mittels AKR-Performance-Prüfung FIB-AN 336-10 Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau Abteilung Bautechnik Referat Baustoffe (B3) Dr.-Ing. Th. Reschke Kußmaulstraße 17 D-76187 Karlsruhe Das Gutachten wurde erstellt unter Mitarbeit von Dipl.-Ing. K. Seyfarth Dipl.-Ing. C. Giebson Dipl.-Ing. D. Erfurt und enthält: 42 Seiten 74 Abbildungen 13 Tabellen Weimar, 30.05.2013 Telefon 03643 / 58 47 61 Telefax 03643 / 58 47 59 Gutachten FIB-AN 336-10 Inhalt Inhaltsverzeichnis 1 ZIELSTELLUNG...................................................................................................................................3 2 FAZIT .................................................................................................................................................. 4 3 UNTERSUCHUNGSMETHODEN ....................................................................................................... 4 4 3.1 MÖRTELSCHNELLTEST .................................................................................................................................................. 4 3.2 NATRONLAUGETEST...................................................................................................................................................... 5 3.3 PETROGRAPHISCHE CHARAKTERISIERUNG ................................................................................................................. 5 3.4 BESTIMMUNG DES ALKALIGEHALTS DER ZEMENTE ................................................................................................... 5 3.5 AKR-PERFORMANCE-PRÜFUNG MITTELS FIB-KLIMAWECHSELLAGERUNG ........................................................... 5 3.6 LICHTMIKROSKOPISCHE UNTERSUCHUNG AN DÜNNSCHLIFFEN ............................................................................. 9 ERGEBNISSE....................................................................................................................................... 9 4.1 MÖRTELSCHNELLTEST .................................................................................................................................................. 9 4.2 NATRONLAUGETEST.................................................................................................................................................... 13 4.3 PETROGRAPHISCHE CHARAKTERISIERUNG ...............................................................................................................13 4.4 BESTIMMUNG DES ALKALIGEHALTS DER ZEMENTE .................................................................................................16 4.5 AKR-PERFORMANCE-PRÜFUNG MITTELS FIB-KLIMAWECHSELLAGERUNG .........................................................16 4.6 LICHTMIKROSKOPISCHE UNTERSUCHUNG AN DÜNNSCHLIFFEN ...........................................................................27 5 ZUSAMMENFASSUNG....................................................................................................................37 6 QUELLENVERZEICHNIS ..................................................................................................................40 Seite 2 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 1 1 Zielstellung Zielstellung Im Auftrag der Bundesanstalt für Wasserbau sollte ein Gutachten zur Eignung von vier Betonzusammensetzungen zum Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) erstellt werden (Tabelle 1.1). Dazu wurden alle vorgesehenen Gesteinskörnungen mit dem Mörtelschnelltest (Alternativverfahren) nach Alkali-Richtlinie, T.3 geprüft, die groben Gesteinskörnungen zusätzlich petrographisch charakterisiert und die feinen Gesteinskörnungen mit dem Natronlaugetest nach Alkali-Richtlinie, T.2 geprüft. Zur Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials der vier Betonzusammensetzungen wurden AKR-Performance-Prüfungen mittels FIB-Klimawechsellagerung unter Berücksichtigung der Einwirkung einer NaCl-Lösung (Feuchtigkeitsklasse WA) und vergleichend unter Einwirkung von Wasser (Feuchtigkeitsklasse WF) durchgeführt. Nach der FIB-Klimawechsellagerung schloss sich eine lichtmikroskopische Untersuchung an Betondünnschliffen an. Flankierend wurde das Na2O-Äquivalent der insgesamt drei Zemente bestimmt. Tabelle 1.1: Art und Umfang der durchgeführten Untersuchungen Gesteinskörnung Bez. Werk GK1 1 GK2 Burg Parey 2 Hohensaaten GK3 GK4 Prüfungen Mühlberg4 Schlagsdorf5 3 Korngruppe Mörtelschnelltest Petrographie Natronlaugetest 0/2 x --- x 2/8 x x --- 8/16 x x --- 0/2 x --- x 2/8 x x --- 8/16 x x --- 16/32 x --- --- 0/2 x --- x 2/8 x x --- 8/16 x x --- 0/2 x --- x 2/8 x x --- 8/16 x x --- 16/32 x --- --- AKR-PerformancePrüfung (FIB-KWL) Beton 1 Beton 2 Beton 3 Beton4 1 GILDE GmbH, Lieferwerk Burg CEMEX Kies Rogätz GmbH, Lieferwerk Parey 3 Sand + Kies Union GmbH Berlin-Brandenburg, Lieferwerk Hohensaaten 4 TARMAC Deutschland GmbH, Lieferwerk Mühlberg 5 Kies- und Steinwerk Boerner GmbH & Co. KG, Lieferwerk Schlagsdorf 2 Seite 3 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 2 2 Fazit Fazit Zusammenfassend können anhand der vorliegenden Ergebnisse und den am F.A. FingerInstitut für Baustoffkunde vorhandenen Erfahrungen mit derartigen Untersuchungen die folgenden Aussagen abgeleitet werden: Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 1 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8 und 8/16) aus dem Lieferwerk Burg und dem Zement CEM III/A 32,5 N-LH/NA aus dem Werk Eisenhüttenstadt (Tabelle 4.6), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 2 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8, 8/16 und 16/32) aus dem Lieferwerk Parey und dem Zement CEM I 42,5 N aus dem Werk Königs Wusterhausen (Tabelle 4.7), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF geeignet, im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WA jedoch nicht geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 3 mit Gesteinskörnungen aus den Lieferwerken Hohensaaten (Sand 0/2) und Mühlberg (Kies 2/8 und 8/16) sowie mit dem Zement CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N aus dem Werk Rüdersdorf (Tabelle 4.8), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 4 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8, 8/16 und 16/32) aus dem Lieferwerk Schlagsdorf und dem CEM I 42,5 N aus dem Werk Königs Wusterhausen (Tabelle 4.9), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF geeignet, im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WA jedoch nicht geeignet. 3 Untersuchungsmethoden 3.1 Mörtelschnelltest Der Mörtelschnelltest dient zu einer ersten Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen vom Typ slow/late und ist als Alternativverfahren Bestandteil der Alkali-Richtlinie des DAfStb [1, 2, 3, 4]. Die im Ergebnis des Mörtelschnelltests als potentiell alkalireaktiv bzw. als alkalireaktiv eingestuften Gesteinskörnungen mit Dehnungen > 1,5 mm/m müssen nicht grundsätzlich von einer Verwendung in Betonen ausgeschlossen werden. Der Mörtelschnelltest liefert genau wie andere Schnelltests lediglich eine Voreinschätzung hinsichtlich eines möglichen AKR-Schädigungspotentials der untersuchten Gesteinskörnung. Im Anschluss an den Mörtelschnelltest kann bei Dehnungen > 1,5 mm/m der Betonversuch nach AlkaliRichtlinie, T.3 (Dauer 36 Wochen) für eine weiterführende Beurteilung der Alkalireaktivität der Gesteinskörnung oder eine AKR-Performance-Prüfung (FIB-Klimawechsellagerung, Mindestdauer 24 Wochen) zur Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials einer spezifischen Betonzusammensetzung durchgeführt werden [1, 8-26]. [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26] Seite 4 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 3 Untersuchungsmethoden 3.2 Natronlaugetest Für Gesteinskörnungen, die dem Anwendungsbereich für Opalsandstein und Flint sowie dem angrenzenden Bereich nach Definition der Alkali-Richtlinie, T.1 entstammen und die Anteile von Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint enthalten oder enthalten könnten, muss zusätzlich Teil 2 der Alkali-Richtlinie angewendet werden. Die Bestimmung des Gehaltes an Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint wurde für die feinen Gesteinskörnungen Sand 0/2, Burg (Sachsen-Anhalt): angrenzender Bereich Sand 0/2, Parey (Brandenburg): Anwendungsbereich Opalsandstein/Flint Sand 0/2, Hohensaaten (Brandenburg): Anwendungsbereich Opalsandstein/Flint Sand 0/2, Schlagsdorf (Brandenburg): angrenzender Bereich mit dem Natronlaugetest nach Alkali-Richtlinie, T.2 durchgeführt [2]. Die Prüfung einer feinen Gesteinskörnung auf alkaliempfindliche Bestandteile wird am Anteil über 1 mm durchgeführt. Von dem zu untersuchenden Sand wird dazu der Anteil unter 1 mm durch Siebung entfernt. Die danach hergestellte Prüfkornklasse im Bereich 1 bis 2 mm und ggf. 2 bis 4 mm wird im Anschluss für 60 min. in 90 °C heißer 4 %-iger Natronlauge gelagert und danach der Masseverlust bestimmt. Im Ergebnis des Natronlaugetests kann eine untersuchte feine Gesteinskörnung als unbedenklich (E I-O bzw. E I-OF) hinsichtlich Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint eingestuft werden, wenn der ermittelte Masseverlust bei 0,5 M.-% liegt. 3.3 Petrographische Charakterisierung Zur petrographischen Charakterisierung der groben Gesteinskörnungen (Kiese 2/8, 8/16) aus den Lieferwerken Burg, Parey, Mühlberg und Schlagsdorf, wurden die enthaltenen Gesteinsanteile per Augenschein bzw. unter dem Stereo-Lichtmikroskop (Gerät STEMI SV 6, ZEISS) soweit wie möglich bestimmt und ausgezählt. Aufgrund der nur kleinen Korngrößen in den Kiesen 2/8, wurde sich hier auf die Bestimmung des Anteils an Flint und Kieselschiefer bzw. der übrigen Bestandteile beschränkt. Die Einschätzung der Alkalireaktivität anhand der petrographischen Charakterisierung erfolgt unter Berücksichtigung der dazu am FIB vorhandenen Erfahrungen in Anlehnung an die RILEM-Empfehlung AAR-1 [27]. 