Gefügeuntersuchungen an Betondünnschliffen

Ergänzend zu den Untersuchungen wurden nach jeder Vorlagerung an ausgewählten Betonprobekörpern mikroskopische Gefügeuntersuchungen durchgeführt. Hierfür wurden von ausgewählten Betonproben Dünnschliffe (47 × 47 x 0,02 mm³) für eine lichtmikroskopische Untersuchung im Polarisationsmikroskop (Fa. Zeiss) hergestellt.

Die Entwicklung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion kann unter einem Polarisationsmikroskop sehr gut beobachtet werden. Für diese Begutachtung müssen jedoch Dünnschliffproben aus geeigneten Stellen der Betonproben herausgesägt werden.

Die Betondünnschliffproben wurden vor dem Schleifen mit einem blauen Imprägnierharz vakuumgetränkt, weshalb alle Poren (z.B. Bild 4.29, links) und Risse (z.B. Bild 4.29, rechts) im parallel polarisierten Licht blau erscheinen.

Bild 4.29: Unbeschädigte Betonprobe mit OR als Gesteinskörnung nach 28tägiger Referenzlagerung (links) und feiner Riss innerhalb eines Oberrheinkieskorns zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung im parallel polarisierten Licht.

Das Bild 4.29 zeigt die Dünnschliffaufnahme des Betons mit OR als Gesteinskörnung zum Untersuchungszeitpunkt nach 28 Tagen Referenzlagerung (links) und nach 140tägiger Nebelkammerlagerung (rechts). Die Betondünnschliffe zeigen Gesteinskörner, die fest in der Zementsteinmatrix eingebunden sind. Die Dünnschliffaufnahme der Referenzprobe des OR-Betons (Bild 4.29, links) zeigt keine Risse, die auf eine schädigende AKR hätten zurückgeführt werden können. Die Dünnschliffaufnahme des Betons gleicher Gesteinskörnung zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung (Bild 4.28, rechts) zeigt einen mit blau eingefärbtem Imprägnierharz gefüllten Riss durch das ganze

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Gesteinskorn und in der Zementsteinmatrix. Wie im Kapitel 2 beschrieben, beginnt die Reaktion im Gesteinskorn und setzt sich in die Zementsteinmatrix fort.

Eine Ansammlung des AKR-Gels in den feinen Rissen bzw. in den Luftporen konnte nachgewiesen werden. In folgender Detailaufnahme (Bild 4.30, links) ist eine mit AKR-Gel befüllte Luftpore des Betondünnschliffs (Bild 4.29, rechts) abgebildet. Das zugehörige EDX-Spektrum in Bild 4.30 rechts zeigt die für ein AKR-Gel typischen Elemente Si, O, Ca und K.

Bild 4.30: Detailaufnahme der Dünnschliffprobe OR zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung mit der Ansammlung des AKR-Gels in der Luftpore (REM) (links) und das zugehörige EDX-Spektrum für das Alkali-Kieselsäure-Gel (rechts). 

Auch die Dünnschliffaufnahmen der Betone mit OR als Gesteinskörnung zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung (Bild 4.31, links) und von 560 Tagen Nebelkammerlagerung (Bild 4.31, rechts) zeigen den zum Teil mit blau eingefärbtem Imprägnierharz gefüllten Riss durch das ganze Gesteinskorn. Auffällig bei der Betrachtung der Bilder ist, dass die Risse mit längerer Lagerung in der Nebelkammer eine erhöhte Ansammlung von Alkali-Kieselsäure-Gel (schwarzer Bereich im Riss) aufzeigen.

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Bild 4.31: Riss innerhalb eines OR-Betons nach 280tägiger Nebelkammerlagerung (links) und zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung (rechts) im parallel polarisierten Licht.

Bild 4.32: Detailaufnahme der Dünnschliffprobe OR zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung mit der Ansammlung des AKR-Gels im Riss (links) und die zugehörige REM-Aufnahme (rechts). 

Eine Ansammlung des AKR-Gels in den Rissen der Betondünnschliffe mit OR als Gesteinskorn nach 280tägiger bzw. nach 560tägiger Nebelkammerlagerung konnten mit der EDX-Analyse unter einem Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) nachgewiesen werden. Das folgende EDX-Spektrum der Detailaufnahme (Bild 4.32, rechts) zeigt die für ein AKR-Gel typischen Elemente Si, O, Ca und K (Bild 4.33).

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Bild 4.33: Zu Bild 4.32 gehörendes EDX-Spektrum für das Alkali-Kieselsäure-Gel.

Das Bild 4.34 zeigt die Dünnschliffaufnahme der GW-Betone zum Untersuchungszeitpunkt nach 28 Tagen Referenzlagerung (Bild 4.34, links) und nach 140tägiger Nebelkammerlagerung (Bild 4.34, rechts). Die Betondünnschliffe zeigen Gesteinskörner, die fest in der Zementsteinmatrix eingebunden sind. Beide Dünnschliffaufnahmen zeigen keine Risse, die auf eine schädigende AKR hätten zurückgeführt werden können.

Bild 4.34: Ungeschädigte Betonproben der Betondünnschliffe mit GW als Gesteinskörnung nach 28tägiger Referenzlagerung (links) und zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung (rechts) im parallel polarisierten Licht.

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Die Dünnschliffaufnahme des Betons mit GW als Gesteinskörnung zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung (Bild 4.35, links) zeigt einen mit blau eingefärbtem Imprägnierharz gefüllten Riss durch das ganze Gesteinskorn.

