AKR

Lehrstuhl für Baustofftechnik
DFG FOR 1498
Alkali-Kieselsäure-Reaktionen in
Betonbauteilen bei gleichzeitiger
zyklischer Beanspruchung
und externer Alkalizufuhr
Lehrstuhl für
Statik & Dynamik
Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung
F.A. Finger-Institut
für Baustoffkunde
Sprecher:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher
Lehrstuhl für Baustofftechnik, Ruhr-Universität Bochum
FIB
Institut für Massivbau
und Baustofftechnologie
Workshop „AKR unter kombinierten Einwirkungen“
Weimar, 21. Oktober 2014
Grundlagen der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
Reaktion von
reaktionsfähigem SiO2 mit
Alkalien (Natrium, Kalium) bei
Präsenz von Feuchtigkeit und Calciumhydroxid,
zu quellfähigem Alkali-Kieselsäure-Gel
⇒ innerer
Quelldruck
(bis 20 N/mm²)
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AKR unter kombinierten Einwirkungen
Weimar, 21. Oktober 2014
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Hintergründe einer AKR
Erster bekannter Schadensfall 1922 in den USA
AKR in D seit rd. 1960 allgemein bekannt
Einschlägige Regelungen zur Vermeidung von AKR bei
Verwendung AKR-sensitiver Gesteine (Opal, Flint, z.T.
Grauwacke): DAfStb-Richtlinie AKR
⇓
Aufgrund „innerer“ Alkaliquelle:
v.a. NA-Zemente
Zwischenzeitlich:
Weitere Gesteine
(„slow-late“)
als alkaliempfindlich
detektiert
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Kritische Randbedingungen - Problemstellung
Sonderfälle (gemäß DAfStb-Richtlinie):
Externe Alkalizufuhr (Feuchteklasse WA)
Externe Alkalizufuhr unter dynamischer (zyklischer)
Einwirkung (Feuchteklasse WS)
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Beispiel – Relevanz: Betonfahrbahndecken
Von rd. 12.000 km BAB: ca. 1/3 in Betonbauweise
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Zyklische Beanspruchung von Fahrbahndecken
Überlagerung verschiedener Spannungsanteile (Zug):
Eigen- und Zwangsspannungen (thermisch / hygrisch)
Zentrischer Zwang
Biegezwang
Lastspannungen infolge
Verkehr
(Achslasten LKW 11,5 t)
⇓
Allmähliche Degradation
(Mikro-Gefügerisse)
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Problemstellung 1: Externer Alkalieintrag in das Betongefüge
Eintrag von externen Alkalien:
In vorgeschädigten Beton (Mikrorisse)
Einwalken durch überrollenden Verkehr
Dynamische Rissbewegungen durch überrollenden
Verkehr
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Bisherige Studien
Bislang
anwendungsorientierte Untersuchungen zur AKR;
Diagnosen von Schadensfällen
Jeweilige Beanspruchung (AKR, Verkehrsspannungen,
Zwangsspannungen) für sich allein bereits umfangreich,
jedoch unabhängig voneinander untersucht
Studien zur Überlagerung von mehreren Einwirkungen
(zyklische Beanspruchung und externe Alkalizufuhr)
existieren nicht
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Offene Fragen zur Vorschädigung und Alkalieintrag
In welchem Ausmaß entwickeln sich Mikrorisse unter den
kombinierten Einwirkungen in Betonfahrbahnen?
Inwieweit dringen alkalihaltige Taumittellösungen durch die
Überrollungen von Fahrzeugen / Rissbewegungen in Beton
mit / ohne Vorschädigungen ein?
Welche Quelldrücke können AKR-Gele im Beton hervorrufen?
In welchem Umfang und in welcher zeitlichen Abfolge
verändert eine AKR die Festigkeits- und
Verformungseigenschaften von Beton und damit seine
Beanspruchbarkeit?
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Problemstellung 2: Prozesse in Gesteinskörnern
Geogen- oder aufbereitungsbedingte Mikrorisse innerhalb
eines Gesteinskorns
Möglicherweise verstärkter Einfluss bei “slow-late”
Gesteinen
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Offene Fragen zur AKR-Schädigung im Gesteinskorn
Wie wirken sich geogene Mikrorisse bzw. durch die
Aufbereitung verursachte Schwachstellen im Gesteinskorn
auf das Eindringverhalten der Alkalien und des Calciums
aus?