3.4 Bestimmung des Alkaligehalts der Zemente Von den drei Zementen - CEM I 42,5 N, HeidelbergCement AG, Werk Königs Wusterhausen - CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N, CEMEX OstZement GmbH, Werk Rüdersdorf - CEM III/A 32,5 N-LH/NA, CEMEX OstZement GmbH, Werk Eisenhüttenstadt wurde der Alkaligehalt (Na2O, K2O) in Anlehnung an die DIN EN 196-2 bestimmt. 3.5 AKR-Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung Zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Beton für Außenbauteile werden am F.A. FingerInstitut für Baustoffkunde Klimawechsellagerungen zur zeitraffenden Simulation mitteleuropäischer Klimabedingungen angewandt. Speziell für das Problem der AKR wurde ein Klimawechsellagerungsprogramm entwickelt, bei dem ein Zyklus aus Trocknungsphase, Nebelphase und Frost-Tau-Wechselphase besteht und 21 Tage dauert (Bild 3.1). Es sind nach bisherigen Erfahrungen mit Untersuchungen an Fahrbahndeckenbetonen 8-12 Zyklen (6-9 Monate) erforderlich, um die Dauerhaftigkeit eines Betons hinsichtlich einer AKR beurteilen zu können. Seite 5 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 3 Untersuchungsmethoden Nach jedem Zyklus werden Dehnung und Masse der Probekörper bestimmt und es erfolgt flankierend eine augenscheinliche Beurteilung der Probekörper (Risse, Ausplatzungen etc.). Für die Messungen werden die Betonprobekörper immer auf 20 °C temperiert, um den Einfluss der Temperatur auf die Dehnungsmessung zu eliminieren. Der Dehnungsgrenzwert für die FIB-Klimawechsellagerung wurde daher auf 0,4 mm/m (ausgehend von 0,6 mm/m nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie)6 festgelegt. Zur Untersuchung von Betonen, die in der Praxis einer äußeren Alkalizufuhr durch Enteisungsmittel (Betone für Fahrbahndecken und Flugbetriebsflächen) ausgesetzt sind, werden die Betonprobekörper in Anlehnung an den schwedischen slab-test präpariert und mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall festgelegten Prüflösung (Enteisungsmittellösung entsprechend den spezifischen Nutzungsbedingungen) während der Lagerung in der Klimasimulationskammer beaufschlagt (Bild 3.2, Bild 3.3). Die in den Beton eingebrachten Salze sind z.T. stark hygroskopisch, wodurch die Probekörper auch mehr Wasser aufnehmen. Das hat eine höhere hygrische Dehnung zur Folge, so dass der Dehnungsgrenzwert im Fall einer Enteisungsmitteleinwirkung auf 0,5 mm/m angehoben wurde. Durch den zyklischen Wechsel von Austrocknung und Befeuchtung bzw. Auftrag von Enteisungsmittellösungen werden im Betongefüge wie in der Praxis Transportvorgänge begünstigt und verstärkt. Zur Feststellung möglicher Gefügeveränderungen und Phasenneubildungen werden nach Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung lichtmikroskopische Untersuchungen an Dünnschliffen mittels Polarisationsmikroskop sowie an Bruchflächen und/oder Anschliffen mittels Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Details und Hintergründe zur FIB-Klimawechsellagerung können [1, 8-26] entnommen werden. Nachfolgend wird auf die Besonderheiten innerhalb dieser Untersuchungen eingegangen. 70 Nebel Trocknung 60 Frost-TauWechsel Temperatur [°C] 50 40 Messung bei 20 °C: Längenänderung Masse 30 20 10 0 -10 -20 1 Zyklus = 21 Tage = 4 d Trocknung + 14 d Nebel + 3 d Frost-Tau-Wechsel -30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Zeit [d] Bild 3.1: Temperaturverlauf in der Klimasimulationskammer während eines kompletten Zyklus 6 Mit der Wärmedehnzahl T = 0,01 mm/m·K und T = T· T ergibt sich eine thermisch bedingte Dehnung von = 0,2 mm/m durch die Temperaturdifferenz T = 20 K zwischen 20 °C und 40 °C. T Seite 6 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 3 Untersuchungsmethoden Bild 3.3: Betonbalken mit Enteisungsmittellösung Bild 3.2: FIB-Klimasimulationskammer (Fa. Feutron) 150 45 Räumen Streuen Kontrollfahrten 40 35 100 30 25 20 50 15 10 0 5 0 74 77 80 83 86 89 92 Jahr [-] 95 98 01 04 Bild 3.4: Tausalzverbrauch (NaCl) auf deutschen Auto- Bild 3.5: Anzahl der Winterdienst-Einsatztage je Autobahnmeisterei [30] bahnen [28, 29] Betonbauteile mit einem direkten Kontakt zu Binnengewässern unterliegen keiner unmittelbaren äußeren Alkalizufuhr, wie es bei Fahrbahndecken (Enteisungsmittel) oder Meerwasserbauwerken der Fall ist. Landseitig kann es aber zu einer örtlich begrenzten Einwirkung von Enteisungsmitteln (NaCl) im Rahmen von Winterdienstmaßnahmen kommen, was vor allem mit Hinblick auf die im Vergleich zu Fahrbahndecken deutlich längere Nutzungsdauer von Wasserbauwerken von 100 Jahren und mehr eine Rolle spielen kann. In Abstimmung mit dem Auftraggeber wurde die FIB-Klimawechsellagerung daher sowohl unter Einwirkung von Wasser als auch unter Einwirkung von NaCl-Lösung durchgeführt. Konzentration und Menge der aufgebrachten NaCl-Lösung entsprachen der Prüfung von Fahrbahndeckenbetonen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Regelungen der Alkali-Richtlinie zur Vermeidung von AKR-Schäden (vorbeugende Maßnahmen) nur für Betonbauwerke nach DIN 1045/EN 206 gelten und damit nur für Nutzungsdauern von 50 Jahren ausgelegt sind. Für Betonbauwerke, speziell nach ZTV-W LB 215 [31, 32], mit vorgesehenen Nutzungsdauern von 100 Jahren und mehr, sind daher über die die Alkali-Richtlinie hinausgehende Prüfungen, wie die Durchführung einer AKR-Performance-Prüfung, empfehlenswert. Für das Straßennetz in Deutschland werden im Zuge des Winterdienstes Enteisungsmittel auf NaCl-Basis als Feuchtsalz (z.B. FS 30) verwendet. Für diese Untersuchungen wurde daher eine NaCl-Lösung als Enteisungsmittel eingesetzt. Zur besseren Bewertung des Einflusses der äußeren Alkalizufuhr wurden vergleichend Betonprobekörper mit destilliertem Wasser (Nullserie) beaufschlagt und untersucht. Das Enteisungsmittel wird in nachvollziehbaren und mit den Auftragsmengen in der Praxis vergleichbaren Mengen aufgebracht. In der Praxis kann die Seite 7 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 3 Untersuchungsmethoden jährlich aufgebrachte Enteisungsmittelmenge je nach Anzahl der Frosttage erheblich variieren, so dass es schwierig ist Mittelwerte festzulegen (Bild 3.4). Außerdem werden Enteisungsmittel durch Witterung und Verkehrsbeanspruchung verdünnt und wieder abgetragen und wirken nicht kontinuierlich und auch nicht mit konstanter Konzentration auf den Beton ein. Zusätzlich unterliegt ein Prüfverfahren aber auch immer der Notwendigkeit, den zeitlichen Ablauf realer Schadensabläufe zu verkürzen. Der Winterdienstumfang auf deutschen Straßen hat eine Größenordnung von durchschnittlich 100 Einsatztagen im Jahr. Hiervon sind über die Hälfte reine Streueinsätze (Bild 3.5). Pro Streueinsatz wird mit modernen Streufahrzeugen eine Tausalzmenge (Feuchtsalz auf NaClBasis) von ca. 10 bis 20 g/m² aufgetragen, in Sonderfällen auch mehr. Aus Grundlagenuntersuchungen heraus werden die Enteisungsmittellösungen mit einer Konzentration von 0,6 mol/l aufgebracht [33]. Die NaCl-Lösung wird dazu aus chemisch reinem NaCl und destilliertem Wasser hergestellt. In 1,0 Liter der Prüflösung sind 36,7 g NaCl gelöst. Bei einer molaren Masse des Natriumchlorids von 58,4 g/mol hat die Lösung eine Konzentration von ca. 0,6 mol/l bzw. 3,6 %: n mNaCl MNaCl 36,7 g l 58,4 g mol 0,6 mol l Bei diesem Vorgehen ergibt sich für die Betonprobekörper (10×10×40 cm) während der FIBKlimawechsellagerung eine Flächenbelastung mit dem Enteisungsmittel NaCl von: 14,4 g (NaCl) / 0,04 m² = 360 g/m² je Zyklus Diese Betrachtungen sollen sicherstellen, dass es während der FIB-Klimawechsellagerung in Abhängigkeit vom Anwendungsfall nicht zu einer übermäßigen und praxisfremden Belastung der Betonprobekörper mit den Enteisungsmitteln kommt. In den mindestens erforderlichen 8 Zyklen in der FIB-Klimawechsellagerung wird in etwa so viel Enteisungsmittel (NaCl) aufgebracht wie im Mittel während einer Winterperiode auf Autobahnen. Neben balkenförmigen Probekörpern (10×10×40 cm) wurden außerdem großformatige Würfel (30×30×30 cm) hergestellt und mit NaCl-Lösung beaufschlagt. Grund dafür war, dass sich massive Betonbauteile, wie im Fall von Wasserbauwerken, nicht frei verformen können und es dadurch bei auftretenden Dehnungen schneller zu einer Rissbildung kommen kann. Die Würfel dienten daher vordergründig zur Feststellung möglicher Risse, es wurden aber auch orientierende Dehnungsmessungen an insgesamt 4 Messstrecken je Würfel (Abschnitt 4.3) durchgeführt. Ein einfacher, linearer Zusammenhang zwischen der Zyklenzahl in der FIB-Klimawechsellagerung und einem äquivalenten Zeitraum in der Praxis ist nicht ohne weiteres herstellbar. Für Fahrbahndeckenbetone (Enteisungsmittel NaCl) liegt aber eine Verifizierung der Ergebnisse aus der FIB-Klimawechsellagerung mit Praxiserfahrungen vor [18, 22]. Dabei ergab sich, dass für Fahrbahndeckenbetone mit einer vorgesehenen Nutzungsdauer von ca. 30 Jahren eine Prüfung bis zum 12. Zyklus erforderlich ist. Grundsätzlich wird mit der FIB-Klimawechsellagerung das aus der Betonzusammensetzung resultierende AKR-Schädigungspotential unter möglichst realistischen Umwelteinflüssen (wechselnde klimatische Bedingungen, äußere Alkalizufuhr) untersucht. Die Betone selbst sind dabei unter idealen Bedingungen im Labor hergestellt worden, d.h. sie sind sachgerecht zusammengesetzt und hergestellt, ausreichend nachbehandelt und nicht durch thermische, hygrische oder mechanische/dynamische (z.B. Verkehrslasten) Beanspruchungen vorgeschädigt. Sowohl die tatsächlichen Herstellungsbedin- Seite 8 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 3 Untersuchungsmethoden gungen (Verarbeitung, Nachbehandlung, Witterung) als auch die Nutzungsbedingungen (Zeitraum zwischen Herstellung und Verkehrsfreigabe, Intensität des Winterdienstes, Vorschäden, Fugenpflege, Funktion der Wasserabführung etc.) spielen für einen möglichen Schadensbeginn bzw. -fortschritt eine nicht zu unterschätzende Rolle, können und sollen aber im Rahmen einer AKR-Performance-Prüfung nicht erfasst werden. 