Einfluss der Probekörpergeometrie und Lage der Probekörper

Je nach Prüfkörpergeometrie sind deren Ausdehnungsverhalten sowie das Ausmaß der AKR-Schädigung unterschiedlich. Über den Vorteil der Probenvergrößerung wurde bereits im vorherigen Kapitel berichtet. Je massiger ein Prüfkörper ist, desto mehr Alkalien stehen für die Reaktion zur Verfügung und die Reaktion dauert länger, bis alle betoneigenen Alkalien verbraucht werden. Außerdem besteht bei massigeren Prüfkörpern die Auslaugungsgefahr eine untergeordnete Rolle. Die Auslaugung ist ein wesentlicher Einflussfaktor für die Reaktion. Wie bei der Literatursichtung gezeigt, ist das Vorhandensein der Alkalihydroxide für eine schädigende Reaktion ohne Zweifel eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen. Ohne diese bzw. weniger werdende Mengen durch Alkaliauslaugung kommt die Reaktion zum Stillstand.

In der 40°C-Nebelkammer zeigte sich, dass alle Betonzylinder mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen einzelne größere Risse an allen Seiten aufwiesen. Hingegen war nur der Betonbalken mit OR-Gestein mit wenigen feineren Rissen durchzogen. Da die in dieser Studie verwendeten Betonzylinder ein geringeres Oberflächen/Volumen-Verhältnis als Betonbalken besaßen, erfuhren diese dementsprechend eine höhere Schädigung. Wie aus Bild 6.1 ersichtlich bestehen die Risse am Betonbalken aus feineren Rissen, wobei die Risse am Betonzylinder deutlich größer (hier 0,8 mm) waren.

Hier darf nicht außer Acht gelassen werden, dass beide Betonproben mit der gleichen Gesteinskörnung, nämlich mit gebrochenem Kies des Oberrheins (OR), und mit gleicher Betonrezeptur hergestellt waren. Es zeigte sich wiederum, dass am Würfel mit einer Kantenlänge von 300 mm (mit Oberflächen/Volumen-Verhältnis von 0,2) die Rissweiten größer waren die vom Betonzylinder (Bild 6.2).

Bei den anderen alkaliempfindlichen Betonen erfuhren die Betonbalken keine Dehnungen in der Nebelkammer. Sowohl beim Betonzylinder als auch beim größeren Betonwürfel mit GW und QP hingegen kam es wiederum zu größeren Rissbreiten, da das Oberflächen/Volumen-Verhältnis dieser Betonproben geringer als die von Betonbalken war.

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Bild 6.1 Rissentwicklung (feine Risse) an Betonbalken (links) und an Betonzylindern (ca. 0,8 mm) (rechts) hergestellt mit OR als Gesteinskörnung.

Bild 6.2 Rissentwicklung an Betonwürfel [300 x 300 x 300 m³] (links) und Vergrößerung des Detailbereichs (Risse bis ca. 1,2 mm) (rechts).

Es ist erwähnenswert, dass auch die Lage der gelagerten Betonproben in der Nebelkammer einen nennenswerten Einfluss auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion haben könnte. Je nach der Lage, ob die Betonproben über einem Rippenheizkörper oder direkt neben einem Verdampfer gelagert waren, konnte das Ausmaß der Schädigung für Betone gleicher Rezeptur und gleichen Alters unterschiedlich sein. Da die Abschätzung des Ausmaßes dieses Einflussfaktors nicht ermittelbar bzw. abschätzbar ist, wird diese nicht näher behandelt.

121 6.2 Modellbildung nach Larive

Mit dem Modell von Larive kann aus der ermittelten Dehnungskurve während der Nebelkammerlagerung die Reaktionsrate einer Alkalikieselsäure vorhergesagt bzw.

abgeleitet werden.

Nach [Lar 97] können aus dem beliebigen S-förmigen Kurvenverlauf folgende Parameter abgeleitet werden:



: die asymptotische Dehnung

Latence



: Latenzdehnung

Latence



: Latenzzeit

Carac



: charakteristische Zeit

In Bild 6.3 ist eine grafische Darstellung für die Ermittlung der o.g. Parameter wiedergegeben.

Bild 6.3 Grafische Darstellung des S-förmigen Kurvenverlaufs und die zur Beschreibung dieser Kurve benötigten Parameter [Lar 97].

Die Latenzzeit

τ

Latence ist der Wendepunkt der Dehnungskurve. Die zugehörige Latenzdehnung

ε

Latence wird mit der folgenden Gleichung (Gleichung (6.1)) ermittelt:

122

 





 



 







^{  Carac}

Latence

Latence

e







 1

2

1

(6.1)

Die doppelte charakteristische Zeit (2 x

τ

Carac) ist der horizontale Abstand zwischen der Latenzzeit

τ

Latence und dem Schnittpunkt der Tangente mit der asymptotischen Dehnung ε^∞ (Bild 6.3).

Die S-förmige Dehnungskurve wird nach Ermittlung der notwendigen Parameter mit der folgenden Gleichung (Gleichung (6.2)) abgebildet:

 

Carac Latence Carac

t t

ch

e e











_









  1

1

  (6.2)

Die Übereinstimmung der ermittelten Dehnungskurve und die Dehnungskurve nach Larive (berechnet) ist in Bild 6.4 wiedergegeben.

Bild 6.4 Gegenüberstellung der Dehnungskurve während der 560tägigen Nebelkammerlagerung (Zylinderdehnung) und dem nach Larive [Lar 97]

ermittelten S-förmigen Kurvenverlauf (rote Kurve).