Welchen Einfluss haben Mikrorisse (geogen- bzw.
aufbereitungsbedingt) im Gesteinskorn auf das AKRSchädigungspotenzial im Beton?
Welchen Einfluss haben Struktur und Zusammensetzung der
AKR-Gele auf die Entstehung von Quelldrücken?
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Forschungsprogramm
Mikro-Ebene
Auswirkungen von Vorschädigungen im Gefüge von groben
Gesteinskörnungen
Meso-Ebene
Betrachtung der Einflüsse aus Veränderungen infolge
Degradation im Betongefüge
Makro-Ebene
Zusammenführung und Überlagerung der beiden Effekte für
konkrete Bauteile, hier: Betonfahrbahndecken
Experimentelle Methoden
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numerische Modelle,
Simulationstechniken
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Teilprojekte FOR AKR
TP 1 (RUB, Baustofftechnik)
Externer Alkalieintrag in mechanisch /
thermisch vorgeschädigtes
Betongefüge
TP 4 (BAM)
Rissbildungsmechanismen –
Erfassung und Bewertung
TP 3 (RUB, Statik & Dynamik)
Numerisches Modell zur Beschreibung
von Alkalientransport und AKRinduzierter Schädigung in Beton
TP 5 (FIB)
Transport- und Lösevorgänge im
Gesteinskorn
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TP 6 (KIT)
Schadensrisiko /-entwicklung in
Betonfahrbahndecken als Folge einer
AKR
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Ziel
Wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn zu
den Wechselwirkungsmechanismen von zyklischer
Beanspruchung und externem Alkalieintrag,
deren Auswirkungen auf die Intensität einer AKR, sowie
auf die langzeitliche Strukturdegradation
Beitrag zur Ableitung abgesicherter Regelungen für
Beurteilung und Auswahl geeigneter Betonausgangsstoffe
Festlegung von Betonzusammensetzungen
Dimensionierung von Bauteilen
Einfach umzusetzende Maßnahmen während der Nutzung
Prognose des Langzeitverhaltens
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3. Workshop
Ende 2014:
Auslaufen der
1. Förderperiode
Derzeit:
Antrag für
2. Förderperiode
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WORKSHOP − 21. OKTOBER 2014
PROGRAMM − 10:00 - 16:30 UHR
10:00
Begrüßung
Einführung – Überblick über die DFG FOR 1498/0
13:30
AKR in Betonbauteilen bei gleichzeitiger zyklischer
Beanspruchung und externer Alkalizufuhr
University of Toronto, Canada
Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher
Ruhr-Universität Bochum, Deutschland
10:15
Experience with ASR in practice and testing
in NorthNorth-America
Prof. Dr. D. Hooton
14:10
Auswirkungen von Vorschädigungen und AKR auf
AKR in Betonfahrbahndecken –
aktueller Stand
Dr.Dr.-Ing. M. Wieland / Dipl.Dipl.-Ing. A. Spilker
die Betoneigenschaften
Bundesanstalt für Straßenwesen, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. H. S. Müller
Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland
10:55
Ausmaß von Vorschädigungen, Transportprozesse
in vorgeschädigtem Betongefüge
Prof. Dr.-Ing. B. Meng1, Prof. Dr. G. Meschke2
1Bundesanstalt
für Materialforschung und -prüfung
14:50
Kaffeepause
15:10 AKRAKR-Prüfverfahren: Ableitung
praxisgerechter
Bewertungskriterien
Dr.Dr.-Ing. C. Müller
Verein Deutscher Zementwerke e.V., Deutschland
2
Berlin, Ruhr-Universität Bochum, Deutschland
11:50
Alkali-Kieselsäure-Reaktionen in Gesteinskörnung
und vorgeschädigtem Betongefüge unter
Berücksichtigung externer Alkalizufuhr
Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig
Bauhaus-Universität Weimar, Deutschland
15:50 Maßnahmen gegen schädigende
Alkalireaktion
im Beton – Neuausgabe der AlkaliAlkali-Richtlinie
Dr.Dr.-Ing. U. Wiens
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e. V.,
Deutschland