3.6 Lichtmikroskopische Untersuchung an Dünnschliffen Nach Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung wurden von ausgewählten Betonprobekörpern insgesamt neun Dünnschliffe im Großformat (6×10 cm) für die lichtmikroskopische Untersuchung hergestellt. Vor dem Schleifen der Dünnschliffe auf eine Dicke von ca. 25 µm werden die Betonproben mit einem gelben Harz vakuumgetränkt, weshalb alle Poren und Risse im parallel polarisierten Licht gelb erscheinen. Die Bemusterung der Dünnschliffe erfolgte im Polarisationsmikroskop (POLMI JENALAB, ZEISS). 4 Ergebnisse 4.1 Mörtelschnelltest Die mit dem Mörtelschnelltest (Alternativverfahren) nach Alkali-Richtlinie, T.3 geprüften Gesteinskörnungen werden auf Grundlage der gemessenen Dehnung an den Mörtelprismen nach Lagerung bei 70 °C über Wasser bis zum 28. Tag beurteilt. Nach den am FIB insgesamt durchgeführten Untersuchungen (Mörtelschnelltest, FIB-Klimawechsellagerung, Petrographie und Mineralogie) und Erfahrungen aus untersuchten AKR-Schadensfällen lassen sich die erreichten Dehnungen am 28. Tag für grobe Gesteinskörnungen zum Bau von Fahrbahndecken drei Bereichen zuordnen, wobei die Übergänge fließend sind (Tabelle 4.1). Tabelle 4.1: Beurteilung der Alkalireaktivität grober Gesteinskörnungen mit dem Mörtelschnelltest Dehnung am 28. Tag 1,5 mm/m 1,5 < 2,0 mm/m > 2,0 mm/m Beurteilung grober Gesteinskörnungen für den Bau von Fahrbahndecken * Ausreichend alkaliunempfindlich. Gesteinskörnung für den Bau von Fahrbahndecken i.d.R. geeignet. Potentiell alkalireaktiv. Gesteinskörnung für den Bau von Fahrbahndecken nicht geeignet ohne gesonderten Eignungsnachweis mittels einer AKR-Performance-Prüfung. Alkalireaktiv. Gesteinskörnung für den Bau von Fahrbahndecken nicht geeignet. AKRPerformance-Prüfung möglich, aber mit steigender Dehnung sinkende Wahrscheinlichkeit eines Eignungsnachweises. * für den Einsatz in Flugbetriebsflächen und Waschbeton (Oberbeton) sind weitere Untersuchungen erforderlich Nach Alkali-Richtlinie, T. 3, Anhang A, Tab. A.1 können im Ergebnis des Mörtelschnelltests Gesteinskörnungen mit Dehnungen 1,5 mm/m in die Alkaliempfindlichkeitsklasse E I-S eingestuft werden. Bei Dehnungen > 1,5 mm/m ist dagegen nach Alkali-Richtlinie, T. 3 keine Bewertung und damit auch keine Einstufung in eine Alkaliempfindlichkeitsklasse möglich. Für die Kiese 2/8 und 8/16 aus dem Lieferwerk Burg (Lieferung vom 30.05.2011) liegen die Dehnungen nach Ende der Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m bzw. auch über 2,0 mm/m (Bild 4.1). Die beiden Kiese aus dem Lieferwerk Burg müssen damit als alkalireaktiv angesehen werden, so dass bei deren Einsatz im Beton vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden müssen. Für den Sand 0/2 aus dem Lieferwerk Burg liegt die Dehnung nach Ende des Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m und noch unter 2,0 mm/m (Bild 4.4). Seite 9 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Die Dehnung für Sande liegt erfahrungsgemäß tendenziell höher als für grobe Gesteinskörnungen mit einem vergleichbaren AKR-Schädigungspotential. Anhand der am FIB vorliegenden Erfahrungen zur Alkalireaktivität von Sanden, kann der Sand 0/2 aus Burg aber bereits nicht mehr als unkritisch angesehen werden, so dass bei einem Einsatz im Beton vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden müssen. Für die Kiese 2/8 und 8/16 aus dem Lieferwerk Parey (Lieferung vom 02.03.2011) liegen die Dehnungen nach Ende der Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m bzw. im Bereich von 2,0 mm/m (Bild 4.2). Die Kiese 2/8 und 8/16 aus dem Lieferwerk Parey müssen damit als alkalireaktiv angesehen werden, so dass bei deren Einsatz im Beton vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden müssen. Für den Kies 16/32 aus dem Lieferwerk Parey liegt die Dehnung nach Ende des Mörtelschnelltests am 28. Tag knapp unter 1,5 mm/m und damit im unkritischen Bereich (Bild 4.2). Für Kiese ist es nicht ungewöhnlich, dass Unterschiede in der Alkalireaktivität einzelner Korngruppen bestehen, da einzelne Bestandteile in Abhängigkeit von deren Festigkeit in unterschiedlichen Korngrößen anfallen und damit inhomogen verteilt in den einzelnen Korngruppen vorliegen können. Für den Sand 0/2 aus dem Lieferwerk Parey liegt die Dehnung nach Ende des Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m und noch unter 2,0 mm/m (Bild 4.2). Die Dehnung für Sande liegt erfahrungsgemäß tendenziell höher als für grobe Gesteinskörnungen mit einem vergleichbaren AKR-Schädigungspotential. Anhand der am FIB vorliegenden Erfahrungen zur Alkalireaktivität von Sanden, kann der Sand 0/2 aus Parey als ausreichend alkaliunempfindlich angesehen werden. Für die Kiese 2/8 und 8/16 aus dem Lieferwerk Mühlberg (Lieferung vom 11.02.2011) liegen die Dehnungen nach Ende der Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m bzw. auch über 2,0 mm/m (Bild 4.3). Die beiden Kiese aus dem Lieferwerk Mühlberg müssen damit als alkalireaktiv angesehen werden, so dass bei deren Einsatz im Beton vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden müssen. Für den Sand 0/2 aus dem Lieferwerk Hohensaaten (Lieferung vom 25.02.2011) liegt die Dehnung nach Ende des Mörtelschnelltests am 28. Tag unter 1,5 mm/m und damit im unkritischen Bereich (Bild 4.3). Damit kann der Sand 0/2 aus Hohensaaten als ausreichend alkaliunempfindlich angesehen werden. Für die Kiese 2/8, 8/16 und 16/32 aus dem Lieferwerk Schlagsdorf (Lieferung vom 02.03.2011) liegen die Dehnungen nach Ende der Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m bzw. auch bei 2,0 mm/m (Bild 4.4). Die Kiese 2/8, 8/16 und 16/32 aus dem Lieferwerk Schlagsdorf müssen damit als alkalireaktiv angesehen werden, so dass bei deren Einsatz im Beton vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden müssen. Für den Sand 0/2 aus dem Lieferwerk Schlagsdorf liegt die Dehnung nach Ende des Mörtelschnelltests am 28. Tag über 1,5 mm/m und noch unter 2,0 mm/m (Bild 4.4). Die Dehnung für Sande liegt erfahrungsgemäß tendenziell höher als für grobe Gesteinskörnungen mit einem vergleichbaren AKR-Schädigungspotential. Anhand der am FIB vorliegenden Erfahrungen zur Alkalireaktivität von Sanden, kann der Sand 0/2 aus Schlagsdorf als ausreichend alkaliunempfindlich angesehen werden. Seite 10 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 3,5 Sand 0/2, Burg 3,0 Kies 2/8, Burg Kies 8/16, Burg 2,5 2,28 2,11 2,0 1,94 1,5 1,0 0,5 0,0 0 7 14 21 Zeit [d] 28 Bild 4.1: Dehnungsverläufe während der Mörtelschnelltests für die Gesteinskörnungen aus dem Lieferwerk Burg (Lieferung vom 30.05.2011) 3,5 Sand 0/2, Parey 3,0 Kies 2/8, Parey Kies 8/16, Parey 2,5 Kies 16/32, Parey 2,05 2,00 2,0 1,69 1,5 1,42 1,0 0,5 0,0 0 7 14 21 Zeit [d] 28 Bild 4.2: Dehnungsverläufe während der Mörtelschnelltests für die Gesteinskörnungen aus dem Lieferwerk Parey (Lieferung vom 02.03.2011) Seite 11 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 3,5 Sand 0/2, Hohensaaten 3,0 Kies 2/8, Mühlberg Kies 8/16, Mühlberg 2,5 2,25 2,19 2,0 1,5 1,38 1,0 0,5 0,0 0 7 14 21 Zeit [d] 28 Bild 4.3: Dehnungsverläufe während der Mörtelschnelltests für die groben Gesteinskörnungen aus dem Lieferwerk Mühlberg (Lieferung vom 11.02.2011) und die feine Gesteinskörnung aus dem Lieferwerk Hohensaaten (Lieferung vom 25.02.2011) 3,5 Sand 0/2, Schlagsdorf Kies 2/8, Schlagsdorf 3,0 Kies 8/16, Schlagsdorf 2,5 Kies 16/32, Schlagsdorf 2,18 2,06 1,99 2,0 1,63 1,5 1,0 0,5 0,0 0 7 14 21 Zeit [d] 28 Bild 4.4: Dehnungsverläufe während der Mörtelschnelltests für die Gesteinskörnungen aus dem Lieferwerk Schlagsdorf (Lieferung vom 02.03.2011) Seite 12 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 4.2 Natronlaugetest Nach dem Natronlaugetest für die Sande 0/2 aus Burg, Parey, Hohensaaten und Schlagsdorf, ergaben sich in allen Fällen Masseverluste deutlich unterhalb des Grenzwerts von 0,5 M.-% (Tabelle 4.2). Die Sande 0/2 aus Burg, Parey, Hohensaaten und Schlagsdorf können damit hinsichtlich alkaliempfindlicher Bestandteile nach Alkali-Richtlinie, T.2 orientierend7 als unbedenklich (E I-O bzw. E I-OF) eingestuft werden. Tabelle 4.2: Ergebnisse der Natronlaugetests nach Alkali-Richtlinie, T.2 für die untersuchten Sande 0/2 Prüfkornklasse [-] Einwaage Masse nach NaOH-Test (4 %-ige Natronlauge) Masseverlust [g] [g] [M.-%] Sand 1/2, Burg* 400,00 399,62 0,09 Sand 1/2, Parey** 400,00 399,68 0,08 Sand 1/2, Hohensaaten*** 400,00 399,62 0,09 Sand 1/2, Schlagsdorf** 400,00 399,62 0,09 * Lieferung vom 30.05.2011 ** Lieferung vom 02.03.2011 *** Lieferung vom 11.02.2011 4.3 Petrographische Charakterisierung Die Ergebnisse der petrographischen Charakterisierung für die Kiese 2/8 und 8/16 aus den Lieferwerken Burg, Parey, Mühlberg und Schlagsdorf sind in Tabelle 4.3 zusammengestellt und zusätzlich im Bild 4.5-Bild 4.12 veranschaulicht. In den Kiesen 2/8 liegt der Anteil an Flint und Kieselschiefer, der zu 100 % als alkalireaktiv angesehen wird, bei 3-6 M.-%. In dem hier nicht weiter differenzierten Rest sind darüber hinaus Anteile langsam und spät reagierender Bestandteile (insb. Quarz, Quarzit, Grauwacke, Rhyolith) enthalten. Im Kies 8/16 aus Burg liegt der Anteil potentiell alkalireaktiver Bestandteile bei 42 M.-%, im Kies 8/16 aus Parey bei 39 M.-%, im Kies 8/16 aus Mühlberg bei 35 M.-% und im Kies 8/16 aus Schlagsdorf bei 41 M.