Bild 4.35: Riss mit der Ansammlung des Alkali-Kieselsäure-Gels innerhalb eines GW-Korns nach 280tägiger Nebelkammerlagerung im parallel polarisierten Licht (links) und die zugehörige REM-Aufnahme (rechts).

Bild 4.36: Zu Bild 4.35 gehörendes EDX-Spektrum für das Alkali-Kieselsäure-Gel.

Zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung setzen sich auch Risse in der Zementsteinmatrix fort und verliefen teilweise um die Gesteinskörner.

Auffällig zu diesem Untersuchungszeitpunkt sind die nadelförmigen Ettringitkristalle, die in die Risse und Luftporen der Zementsteinmatrix hineinwachsen. Im Vergleich zum

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Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung waren Risse mit Ettringitkristallen stärker ausgeprägt. Außerdem wiesen die Risse nach 560tägiger Nebelkammerlagerung größere Rissbreiten auf.

Die Voraussetzung für die späte Ettringitbildung sind das Vorhandensein von Wasser, offene Porosität bzw. Mikrorisse in der Zementsteinmatrix und das Vorhandensein von Sulfat. Der SO3-Gehalt für den Zement CEM I 32,5 R aus den deutschen Zementwerken liegt zwischen 2,35 und 4,14 % und ein erhöhter SO3-Gehalt führt zu späterer Ettringitbildung [StaJ 13]. Der Sulfat-Gehalt (SO3-Gehalt) des verwendeten Zements beträgt 3,07 %. Da jedoch der Zement mit Kaliumsulfat (K2SO4) aufdotiert wurde, betrug der Sulfat-Gehalt des verwendeten Zements 3,35 %.

Die Dünnschliffaufnahme im Bild 4.37 (links) zeigt in eine Luftpore hineingewachsene Ettringitkristalle. Das zugehörige EDX-Spektrum im Bild 4.38 zeigt die für Ettringit typischen Elemente O, Al, S und Ca. Der Kohlenstoff im EDX-Spektrum stammt aus dem Imprägnierharz.

Bild 4.37: Riss innerhalb eines GW-Korns und in die Luftpore hineingewachsene Ettringitkristalle zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung im parallel polarisierten Licht (links) und die zugehörige Detailaufnahme (REM) (rechts).

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Bild 4.38: Zu Bild 4.37 (rechts) gehörendes EDX-Spektrum für nachträglich gebildete Ettringitkristalle.

Das Bild 4.39 zeigt die Dünnschliffaufnahmen der QP-Betone zum Untersuchungszeitpunkt nach 28 Tagen Referenzlagerung (Bild 4.39, links) und nach 140tägiger Nebelkammerlagerung (Bild 4.39, rechts). Die Betondünnschliffe zeigen Gesteinskörner, die fest in der Zementsteinmatrix eingebunden sind.

Bild 4.39: Ungeschädigte Betonproben der Betondünnschliffe mit QP als Gesteinskörnung nach 28tägiger Referenzlagerung (links) und zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung (rechts) im parallel polarisierten Licht.

Die Gesteinskörnung Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex besteht aus vielen sich verzweigenden Adern. Bis zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen

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Nebelkammerlagerung zeigten diese Adern unter dem Polarisationsmikroskop keine Anlösungserscheinungen. Zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung wurden die ersten Anlösungserscheinungen an den Adern beobachtet (Bild 4.39, rechts). Diese Anlösungserscheinungen wurden durch das an dieser Stelle vorhandene blaue Imprägnierharz sichtbar.

Dagegen waren die Anlösungserscheinungen an den Adern zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung stärker ausgeprägt (Bild 4.40, links). Erst zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung zeigt die Dünnschliffaufnahme einen mit blau eingefärbtem Imprägnierharz gefüllten Riss durch das ganze Gesteinskorn und in der Zementsteinmatrix (Bild 4.40, rechts).

Bild 4.40: Anlösungserscheinungen an den Adern zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung und Riss entlang einer Schichtung innerhalb eines QP-Betons zum Untersuchungszeitpunk nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung (rechts) im parallel polarisierten Licht.

Das Bild 4.41 zeigt die Dünnschliffaufnahme des Betons mit QP(SW) als Gesteinskörnung nach 28tägiger Referenzlagerung (links) und zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung (rechts). Die Betondünnschliffe zeigen Gesteinskörner, die fest in der Zementsteinmatrix eingebunden sind.

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Bild 4.41: Ungeschädigte Betonprobe des Betondünnschliffs mit QP(SW) als Gesteinskörnung nach 28tägiger Referenzlagerung (links) und Anlösungserscheinungen an den Adern zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung im parallel polarisierten Licht.

Bis zum Untersuchungszeitpunkt nach 140 Tagen Nebelkammerlagerung zeigten diese Gesteinskörnungen keine Anlösungserscheinungen. Erst zum Untersuchungszeitpunkt nach 280 Tagen Nebelkammerlagerung wurden die ersten Anlösungserscheinungen an den Adern beobachtet (Bild 4.41, rechts). Es waren jedoch keine Risse an Gesteinskörnungen oder in der Zementsteinmatrix dieser Betone bis zum Untersuchungszeitpunkt nach 560 Tagen Nebelkammerlagerung zu erkennen.

Innerhalb des Gesteinskorns wurde keine Ansammlung von Alkali-Kieselsäure-Gel gefunden. Zudem wurden an Betonoberflächen der 300er Würfel während der 560tägigen Nebelkammerlagerung keine sichtbaren Risse beobachtet, die auf eine schädigende AKR hätten hindeuten können.

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