Da der anfängliche Dehnungsanstieg infolge des Temperaturanstiegs der Nebelkammer mit der Larive-Kurve nicht abgebildet werden kann, wurde der anfängliche

0 56 112 168 224 280 336 392 448 504 560 0

1 2 3 4 5

Zylinderdehnung [mm/m]

Nebelkammerlagerung (40°C) in Tagen OR

GW QP QP(SW)

Dehnung nach Larive

123

Temperaturanstieg (von 20°C des Feuchtraums auf 40°C der Nebelkammer) von ermittelten Zylinderdehnungen beim Beginn der Nebelkammerlagerung abgezogen.

Für die Betone mit QP als Gestein ergibt der Dehnungsverlauf während der 560tägigen Nebelkammerlagerung einen wenigen typischen S-förmigen Kurvenverlauf. Daher ist die Übereinstimmung gegenüber den Dehnungsverläufen der Betonproben mit OR und GW als Gesteinskörnung deutlich schlechter (Bild 6.4).

Da die Betonproben mit QP(SW) als Gesteinskörnung während der Nebelkammerlagerung keine Dehnungen infolge einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion aufzeigten, konnten für diese Betone keine Parameter ermittelt werden. Die folgende Tabelle gibt die ermittelten Parameter wieder.

Tabelle 6.1: Für die Ermittlung der Larive-Dehnungen benötigte Parameter Gesteinskörnung Parameter für die Ermittlung der Larive-Dehnungen

ε^∞ εLatence τLatence τCarac

[mm/m] [mm/m] [d] [d]

OR 4,53 2,20 103 29

GW 2,39 1,19 192 31

QP 0,98 0,49 392 46

QP(SW) 0,11 ― ― ―

Mit der ersten Ableitung der Larive-Kurve kann die Reaktionsrate der hergestellten Betonproben abgebildet werden. Sie ist ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit. Die erste Ableitung der Dehnungsgleichung (Gleichung (6.2)) hat ein Maximum beim Wendepunkt (τLatence). Sie gibt die Zeit beim Reaktionsmaximum der Alkali-Kieselsäure-Reaktion wieder. Ab diesem Zeitpunkt fängt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion an abzuklingen.

Für eine bessere Veranschaulichung wird im Bild 6.5 die erste Ableitung der S-förmigen Dehnungskurve grafisch abgebildet.

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Bild 6.5 Grafische Darstellung der ersten Ableitung der S-förmigen Dehnungskurve während der 560tägigen Nebelkammerlagerung.

Beim Beton mit OR als Gestein erreicht die Alkali-Kieselsäure-Reaktion knapp nach 103 Tagen in der Nebelkammer ihr Reaktionsmaximum. Damit wurde zum festgelegten Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung eine sehr günstige Zeit zur Untersuchung erwischt.

Bei der Grauwacke liegt das Reaktionsmaximum knapp nach 190 Tagen in der Nebelkammer. Die Betone hergestellt mit Grauwacke wurden erst nach 90 Tagen nach Erreichen des Reaktionsmaximums untersucht somit hatten die Betonproben hergestellt mit GW als Gesteinskörnung wie im Kapitel 6 beschrieben genug Zeit (90 Tage) für das Ausheilen der Risse.

Die Betonproben mit QP als Gesteinskörnung erreichen ein Maximum der Alkali-Kieselsäure-Reaktion nach 392 Tagen Nebelkammerlagerung. Somit erwies sich der Untersuchungszeitpunk nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung für diese Betone als zu früh und der Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung als zu spät.

Während der Nebelkammerlagerung zeigten nur die Balken der hergestellten Betone mit gebrochenem Kies des Oberrheins (OR) deutliche Zunahmen der Dehnungen.

Dieser typische S-förmige Kurvenverlauf kann wie bei den Zylinderdehnungen nach Larive abgebildet werden (Bild 6.6).

0 56 112 168 224 280 336 392 448 504 560 0,00

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Dehnungsrate [mm/(m.d)]

Zeit [d]

OR GW QP

125

Bild 6.6 Übereinstimmung der Balkendehnung der hergestellten Betone mit gebrochenem Kies des Oberrheins (OR) und mit der Modellbildung nach Larive.

Die Parameter dieser Funktion der OR-Dehnungskurve sind in der Tabelle 6.2 wiedergegeben.

Tabelle 6.2: Für die Ermittlung der Larive-Dehnungen benötigte Parameter für OR-Balkendehnungen

Gesteinskörnung Parameter für die Ermittlung der Larive-Dehnungen

ε^∞ εLatence τLatence τCarac

[mm/m] [mm/m] [d] [d]

OR 1,608 0,804 96 24

Wenn die Dehnungsraten der Zylinderdehnungen und Balkendehnungen verglichen werden, ist zu erkennen, dass bei Balkendehnungen das Reaktionsmaximum nach 84 Tagen in der Nebelkammer erreicht wird (Bild 6.7). Diese Zeit ist im Gegensatz zum Zylinder mit 103 Tagen wesentlich kürzer. Die Reaktionsrate mit 0,017 mm/(m.d) der Balkenproben ist auch deutlich geringer (2,5-mal) als die von Zylinderproben mit 0,04 mm/(m.d). Die bereits diskutierte Prüfkörpergeometrie und Auslaugung der Prüfkörper sind für die unterschiedlichen Reaktionsraten verantwortlich.

0 56 112 168 224 280 336 392 448 504 560 0

1 2 3 4 5

gebr. Kies des Oberrheins (OR)

Dehnung in der Nebelkammer Dehnung nach Larive

Balkendehnung [mm/m]

Nebelkammerlagerung (40°C) in Tagen

126

Bild 6.7 Grafische Darstellung der ersten Ableitung der S-förmigen Dehnungskurve (hier Balkendehnung) der Betonprobe mit OR als Gestein während der 560tägigen Nebelkammerlagerung.

Im Dokument Kriechen von Beton unter Einfluss einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (Seite 119-126)