-%. Dabei werden erfahrungsgemäß 50 % an Quarz, Grauwacke, Quarzit und Rhyolith sowie 100 % an Flint und Kieselschiefer als potentiell alkalireaktiv angenommen (Tabelle 4.3). Als Besonderheit fiel im Kies 8/16 aus Mühlberg ein Anteil von ca. 5 M.-% eines Basalt-Splittes auf, d.h. dieser Anteil kommt nicht als natürlicher Bestandteil des Kieses infrage, sondern muss anthropogen bedingt in den Kies gelangt sein. In den vorliegenden Prüfzeugnissen8,9,10,11 wird bestätigt, dass die Kiese aus allen vier Lieferwerken der Alkaliempfindlichkeitsklasse E I-O / E I-OF bzw. E I nach Teil 2 der Alkali-Richtlinie zugeordnet werden können und damit keine kritischen Anteile schnell reagierender Bestandteile (Opalsandstein/Kieselkreide und Flint) enthalten. 7 Für eine zertifizierte Einstufung in eine Alkaliempfindlichkeitsklasse ist die Durchführung einer Produktionskontrolle nach Alkali-Richtlinie, T.2, Abschnitt 4 erforderlich. 8 Burg: Prüfbericht Nr. 266/M0304/08, Prüfgesellschaft für Straßen- und Tiefbau mbH & Co. KG vom 24.09.2008 9 Parey: Sortenverzeichnis nach DIN EN 12620 vom 04.12.2008 10 Mühlberg: Prüfzeugnis Nr. MF-EN-B/0193/04/09/6, Institut für Baustoffe und Umwelt Weimar GmbH & Co. KG vom 27.04.2009 11 Schlagsdorf: Prüfzeugnis Nr. 036/3/1/10/B, Institut für Baustoffe und Umwelt Lauta GmbH & Co. KG vom 26.04.2010 Seite 13 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Tabelle 4.3: Zusammensetzung der Kiese 2/8 und 8/16 aus den Lieferwerken Burg (30.05.2011), Parey (02.03.2011), Mühlberg (11.02.2011) und Schlagsdorf (02.03.2011) Bestandteile in M.-% Kies Burg Kies Parey Kies Mühlberg Kies Schlagsdorf 2/8 8/16 2/8 8/16 2/8 8/16 2/8 8/16 Quarz* --- 49,8 --- 52,5 --- 49,9 --- 46,7 Sandstein/Grauwacke/Quarzit* --- 13,3 --- --- --- --- --- --- Sandstein --- --- --- 6,0 --- 10,5 --- 9,2 Quarzit* --- --- --- 5,2 --- --- --- --- Quarzit/Grauwacke* --- --- --- --- --- 11,9 --- 13,5 Kristallin (Plutonit/Metamorphit) --- 11,7 --- 18,7 --- 18,8 --- 9,0 Kalkstein --- 9,3 --- 3,6 --- --- --- 6,4 Rhyolith* --- 6,2 --- --- --- --- --- 9,3 Flint** --- 3,7 --- 4,9 --- 4,1 --- 1,4 Kieselschiefer** --- 3,1 --- 5,5 --- 0,3 --- 4,4 Siltstein --- 2,8 --- 3,5 --- --- --- --- Basalt (Splitt) --- --- --- --- --- 4,5 --- --- 5,3 --- 5,9 --- 3,0 --- 4,0 --- 94,7 --- 94,1 --- 97,0 --- 96,0 --- Flint und Kieselschiefer** sonstige*** potentiell alkalireaktiver Anteil ca. 42 ca. 39 ca. 35 ca. 41 * davon werden erfahrungsgemäß jeweils 50 % als potentiell alkalireaktiv angenommen ** davon werden erfahrungsgemäß jeweils 100 % als potentiell alkalireaktiv angenommen *** Quarz, Quarzit, Grauwacke, Rhyolith, Sandstein, Kalkstein, Tonstein, Kristallin Bild 4.5: Zusammensetzung des Kieses 2/8 aus Burg Bild 4.6: Zusammensetzung (exemplarisch) des Kieses (Gesamtmenge 520 g, Lieferung vom 30.05.2011) 8/16 aus Burg (untersuchte Gesamtmenge 2.529 g, Lieferung vom 30.05.2011) Bild 4.7: Zusammensetzung des Kieses 2/8 aus Mühlberg (Gesamtmenge 512 g, Lieferung vom 11.02.2011) Bild 4.8: Zusammensetzung (exemplarisch) des Kieses 8/16 aus Mühlberg (untersuchte Gesamtmenge 2.860 g, Lieferung vom 11.02.2011) Seite 14 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.9: Zusammensetzung des Kieses 2/8 aus Parey (Gesamtmenge 514 g, Lieferung vom 02.03.2011) Bild 4.10: Zusammensetzung (exemplarisch) des Kieses 8/16 aus Parey (untersuchte Gesamtmenge 5.166 g, Lieferung vom 02.03.2011) Bild 4.11: Zusammensetzung des Kieses 2/8 aus Schlagsdorf (Gesamtmenge 497 g, Lieferung vom Bild 4.12: Zusammensetzung (exemplarisch) des Kieses 8/16 aus Schlagsdorf (untersuchte Gesamtmenge 02.03.2011) 2.495 g, Lieferung vom 02.03.2011) In Anlehnung an die RILEM-Empfehlung AAR-1 werden die Kiese, insbesondere unter Berücksichtigung der dazu am FIB vorhandenen Erfahrungen, einer von insgesamt drei Klassen zugeordnet, wobei die Übergänge fließend sind (Tabelle 4.4). Tabelle 4.4: Einschätzung der Alkalireaktivität der untersuchten groben Gesteinskörnungen auf Grundlage der petrographischen Charakterisierung in Anlehnung an die RILEM-Empfehlung AAR-1 [27] Klasse I Klasse II Klasse III (mit hoher Wahrscheinlichkeit ausreichend alkaliunempfindlich) (Alkalireaktivität nicht zuverlässig beurteilbar) (mit hoher Wahrscheinlichkeit alkalireaktiv) --- Kiese 2/8 und 8/16, Burg Kiese 2/8 und 8/16, Mühlberg Kiese 2/8 und 8/16, Parey Kiese 2/8 und 8/16, Schlagsdorf Seite 15 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 4.4 Bestimmung des Alkaligehalts der Zemente Die ermittelten Alkaligehalte (Na2O, K2O) und die Na2O-Äquivalente der drei Zemente sind in Tabelle 4.5 zusammengestellt. Für den CEM III/A-Zement besteht die Forderung nach einem niedrigen wirksamen Alkaligehalt (NA-Zement), die mit dem Na2O-Äquivalent von 0,85 M.-% entsprechend den Anforderungen der DIN 1164 an CEM III/A-Zemente erfüllt ist. Tabelle 4.5: Alkaligehalte und Na2O-Äquivalente der drei Zemente (alle Lieferung vom 17.03.2011) Na2O Zement K2O Na2Oäq [M.-%] CEM I 42,5 N, HeidelbergCement AG (Werk Königs Wusterhausen), Lieferung 17.03.2011 CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N, CEMEX OstZement GmbH (Werk Rüdersdorf), Lieferung 17.03.2011 CEM III/A 32,5 N-LH/NA, CEMEX OstZement GmbH (Werk Eisenhüttenstadt), Lieferung 17.03.2011 0,58 0,78 1,09 0,29 0,98 0,93 0,36 0,75 0,85 4.5 AKR-Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung Die mit der FIB-Klimawechsellagerung zu prüfenden vier Betonzusammensetzungen beruhen auf den Vorgaben der Bundesanstalt für Wasserbau (Tabelle 4.6-Tabelle 4.9). Zur Herstellung der Betonprobekörper für die FIB-Klimawechsellagerung wurden die vom Auftraggeber angelieferten Gesteinskörnungen aus den Lieferwerken Burg (Lieferung vom 30.05.2011), Parey (Lieferung vom 02.03.2011), Mühlberg (Lieferung vom 11.02.2011) und Hohensaaten (Lieferung vom 25.02.2011) sowie Schlagsdorf (Lieferung vom 02.03.2011), die drei Zemente nach Tabelle 4.5 sowie die acht Zusatzmittel nach Tabelle 4.10 eingesetzt. Tabelle 4.6: Beton 1 für Wasserbauwerke nach den Angaben des Auftraggebers Wasserbauwerke, Beton 1 Bauvorhaben: Ausgangsstoffe Zusammensetzung für 1 m³ [-] [Vol.-%] [kg/dm³] [kg] [l] 0/2 39,0 2,65 730 275 2/8 21,0 2,60 385 148 8/16 40,0 2,60 734 282 0/16 100,0 2,62 1.849 706 Art / Herkunft [-] Korngruppe Anteil Rohdichte [-] Gesteinskörnungen (trocken) Sand, Bur g Kies, Burg Kies, Burg Gesamt Zement CEM III/A 32,5 N-LH/NA, CEMEX OstZement GmbH Werk Eisenhüttenstadt (Na 2O äq = 0,85 M.-%)* Wasser FM1 (M.-% v. Zement) VZ1 (M.-% v. Zement) Luftgehalt in Vol.-% Summe w/z-Wert Frischbetonrohdichte Gesamtalkaligehalt --FMS Sika VZ1 0,420 0,100 1,5 --- --[-] [kg/dm³] [kg(Na 2 O äq )/m³] 1,05 1,25 0 3,12 360 115 1,00 1,51 0,36 0 162 1,44 0,29 15 2.373 0,45 2,37 3,06 162 1.000 * Analyse Bauhaus-Universität Weimar (Lieferung vom 17.03.2011) Seite 16 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Tabelle 4.7: Beton 2 für Wasserbauwerke nach den Angaben des Auftraggebers Wasserbauwerke, Beton 2 Bauvorhaben: Ausgangsstoffe Zusammensetzung für 1 m³ [-] [Vol.-%] [kg/dm³] [kg] [l] 0/2 39,0 2,63 688 262 2/8 11,0 2,59 191 74 8/16 24,0 2,60 419 161 16/32 26,0 2,59 452 174 0/32 100,0 2,61 1.749 671 Art / Herkunft [-] Korngruppe Anteil Rohdichte [-] Gesteinskörnungen (trocken) Sand, Pare y Kies, Pare y Kies, Parey Kies, Parey Gesamt Zement CEM I 42,5 N, HeidelbergCement AG Werk Königs Wusterhausen (Na 2O äq = 1,09 M.-%)* Wasser LP2 (M.-% v. Zement) FM2 (M.-% v. Zement) Luftgehalt in Vol.-% Summe w/z-Wert Frischbetonrohdichte Gesamtalkaligehalt 3,10 --Pantapor 2000, Ha-Be Pantarhit RC17, Ha-Be 0,090 0,000 5,5 --- 1,00 1,06 0 1,00 0,32 0,00 0 --[-] [kg/dm³] [kg(Na 2 O äq )/m³] 350 161 0,32 0,00 55 2.261 0,46 2,26 3,82 113 161 1.000 * Analyse Bauhaus-Universität Weimar (Lieferung vom 17.03.2011) Tabelle 4.8: Beton 3 für Wasserbauwerke nach den Angaben des Auftraggebers Wasserbauwerke, Beton 3 Bauvorhaben: Ausgangsstoffe [-] Gesteinskörnungen (trocken) Zement Wasser FM3 (M.-% v. Zement) Luftgehalt in Vol.-% Summe w/z-Wert Frischbetonrohdichte Gesamtalkaligehalt Zusammensetzung für 1 m³ [-] [Vol.-%] [kg/dm³] [kg] [l] 0/2 37,8 2,61 664 254 2/8 24,1 2,64 428 162 8/16 38,1 2,65 679 256 0/16 100,0 2,63 1.771 673 Art / Herkunft Korngruppe Anteil Rohdichte [-] Sand, Hohensaaten Kies, Mühlberg Kies, Mühlberg Gesamt CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N, CEMEX OstZement GmbH Werk Rüdersdorf (Na 2O äq = 0,93 M.-%)* 3,12 --Glenium Sky 593, BASF 0,600 1,5 --- --[-] [kg/dm³] [kg(Na 2 O äq )/m³] 1,05 0 1,00 2,58 0 430 172 2,46 15 2.376 0,40 2,38 4,00 138 172 1.000 * Analyse Bauhaus-Universität Weimar (Lieferung vom 17.03.2011) Seite 17 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Tabelle 4.9: Beton 4 für Wasserbauwerke nach den Angaben des Auftraggebers Wasserbauwerke, Beton 4 Bauvorhaben: Ausgangsstoffe [-] Gesteinskörnungen (trocken) Zusammensetzung für 1 m³ [-] [Vol.-%] [kg/dm³] [kg] [l] 0/2 35,0 2,64 625 237 2/8 20,0 2,61 353 135 8/16 20,0 2,63 356 135 16/32 25,0 2,63 445 169 0/32 100,0 2,63 1.778 676 Art / Herkunft Korngruppe Anteil Rohdichte [-] Sand, Schla gsdorf Kies, Schla gsdorf Kies, Schlagsdorf Kies, Schlagsdorf Gesamt CEM I 42,5 N, HeidelbergCement AG Werk Königs Wusterhausen (Na 2O äq = 1,09 M.-%)* Zement Wasser LP4 (M.-% v. Zement) BV4 (M.-% v. Zement) FM4 (M.-% v. Zement) Luftgehalt in Vol.-% Summe w/z-Wert Frischbetonrohdichte Gesamtalkaligehalt 3,10 --Mischöl LP78, BASF Liquol BV18, BASF Glenium Sky 593, BASF 0,200 0,000 0,000 5,5 --- 1,00 1,18 1,05 0 --[-] [kg/dm³] [kg(Na 2 O äq )/m³] 1,00 0,67 0,00 0,00 0 335 160 0,67 0,00 0,00 55 2.274 0,48 2,27 3,65 108 160 1.000 * Analyse Bauhaus-Universität Weimar (Lieferung vom 17.03.2011) Tabelle 4.10: Übersicht der eingesetzten Zusatzmittel (Lieferung vom 17.03.2011) Nr. Bezeichnung Auftraggeber Produktname und Hersteller (soweit bekannt) 1 FM1 FMS 2 VZ1 Sika VZ1, Sika GmbH 3 LP2 Pantapor 2000, Ha-Be Betonchemie GmbH & Co. KG 4 FM2 Pantarhit RC17, Ha-Be Betonchemie GmbH & Co. KG 5 FM3 Glenium SKY593, BASF Construction Polymers GmbH 6 LP4 Mischöl LP78, BASF Construction Polymers GmbH 7 BV4 Liquol BV18, BASF Construction Polymers GmbH 8 FM4 Glenium SKY593, BASF Construction Polymers GmbH Durch die eigene Bestimmung der Rohdichte an den für die FIB-Klimawechsellagerung eingesetzten Lieferchargen der Gesteinskörnungen und durch die ggf. erforderliche Anpassung der Dosierung von Betonverflüssigern/Fließmitteln und Luftporenbildnern an die eigene Mischtechnik, können sich geringfügige Abweichungen zwischen den Angaben in den vorgelegten Mischungsberechnungen und den Angaben in Tabelle 4.6-Tabelle 4.9 ergeben. Solche Abweichungen sind aber erfahrungsgemäß ohne Einfluss auf das AKR-Schädigungspotential einer Betonzusammensetzung und können daher mit Hinblick auf die Zielstellung innerhalb dieser Untersuchungen vernachlässigt werden. Seite 18 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Die folgenden, vom Auftraggeber getroffenen Aussagen12 zu Konsistenz und Luftgehalt der Betone wurden außerdem berücksichtigt: Es wird ein Konsistenzbereich F3 angestrebt, Anforderung ist jedoch lediglich eine gute Verarbeitbarkeit unter Laborbedingungen (die angegebene Dosierung für den Beton Nr. 4 ist für F4 bemessen, F3 reicht aber völlig aus). Bei den Luftporenbetonen Nr. 2 und 4 ist lediglich der Mindestluftgehalt gemäß DIN 1045-2 von 4,0 % einzuhalten (der angegebene etwas höhere Sollgehalt berücksichtigt Einbauverluste auf der Baustelle und ist nicht zwingend notwendig). Für die Herstellung der Betonprobekörper wurden je Betonzusammensetzung 62 l Frischbeton in einem Labormischer (ZZ 75 HE, Zyklos) angemischt13. Die Dosierung von Betonverflüssigern/Fließmitteln und Luftporenbildnern wurde anhand von zuvor durchgeführten Einstellmischungen angepasst, um die jeweils angestrebten Zielwerte einzuhalten. Die Frischbetonkennwerte wurden ca. 10-15 min. nach Mischende ermittelt und sind in Tabelle 4.11 zusammengestellt. Es zeigte sich, dass mit Ausnahme des Betons 2 alle Vorgaben für Konsistenz und Luftgehalt eingehalten wurden. Für den Beton 2 stellte sich trotz des kompletten Verzichtes auf den Einsatz des Fließmittels eine Konsistenz im unteren F4-Bereich ein. Tabelle 4.11: Frischbetonkennwerte für die Betone 1 bis 4 für Wasserbauwerke Frischbetonluftgehalt Frischbetonrohdichte Konsistenzklasse [Vol.-%] [kg/dm³] [-] Beton 1 1,6 2,38 F3 (47,3 cm) Beton 2 4,5 2,32 F4 (50,0 cm) Beton 3 2,0 2,38 F3 (43,3 cm) Beton 4 5,8 2,27 F3 (48,0 cm) Beton Der verdichtete, oberflächlich abgestrichene Beton blieb für 24 Stunden bei 20 °C mit einer Folie abgedeckt in den Formen. Im Anschluss wurden die entformten Probekörper für weitere 6 Tage luftdicht in Folie verpackt bei 20 °C vorgelagert und für die FIB-Klimawechsellagerung präpariert. Neben dem Ankleben eines Moosgummibandes zur späteren Beaufschlagung der Balken mit den Prüflösungen (Wasser, NaCl-Lösung) und dem Abkleben der Stirnflächen mit einem Al-Butylband14 (Bild 3.3), wurden für die hier durchgeführten Untersuchungen auch die Seitenflächen der Balken mit Al-Butylband abgeklebt. Dadurch sollte sich, ähnlich wie in der Praxis bei Wasserbauwerken, ein gerichteter Feuchtestrom von der Ober- zur Unterseite der Balken, d.h. von der Wasser- zur Luftseite ausbilden. Für jede Betonzusammensetzung wurde außerdem ein Würfel (30×30×30 cm) hergestellt, der während der FIB-Klimawechsellagerung mit NaCl-Lösung beaufschlagt wurde. An den Würfeln wurde dafür ebenfalls ein Moosgummiband angeklebt, ein Abkleben der Seitenflächen erfolgte aber nicht. An jedem der Würfel wurden an zwei angrenzenden Seitenflächen je vier 12 Versuchsplan der BAW zu FIB-AN 336-10 vom 09.05.2011 13 (1) trockene Gesteinskörnungen in den Mischer (2) Start Mischvorgang und Zugabe Zugabewasser + spezifischer Saugwasseranteil bei Mischdauer von 20 s (3) 8 min Wartezeit (4) Zugabe Zement (5) Start Mischvorgang und Zugabe Zugabewasser + LP-Bildner bei Mischdauer von 30/90 s (6) Zugabe FM bei Mischdauer von 90 s 14 Damit ist eine Wasseraufnahme bzw. -abgabe über die Stirnflächen der Balken nicht mehr möglich und das Verhältnis von freier Oberfläche zu Volumen der Balken bleibt, bei gleicher Querschnittsfläche, unabhängig von der Balkenlänge konstant. Seite 19 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Messzapfen angebracht, an denen diagonal verlaufend die Längenänderung nach jedem Zyklus für die Berechnung der Dehnung ermittelt wurde (Bild 4.15). Da die Höhe der Dehnung nach einer bestimmten Zeit aber auch von der Geometrie des Probekörpers abhängt, kann für die an den Würfeln ermittelte Dehnung gegenwärtig noch kein Vergleichs- bzw. Grenzwert angegeben werden. Der für die Balken definierte Dehnungsgrenzwert von 0,5 mm/m (Einwirkung NaCl-Lösung) kann damit hier nicht zugrunde gelegt werden. Die Dehnungen an den Würfeln wurden daher nur orientierend ermittelt, im Vordergrund stand die Beurteilung einer möglichen Rissbildung. Für die Betone 2, 3 und 4 begann die FIB-Klimawechsellagerung im Betonalter von 7 Tagen, für den Beton 1 erst nach einer weiteren Vorlagerung bei 20 °C und 65 % rel. Luftfeuchte im Alter von 28 Tagen. Mit der längeren Vorlagerung für den Beton 1 sollte der langsameren Hydratation des Hüttensandanteils (CEM III/A) Rechnung getragen werden. Da für Wasserbauwerke Nutzungsdauern von 100 Jahren und mehr vorgesehen sind, wurde die Prüfdauer vereinbarungsgemäß von 12 Zyklen15 auf 16 Zyklen erhöht. Die Beurteilung des AKRSchädigungspotentials erfolgt auf Grundlage der nach 16 Zyklen erreichten Dehnung, anhand des Dehnungsanstiegs zwischen dem 12. und 16. Zyklus sowie in Kombination mit den mikroskopischen Untersuchungen nach dem 16. Zyklus. Für den Beton 1 liegt die Dehnung nach 16 Zyklen der FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung der NaCl-Lösung deutlich unter dem Grenzwert von 0,5 mm/m (Bild 4.13). Zwischen dem 12. und 16. Zyklus zeigt sich nur ein sehr geringer, unkritischer Dehnungsanstieg. Die Dehnungskurve unter Einwirkung der NaCl-Lösung liegt auf dem Niveau der Dehnungskurve unter Einwirkung von Wasser. Auch unter Einwirkung von Wasser bleibt die Dehnung bis zum Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung deutlich unter dem Grenzwert von 0,4 mm/m. Für den zusätzlich unter Einwirkung von NaCl-Lösung geprüften Würfel zeigt sich ein ähnlicher Dehnungsverlauf wie für die unter Einwirkung von NaCl-Lösung geprüften Balken (Bild 4.14). Risse konnten am Würfel augenscheinlich nicht festgestellt werden (Bild 4.15, Bild 4.16). Damit ergeben sich für den Beton 1 sowohl unter Einwirkung der NaCl-Lösung als auch unter Einwirkung von Wasser keine Hinweise auf den Ablauf einer betonschädigenden AKR. Für den Beton 2 liegt die Dehnung nach 16 Zyklen der FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung der NaCl-Lösung deutlich über dem Grenzwert von 0,5 mm/m (Bild 4.17). Zwischen dem 12. und 16. Zyklus zeigt sich ein entsprechender, deutlich kritischer Dehnungsanstieg. Die Dehnungskurve unter Einwirkung der NaCl-Lösung beginnt sich bereits ab dem 3. Zyklus von der Dehnungskurve unter Einwirkung von Wasser zu separieren. Unter Einwirkung von Wasser bleibt die Dehnung hingegen bis zum Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung deutlich unter dem Grenzwert von 0,4 mm/m. Für den zusätzlich unter Einwirkung von NaClLösung geprüften Würfel (30×30×30 cm) zeigt sich ab dem 6. Zyklus ebenfalls ein tendenzieller Anstieg der Dehnung, wobei die absoluten Werte hier geringer sind (Bild 4.18). Am Würfel ergaben sich aber bereits augenscheinliche Hinweise auf eine beginnende Rissbildung (Bild 4.19, Bild 4.20). Damit ergeben sich für den Beton 2 unter Einwirkung der NaCl-Lösung, nicht aber unter Einwirkung von Wasser, sowohl anhand der Höhe der Dehnung nach dem 16. Zyklus und des Dehnungsanstiegs zwischen dem 12. und 16. Zyklus als auch anhand einer beginnenden Rissbildung am Würfel Hinweise auf den Ablauf einer betonschädigenden AKR. 15 anhand von Vergleichsversuchen [18, 22] für Fahrbahndeckenbetone mit einer vorgesehenen Nutzungsdauer von ca. 30 Jahren definiert Seite 20 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 1,0 CEM III/A 32,5 N-LH/NA, Eisenhüttenstadt, Na 2Oäq = 0,85 M.-% 360 kg/m³, w/z = 0,45, LPFr = 1,6 Vol.-% 39 Vol.-% Sand 0/2, Burg (MST: 1,94 mm/m) 21 Vol.-% Kies 2/8, Burg (MST: 2,28 mm/m) 40 Vol.-% Kies 8/16, Burg (MST: 2,11 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 Grenzwert NaCl-Lösung 0,5 Grenzwert Wasser 0,4 0,3 0,2 0,08 0,05 0,1 0,13 0,12 0,09 0,09 0,16 0,11 0,0 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.13: Dehnungsverläufe während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 1 (Balken) 1,0 CEM III/A 32,5 N-LH/NA, Eisenhüttenstadt, Na2Oäq = 0,85 M.% 360 kg/m³, w/z = 0,45, LPFr = 1,6 Vol.-% 39 Vol.-% Sand 0/2, Burg (MST: 1,94 mm/m) 21 Vol.-% Kies 2/8, Burg (MST: 2,28 mm/m) 40 Vol.-% Kies 8/16, Burg (MST: 2,11 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,12 0,12 0,1 0,0 0,01 0,03 -0,1 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.14: Dehnungsverlauf (Mittel) während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 1 (Würfel) Seite 21 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.15: Beton 1, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Bild 4.16: Beton 1, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung ohne er- Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung ohne erkennbare Risse (erkennbar sind die vier Messzapfen) kennbare Risse (Seitenfläche ohne Messzapfen) 1,0 CEM I 42,5 N, Königs Wusterhausen, Na2Oäq = 1,09 M.-% 350 kg/m³, w/z = 0,46, LPFr = 4,5 Vol.-% 39 Vol.-% Sand 0/2, Parey (MST: 1,69 mm/m) 11 Vol.-% Kies 2/8, Parey (MST: 2,06 mm/m) 24 Vol.-% Kies 8/16, Parey (MST: 2,00 mm/m) 26 Vol.-% Kies 16/32, Parey (MST: 1,42 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung 0,77 0,7 0,6 0,60 0,5 0,4 Grenzwert NaCl-Lösung Grenzwert Wasser 0,39 0,3 0,30 0,2 0,15 0,15 0,13 0,12 0,1 0,0 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.17: Dehnungsverläufe während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 2 (Balken) Seite 22 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 1,0 CEM I 42,5 N, Königs Wusterhausen, Na2Oäq = 1,09 M.-% 350 kg/m³, w/z = 0,46, LPFr = 4,5 Vol.-% 39 Vol.-% Sand 0/2, Parey (MST: 1,69 mm/m) 11 Vol.-% Kies 2/8, Parey (MST: 2,06 mm/m) 24 Vol.-% Kies 8/16, Parey (MST: 2,00 mm/m) 26 Vol.-% Kies 16/32, Parey (MST: 1,42 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,19 0,2 0,22 0,1 0,03 0,0 0,04 -0,1 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.18: Dehnungsverlauf (Mittel) während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 2 (Würfel) Bild 4.19: Beton 2, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Bild 4.20: Beton 2, Detail aus Bild 4.19 zeigt erste MikZyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung mit Hinwei- rorisse im Bereich eines Messzapfens sen auf eine beginnende Rissbildung (Pfeile) Für den Beton 3 liegt die Dehnung nach 16 Zyklen der FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung der NaCl-Lösung unter dem Grenzwert von 0,5 mm/m (Bild 4.21). Zwischen dem 12. und 16. Zyklus zeigt sich aber ein deutlicher Dehnungsanstieg. Die Dehnungskurve unter Einwirkung der NaCl-Lösung beginnt sich ab dem 9. Zyklus von der Dehnungskurve unter Einwirkung von Wasser zu separieren. Unter Einwirkung von Wasser bleibt die Dehnung bis zum Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung unter dem Grenzwert von 0,4 mm/m. Für den zusätzlich unter Einwirkung von NaCl-Lösung geprüften Würfel (30×30×30 cm) zeigt sich bis zum Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung nur eine geringe Dehnung (Bild 4.22). Am Würfel konnten augenscheinlich auch keine Risse festgestellt werden (Bild 4.23, Bild 4.24). Damit ergibt sich für den Beton 3 unter Einwirkung der NaCl-Lösung, nicht aber unter Einwirkung von Wasser, anhand des Dehnungsanstiegs zwischen dem 12. und 16. Zyklus ein möglicher Seite 23 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Hinweis auf den Ablauf einer betonschädigenden AKR, dem im Rahmen der lichtmikroskopischen Untersuchung an den Dünnschliffen genauer nachgegangen wird (Abschnitt 4.6). Für den Beton 4 liegt die Dehnung nach 16 Zyklen der FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung der NaCl-Lösung deutlich über dem Grenzwert von 0,5 mm/m (Bild 4.25). Zwischen dem 12. und 16. Zyklus zeigt sich ein entsprechender, deutlich kritischer Dehnungsanstieg. Die Dehnungskurve unter Einwirkung der NaCl-Lösung beginnt sich ab dem 5. Zyklus von der Dehnungskurve unter Einwirkung von Wasser zu separieren. Unter Einwirkung von Wasser bleibt die Dehnung bis zum Abschluss der FIB-Klimawechsellagerung deutlich unter dem Grenzwert von 0,4 mm/m. Für den zusätzlich unter Einwirkung von NaCl-Lösung geprüften Würfel (30×30×30 cm) zeigt sich ab dem 8. Zyklus ein deutlicher Anstieg der Dehnung, wobei die absoluten Werte hier geringer sind (Bild 4.26). Am Würfel zeigten sich augenscheinlich erste Risse (Bild 4.27, Bild 4.28). Damit ergeben sich für den Beton 4 unter Einwirkung der NaCl-Lösung, nicht aber unter Einwirkung von Wasser, sowohl anhand der Höhe der Dehnung nach dem 16. Zyklus und des Dehnungsanstiegs zwischen dem 12. und 16. Zyklus als auch anhand einer beginnenden Rissbildung am Würfel Hinweise auf den Ablauf einer betonschädigenden AKR. 1,0 CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N, Rüdersdorf, Na2Oäq = 0,93 M.% 430 kg/m³, w/z = 0,40, LPFr = 2,0 Vol.-% 37,8 Vol.-% Sand 0/2, Hohensaaten (MST: 1,38 mm/m) 24,1 Vol.-% Kies 2/8, Mühlberg (MST: 2,25 mm/m) 38,1 Vol.-% Kies 8/16, Mühlberg (MST: 2,19 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 0,5 0,4 Grenzwert NaCl-Lösung Grenzwert Wasser 0,39 0,3 0,24 0,2 0,18 0,19 0,14 0,13 0,12 0,1 0,11 0,0 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.21: Dehnungsverläufe während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 3 (Balken) Seite 24 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 1,0 CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N, Rüdersdorf, Na2Oäq = 0,93 M.% 430 kg/m³, w/z = 0,40, LPFr = 2,0 Vol.-% 37,8 Vol.-% Sand 0/2, Hohensaaten (MST: 1,38 mm/m) 24,1 Vol.-% Kies 2/8, Mühlberg (MST: 2,25 mm/m) 38,1 Vol.-% Kies 8/16, Mühlberg (MST: 2,19 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,21 0,2 0,16 0,15 0,11 0,1 0,0 -0,1 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.22: Dehnungsverlauf (Mittel) während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 3 (Würfel) Bild 4.23: Beton 3, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Bild 4.24: Beton 3, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung ohne er- Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung ohne erkennbare Risse (erkennbar sind die vier Messzapfen) kennbare Risse (Seitenfläche mit Messzapfen) Seite 25 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse 1,0 CEM I 42,5 N, Königs Wusterhausen, Na2Oäq = 1,09 M.-% 335 kg/m³, w/z = 0,48, LPFr = 5,5 Vol.-% 35 Vol.-% Sand 0/2, Schlagsdorf (MST: 1,63 mm/m) 20 Vol.-% Kies 2/8, Schlagsdorf (MST: 1,99 mm/m) 20 Vol.-% Kies 8/16, Schlagsdorf (MST: 2,18 mm/m) 25 Vol.-% Kies 16/32, Schlagsdorf (MST: 2,06 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,66 0,6 0,5 0,4 Grenzwert NaCl-Lösung 0,46 Grenzwert Wasser 0,3 0,28 0,2 0,21 0,11 0,11 0,12 0,12 0,1 0,0 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.25: Dehnungsverläufe während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 4 (Balken) 1,0 CEM I 42,5 N, Königs Wusterhausen, Na2Oäq = 1,10 M.-% 335 kg/m³, w/z = 0,48, LPFr = 5,5 Vol.-% 35 Vol.-% Sand 0/2, Schlagsdorf (MST: 1,63 mm/m) 20 Vol.-% Kies 2/8, Schlagsdorf (MST: 1,99 mm/m) 20 Vol.-% Kies 8/16, Schlagsdorf (MST: 2,18 mm/m) 25 Vol.-% Kies 16/32, Schlagsdorf (MST: 2,06 mm/m) 0,9 0,8 Einwirkung NaCl-Lösung 0,7 0,6 0,5 0,46 0,4 0,3 0,2 0,13 0,21 0,1 0,07 0,0 -0,1 0 21 42 63 Zeit336 [d] 357 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 Bild 4.26: Dehnungsverlauf (Mittel) während der FIB-Klimawechsellagerung für den Beton 4 (Würfel) Seite 26 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.27: Beton 4, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Bild 4.28: Beton 4, Würfel (30×30×30 cm) nach 16 Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung mit Hinwei- Zyklen unter Einwirkung von NaCl-Lösung mit Rissbilsen auf eine beginnende Rissbildung (Pfeile) dung an der Oberfläche (Pfeile) 4.6 Lichtmikroskopische Untersuchung an Dünnschliffen Nach 16 Zyklen der FIB-Klimawechsellagerung wurde für die vier geprüften Betone aus je einem Probekörper je Prüflösung (Wasser, NaCl-Lösung) ein Dünnschliff im Großformat (6×10 cm) hergestellt und im Polarisationsmikroskop bemustert. Beton 1 Unter Einwirkung von Wasser (Bild 4.29) fanden sich im gesamten Dünnschliff keine AKRMerkmale. Einzelne Kalksteinkörner (Bild 4.31), aber auch ein Rhyolithkorn (Bild 4.32), zeigten Randspalte im Kontakt zur Zementsteinmatrix, jedoch immer ohne Phasenneubildungen. Die gesamte Matrix erschien insgesamt intakt (Bild 4.33) und Poren zeigten sich stets frei von Phasenneubildungen (Bild 4.34). Gut erkennen ließen sich größere, unhydratisierte Hüttensandkörner aus dem CEM III-Zement (Bild 4.35). Auch unter Einwirkung von NaCl-Lösung (Bild 4.30) fanden sich im gesamten Dünnschliff keine AKR-Merkmale. Einzelne Kalksteinkörner zeigten ebenfalls eine leichte Randspaltbildung im Kontakt zur Zementsteinmatrix (Bild 4.36), selbst Flintkörner zeigten aber keine Hinweise auf eine Anlösung (Bild 4.37) und alle Poren waren stets frei von Phasenneubildungen (Bild 4.38). Auch hier ließen sich einzelne, unhydratisierte Hüttensandkörner aus dem CEM IIIZement gut erkennen (Bild 4.39). Beton 2 Unter Einwirkung von Wasser (Bild 4.40) zeigten sich AKR-Merkmale in Form von Anlöseerscheinungen (Reaktionssäumen) und AKR-Gel im Zusammenhang mit Flint-, gestressten Quarz-, Sandstein-, Kieselschiefer-, Kieselkalk- und Rhyolithkörnern (Bild 4.42-Bild 4.45). AKRbedingte Risse ließen sich aber nicht erkennen (Bild 4.46). Unter Einwirkung von NaCl-Lösung (Bild 4.41) zeigten sich neben den bereits unter Einwirkung von Wasser festgestellten AKR-Merkmalen in Form von Anlöseerscheinungen und AKRGel auch deutliche Mikrorisse in Gesteinskörnern und in der Matrix (Bild 4.47-Bild 4.51), was auf eine verstärkt abgelaufene AKR unter Einwirkung der NaCl-Lösung hindeutet. Beton 3 Unter Einwirkung von Wasser (Bild 4.52) fanden sich im gesamten Dünnschliff keine AKRMerkmale. Die gesamte Matrix erschien sehr dicht und intakt, mit nur einzelnen, sehr feinen Mikrorissen (< 5 µm) und stets ohne Hinweise auf Phasenneubildungen (Bild 4.54-Bild 4.56). Seite 27 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Unter Einwirkung von NaCl-Lösung (Bild 4.53) zeigten sich erste AKR-Merkmale in Form von AKR-Gel in Poren, speziell im Zusammenhang mit gestressten Quarzkörnern, aber auch Flintkörnern (Bild 4.57, Bild 4.58). Insgesamt erschien die Matrix intakt (Bild 4.59), mit Poren ohne Phasenneubildungen und nur einzelnen, feinen Mikrorissen (< 5 µm), wie bereits unter Einwirkung von Wasser. Beton 4 Unter Einwirkung von Wasser (Bild 4.60) zeigten sich AKR-Merkmale in Form von Anlöseerscheinungen (Reaktionssäumen), AKR-Gel und einzelnen, gerissenen Gesteinskörnern. Davon betroffen waren Flint- und Grauwackekörner (Bild 4.62, Bild 4.63). Insgesamt erschien die Matrix aber intakt, überwiegend mit Poren ohne Phasenneubildungen (Bild 4.64, Bild 4.65). Unter Einwirkung von NaCl-Lösung (Bild 4.61) zeigten sich deutlich mehr AKR-Merkmale in Form von Anlöseerscheinungen (Reaktionssäumen), AKR-Gel und gerissenen Gesteinskörnern. Neben Flint- und Grauwackekörnern waren hier auch Rhyolith- und gestresste Quarzkörner von einer AKR betroffen (Bild 4.66-Bild 4.69). Bild 4.29: Beton 1, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von Wasser nach der FIBKlimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-5), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Bild 4.30: Beton 1, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von NaCl-Lösung nach der FIB-Klimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-4), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Seite 28 von 42 Gutachten BAW 4 Ergebnisse Bild 4.31: Beton 1, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.32: Beton 1, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Randspalte (Pfeile) um Muschelkalkkörner, Bereich 1 in Randspalt (Pfeil) um ein Rhyolithkorn, Bereich 2 in Bild Bild 4.29, einfach Pol. 4.29, einfach Pol. G Q Bild 4.33: Beton 1, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.34: Beton 1, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), intakter Bereich mit Granitkorn (G) und gestresstem intakter Bereich mit Poren ohne Phasenneubildungen, Quarzkorn (Q), Bereich 3 in Bild 4.29, einfach Pol. Bereich 4 in Bild 4.29, einfach Pol. Bild 4.35: Beton 1, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.36: Beton 1, Einwirkung NaCl-Lösung (16. ZykAnsammlung von Hüttensandkörnern (Bildmitte) aus lus), Randspalt (Pfeil) um ein Kalksteinkorn, Bereich 1 in dem CEM III-Zement, Bereich 5 in Bild 4.29, einfach Pol. Bild 4.30, einfach Pol. Seite 29 von 42 Gutachten BAW 4 Ergebnisse Bild 4.37: Beton 1, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.38: Beton 1, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), poröses Flintkorn ohne Anzeichnen einer AKR, lus), intakter Bereich mit Poren ohne PhasenneubildunBereich 2 in Bild 4.30, einfach Pol. gen, Bereich 3 in Bild 4.30, einfach Pol. Bild 4.39: Beton 1, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), Ansammlung von Hüttensandkörnern aus dem CEM III-Zement, Bereich 4 in Bild 4.30, einfach Pol. Seite 30 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 Bild 4.40: Beton 2, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von Wasser nach der FIBKlimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-4), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) 4 Ergebnisse Bild 4.41: Beton 2, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von NaCl-Lösung nach der FIB-Klimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-5), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Bild 4.42: Beton 2, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.43: Beton 2, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Flintkorn mit Reaktionssaum und AKR-Gel (Pfeil) im Poren und Randspalt (komplett gefüllt) mit AKR-Gel, Randspalt, Bereich 1 in Bild 4.40, einfach Pol. Bereich 2 in Bild 4.40, einfach Pol. Seite 31 von 42 Gutachten BAW 4 Ergebnisse Bild 4.44: Beton 2, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.45: Beton 2, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Poren und Randspalt um ein Flintkorn mit AKR-Gel, Poren und Randspalt um ein Sandsteinkorn mit AKRBereich 3 in Bild 4.40, einfach Pol. Gel (Pfeile), Bereich 4 in Bild 4.40, einfach Pol. Bild 4.46: Beton 2, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.47: Beton 2, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zykintakter Bereich mit Poren ohne Phasenneubildungen, lus), Mikroriss mit AKR-Gel im Flankenbereich (Pfeile), Bereich 5 in Bild 4.40, einfach Pol. Bereich 1 in Bild 4.41, einfach Pol. Bild 4.48: Beton 2, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.49: Beton 2, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), gerissenes Kieselkalkkorn mit AKR-Gel in der Ris- lus), Flintkorn mit Reaktionssaum und angrenzende söffnung und in dem in die Matrix weiterlaufenden Poren mit AKR-Gel, Bereich 3 in Bild 4.41, einfach Pol. Mikroriss, Bereich 2 in Bild 4.41, einfach Pol. Seite 32 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.50: Beton 2, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.51: Beton 2, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), gerissenes Kieselschieferkorn mit AKR-Gel in der lus), Mikroriss mit AKR-Gel in der Zementsteinmatrix, Rissöffnung und in angrenzenden Poren, Bereich 4 in Bereich 5 in Bild 4.41, einfach Pol. Bild 4.41, einfach Pol. Bild 4.52: Beton 3, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von Wasser nach der FIBKlimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-3), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Bild 4.53: Beton 3, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von NaCl-Lösung nach der FIB-Klimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-3), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Seite 33 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.54: Beton 3, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.55: Beton 3, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), intakter und sehr dichter Matrixbereich ohne Anzeich- intakter Matrixbereich mit einzelnen Hüttensandkörnen einer AKR, Bereich 1 in Bild 4.52, einfach Pol. nern, Bereich 2 in Bild 4.52, einfach Pol. Bild 4.56: Beton 3, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.57: Beton 3, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zykfeiner Mikroriss (< 5 µm) in der Matrix ohne Phasen- lus), AKR-Gelsaum (Pfeil) an Porenwand, Bereich 1 in neubildungen, Bereich 3 in Bild 4.52, einfach Pol. Bild 4.53, einfach Pol. Bild 4.58: Beton 3, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.59: Beton 3, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), AKR-Gel (Pfeile) in Poren neben einem gestressten lus), intakter Bereich mit Poren ohne PhasenneubildunQuarzkorn, Bereich 2 in Bild 4.53, einfach Pol. gen, Bereich 3 in Bild 4.53, einfach Pol. Seite 34 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 Bild 4.60: Beton 4, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von Wasser nach der FIBKlimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-4), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) 4 Ergebnisse Bild 4.61: Beton 4, Dünnschliff (6×10 cm) aus einem Probekörper unter Einwirkung von NaCl-Lösung nach der FIB-Klimawechsellagerung (16. Zyklus) mit Kennzeichnung der dokumentierten Detailbereiche (Quadrate 1-4), ggf. zusätzlicher Bereiche mit AKR-Merkmalen (rote Kreise) und vorgefundener Mikrorisse (rote Linien) Bild 4.62: Beton 4, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.63: Beton 4, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), poröses, angelöstes Flintkorn und Poren mit AKR-Gel gerissenes Grauwackekorn mit AKR-Gel (Pfeile) im (Pfeile), Bereich 1 in Bild 4.60, einfach Pol. Randspalt und in angrenzenden Poren, Bereich 2 in Bild 4.60, einfach Pol. Seite 35 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 4 Ergebnisse Bild 4.64: Beton 4, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), Bild 4.65: Beton 4, Einwirkung Wasser (16. Zyklus), intakter Bereich mit Poren ohne Phasenneubildungen, intakter Bereich mit vereinzelten Hüttensandkörnern Bereich 3 in Bild 4.60, einfach Pol. (Pfeile), Bereich 4 in Bild 4.60, einfach Pol. Bild 4.66: Beton 4, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.67: Beton 4, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), gestresstes Quarzkorn mit Mikroriss (Pfeil) und lus), poröses, gerissenes Flintkorn mit AKR-Gel in anAKR-Gel in angrenzender Pore, Bereich 1 in Bild 4.61, grenzender Pore, Bereich 2 in Bild 4.61, einfach Pol. einfach Pol. R Bild 4.68: Beton 4, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyk- Bild 4.69: Beton 4, Einwirkung NaCl-Lösung (16. Zyklus), gerissenes Grauwackekorn und Poren mit AKR-Gel, lus), stark alteriertes Rhyolithkorn (R) und Poren mit Bereich 3 in Bild 4.61, einfach Pol. AKR-Gel (Pfeile), Bereich 4 in Bild 4.61, einfach Pol. Seite 36 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 5 5 Zusammenfassung Zusammenfassung Ziel dieses Gutachtens war die Beurteilung der Eignung von vier Betonzusammensetzungen zum Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR im Auftrag der Bundesanstalt für Wasserbau. Als Grundlage dafür wurden die vorgesehenen, insgesamt 14 Gesteinskörnungen aus den Lieferwerken Burg, Parey, Hohensaaten, Mühlberg und Schlagsdorf mit dem Mörtelschnelltest geprüft, dem Natronlaugetest (nur Sande 0/2) unterzogen sowie petrographisch (nur Kiese 2/8 und 8/16) charakterisiert. Zur Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials wurden die vier Betonzusammensetzungen mit der FIB-Klimawechsellagerung sowohl unter Einwirkung von NaCl-Lösung (Feuchtigkeitsklasse WA) als auch unter Einwirkung von Wasser (Feuchtigkeitsklasse WF) geprüft. Im Anschluss daran erfolgte eine lichtmikroskopische Untersuchung von Betondünnschliffen. Flankierend wurde das Na2O-Äquivalent der insgesamt drei verschiedenen Zemente bestimmt. Zusammenfassend können anhand der vorliegenden Ergebnisse und den am F.A. FingerInstitut für Baustoffkunde vorhandenen Erfahrungen mit derartigen Untersuchungen die folgenden Aussagen abgeleitet werden: Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 1 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8 und 8/16) aus dem Lieferwerk Burg und dem Zement CEM III/A 32,5 N-LH/NA aus dem Werk Eisenhüttenstadt (Tabelle 4.6), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 2 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8, 8/16 und 16/32) aus dem Lieferwerk Parey und dem Zement CEM I 42,5 N aus dem Werk Königs Wusterhausen (Tabelle 4.7), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF geeignet, im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WA jedoch nicht geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 3 mit Gesteinskörnungen aus den Lieferwerken Hohensaaten (Sand 0/2) und Mühlberg (Kies 2/8 und 8/16) sowie mit dem Zement CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N aus dem Werk Rüdersdorf (Tabelle 4.8), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA geeignet. Die mit der FIB-Klimawechsellagerung geprüfte Betonzusammensetzung Nr. 4 mit Gesteinskörnungen (Sand 0/2, Kies 2/8, 8/16 und 16/32) aus dem Lieferwerk Schlagsdorf und dem CEM I 42,5 N aus dem Werk Königs Wusterhausen (Tabelle 4.9), ist für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WF geeignet, im Sinne der Feuchtigkeitsklasse WA jedoch nicht geeignet. Seite 37 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 5 Zusammenfassung Die Gesteinskörnungen (0/2, 2/8, 8/16) aus dem Lieferwerk Burg werden auf Grundlage der durchgeführten Mörtelschnelltests, des Natronlaugetests (0/2) sowie der petrographischen Charakterisierung (2/8, 8/16) insgesamt als alkalireaktiv eingeschätzt, so dass zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR beim Einsatz dieser Gesteinskörnungen im Beton vorbeugende Maßnahmen erforderlich sind. Im Ergebnis der für den Beton 1 durchgeführten AKRPerformance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung zeigte sich in Kombination mit den lichtmikroskopischen Untersuchungen an Betondünnschliffen, dass es sowohl unter Einwirkung von NaCl-Lösung (WA) als auch unter Einwirkung von Wasser (WF) nicht zum Ablauf einer betonschädigenden AKR gekommen ist. Der Einsatz des CEM III/A-Zementes mit NACharakter erwies sich damit in Kombination mit dem gewählten Zementgehalt als eine ausreichend vorbeugende Maßnahme zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR. Damit kann die Eignung von Beton 1 für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl für die Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA bestätigt werden (Tabelle 4.12). Von den Gesteinskörnungen (0/2, 2/8, 8/16, 16/32) aus dem Lieferwerk Parey werden auf Grundlage der durchgeführten Mörtelschnelltests, des Natronlaugetests (0/2) sowie der petrographischen Charakterisierung (2/8, 8/16) die Kiese 2/8 und 8/16 insgesamt als alkalireaktiv und der Sand 0/2 sowie der Kies 16/32 insgesamt als ausreichend alkaliunempfindlich eingeschätzt. Zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR sind damit beim Einsatz der Kiese 2/8 und 8/16 aus Parey im Beton vorbeugende Maßnahmen erforderlich. Im Ergebnis der für den Beton 2 durchgeführten AKR-Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung zeigte sich in Kombination mit den lichtmikroskopischen Untersuchungen an Betondünnschliffen, dass es unter Einwirkung von NaCl-Lösung (WA) zum Ablauf einer betonschädigenden AKR (Flint-, gestresste Quarz-, Sandstein-, Kieselschiefer-, Kieselkalk- und Rhyolithkörner) gekommen ist, nicht aber unter Einwirkung von Wasser (WF). Ohne eine äußere Alkalizufuhr ist der zementbedingte Gesamtalkaligehalt von Beton 2 damit ausreichend gering, um den Ablauf einer betonschädigenden AKR trotz des Einsatzes der alkalireaktiven Kiese zu vermeiden. Damit kann die Eignung von Beton 2 für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR nur für die Feuchtigkeitsklasse WF, nicht jedoch für die Feuchtigkeitsklasse WA bestätigt werden (Tabelle 4.12). Die Gesteinskörnungen (2/8, 8/16) aus dem Lieferwerk Mühlberg werden auf Grundlage der durchgeführten Mörtelschnelltests und der petrographischen Charakterisierung insgesamt als alkalireaktiv eingeschätzt. Auch aus früheren Untersuchungen am FIB, u.a. AKR-PerformancePrüfungen ist bekannt, dass die Kiese aus dem Lieferwerk Mühlberg alkalireaktiv sind und ein erhebliches AKR-Schädigungspotential in ungeeigneten Betonzusammensetzungen haben. Der Sand 0/2 aus dem Lieferwerk Hohensaaten wird auf Grundlage des durchgeführten Mörtelschnell- und Natronlaugetests insgesamt als ausreichend alkaliunempfindlich eingeschätzt. Zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR sind damit beim Einsatz der Kiese 2/8 und 8/16 aus Mühlberg im Beton vorbeugende Maßnahmen erforderlich. Im Ergebnis der für den Beton 3 durchgeführten AKR-Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung zeigte sich in Kombination mit den lichtmikroskopischen Untersuchungen an Betondünnschliffen, dass es trotz erster Hinweise auf eine AKR (Flint- und gestresste Quarzkörner) unter Einwirkung von NaCl-Lösung (WA) insgesamt aber nicht zum Ablauf einer betonschädigenden AKR gekommen ist. Der Einsatz des CEM II/A-Zementes erwies sich damit in Kombination mit dem gewählten Zementgehalt als eine ausreichend vorbeugende Maßnahme zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR. Damit kann die Eignung von Beton 3 für den Bau von WasserSeite 38 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 5 Zusammenfassung bauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR sowohl für die Feuchtigkeitsklasse WF als auch WA bestätigt werden (Tabelle 4.12). Von den Gesteinskörnungen (0/2, 2/8, 8/16, 16/32) aus dem Lieferwerk Schlagsdorf werden auf Grundlage der durchgeführten Mörtelschnelltests, des Natronlaugetests (0/2) sowie der petrographischen Charakterisierung (2/8, 8/16) die Kiese 2/8, 8/16 und 16/32 insgesamt als alkalireaktiv und der Sand 0/2 als ausreichend alkaliunempfindlich eingeschätzt. Zur Vermeidung einer betonschädigenden AKR sind damit beim Einsatz der Kiese 2/8, 8/16 und 16/32 aus Schlagsdorf im Beton vorbeugende Maßnahmen erforderlich. Im Ergebnis der für den Beton 4 durchgeführten AKR-Performance-Prüfung mittels FIB-Klimawechsellagerung zeigte sich in Kombination mit den lichtmikroskopischen Untersuchungen an Betondünnschliffen, dass es unter Einwirkung von NaCl-Lösung (WA) zum Ablauf einer betonschädigenden AKR (Flint-, Grauwacke-, Rhyolith- und gestresste Quarzkörner) gekommen ist, nicht aber unter Einwirkung von Wasser (WF). Ohne eine äußere Alkalizufuhr ist der zementbedingte Gesamtalkaligehalt von Beton 4 damit ausreichend gering, um den Ablauf einer betonschädigenden AKR trotz des Einsatzes der alkalireaktiven Kiese zu vermeiden. Damit kann die Eignung von Beton 4 für den Bau von Wasserbauwerken bezüglich einer dem Stand der Technik entsprechenden Sicherheit gegenüber einer betonschädigenden AKR nur für die Feuchtigkeitsklasse WF, nicht jedoch für die Feuchtigkeitsklasse WA bestätigt werden (Tabelle 4.12). Tabelle 4.12: Eignung der geprüften vier Betone in Abhängigkeit von der Feuchtigkeitsklasse Beton-Nr. Gesamtalkaligehalt in kg(Na2Oäq)/m³ 1 Eignung für die Feuchtigkeitsklasse WF WA 3,06 geeignet geeignet 2 3,82 geeignet nicht geeignet 3 4,00 geeignet geeignet 4 3,65 geeignet nicht geeignet Abschließend soll darauf hingewiesen werden, dass die Ergebnisse aus den zugrunde gelegten Untersuchungen prinzipiell nur für die jeweils untersuchten Lieferchargen gültig sind. Gesteinskörnungen aus natürlichen Vorkommen sind inhomogene Naturprodukte, deren Zusammensetzung sich mit dem weiter fortschreitenden Abbau ändern kann. Daher ist eine allgemeingültige und zeitlich unbegrenzte Aussage zur Alkaliempfindlichkeit der einzelnen Gesteinskörnungen bzw. der Gewinnungsgebiete nicht möglich. In regelmäßigen Zeitabständen (Qualitätskontrolle) bzw. bei Änderung der Abbausituation müssen die Untersuchungen wiederholt und eine erneute Beurteilung vorgenommen werden. Dieses Gutachten darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Jede gekürzte oder auszugsweise Vervielfältigung oder Veröffentlichung ist nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung des F.A. FingerInstituts für Baustoffkunde zulässig. Seite 39 von 42 Gutachten FIB-AN 336-10 6 Quellenverzeichnis Quellenverzeichnis [1] Stark, J.: Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Schriftenreihe des F.A. Finger-Instituts für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar (2008). [2] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Hrsg.: Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie). Ausgabe Februar 2007. [3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Hrsg.: 1. Berichtigung zur DAfStb-Richtlinie Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie). Ausgabe April 2010. [4] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Hrsg.: 2. Berichtigung zur DAfStb-Richtlinie Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie). Ausgabe April 2011. 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Internationale Baustofftagung (ibausil), Weimar, Tagungsbericht Band 2 (2009), S. 241-246 [24] Giebson, C., Seyfarth, K., Stark, J.: Influence of acetate and formate-based deicers on ASR in airfield concrete pavements, Cement and Concrete Research, Vol. 40 (2010), pp. 537-545 [25] Giebson, C., Seyfarth, K., Stark, J.: Effectiveness of ground granulated blast furnace slag in preventing deleterious ASR in concretes exposed to alkali-containing deicer solutions. Proceedings of the International RILEM Conference on Material Science (PRO 77), Vol. III (2010), pp. 221-230. [26] Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C., Erfurt, D.: 70 Years of ASR with No End in Sight?, ZKG International, No. 4-2010, pp. 86-95 (part 1) and No. 5-2010, pp. 55-70 (part 2). [27] Sims, I., Nixon, P.: RILEM Recommended Test Method AAR-1: Detection of potential alkalireactivity of aggregates - Petrographic method. Materials and Structures 36 (2003), pp. 480496. 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