Kriechen von Beton unter Einfluss einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Kriechen von Beton

unter Einfluss einer

Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigte Abhandlung

vorgelegt von

Hasan Özkan

aus Mönchengladbach

Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h.

Hans-Wolf Reinhardt

Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Horst Michael Ludwig Tag der mündlichen Prüfung: 24.07.2018

Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart

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Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (Otto-Graf-Institut). Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit entstand im Rahmen des Forschungsvorhabens „Kriechen von AKR-geschädigtem Beton mit slow/late Gesteinskörnungen“, welches mit finanziellen Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde. An erster Stelle möchte ich meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt für die Betreuung dieser Arbeit, seine wertvollen Anregungen und Ratschläge sowie seine stete Diskussions- und Hilfsbereitschaft, ganz herzlich danken. Für die Bereitschaft zur Übernahme des Korreferats danke ich herzlich Herrn Prof. Dr.-Ing. Horst Michael Ludwig.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr.-Ing. Oliver Mielich. Seine kritischen Anmerkungen sowie seine zahlreichen Hinweise und Empfehlungen trugen zum Gelingen dieser Arbeit bei.

Weiterhin möchte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, insbesondere Abteilung mineralische Baustoffe, bedanken, die durch Mithilfe insbesondere bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen und das positive Arbeitsklima zum Entstehen dieser Arbeit beigetragen haben.

Der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) danke ich für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens (RE 691/39-1).

Nicht zuletzt möchte ich mich bei meiner Familie, insbesondere meiner Ehefrau Șehriban für Ihre Unterstützung im Privatleben bedanken.

Stuttgart, im Februar 2018

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Kurzfassung

Obwohl die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) weitestgehend erforscht ist, ist über das Kriech- und Schwindverhalten AKR-geschädigter Betone weniger bekannt. Dabei ist das Langzeitkriechverhalten AKR-geschädigter Betonbauwerke von größter Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit ein breit angelegtes Versuchsprogramm durchgeführt, um das Langzeitkriechverhalten von AKR-geschädigter Betone, hergestellt mit langsam und spät reagierenden Gesteinskörnungen (engl.: slow/late aggregates) experimentell und analytisch zu untersuchen.

Aus der Reihe der slow/late Gesteine wurden gebrochener Kies des Oberrheins, Grauwacke aus dem Unterharz, gebrochener Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex und gebrochener Quarzporphyr aus dem Schwarzwald für die Betonherstellung verwendet. Die Probekörper wurden nach der Herstellung im Klima bei 20°C und 95 % rel. LF. gelagert. Diese Versuchsergebnisse dienten als Bezugswert für die weiteren Versuchsergebnisse. Die Schädigung durch AKR wurde durch den 40°C-Nebelkammerveruch zu bestimmten Lagerungszeiten realisiert.

Der Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen lag in den Kriechversuchen mit dem Ziel, ein rheologische Modell zu entwickeln, welches das Kriechverhalten AKR-geschädigter Betone korrekt zu beschreiben vermag. Grundlage hierfür bildeten umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Es wurde an einer großen Anzahl von Probekörpern das Kriech- und Schwindverhalten nach verschiedenen Lagerungsarten und -zeiten untersucht. Begleitend wurden die mechanischen Eigenschaften (statischer E-Modul, Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und Spaltzugfestigkeit) dieser Betone zusätzlich ermittelt, um das Langzeitkriechverhalten AKR-geschädigter Betone besser zu verstehen bzw. die Phänomene zu erklären.

Zudem wurde an zwei ausgewählten Gesteinen (nämlich an gebrochenem Kies des Oberrheins und gebrochenem Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex) das Kriechverhalten unter Zugbelastung untersucht.

Die Versuchsergebnisse zeigten unterschiedliches Kriechverhalten der hergestellten Betonproben je nach ihrer Lagerungsart und Lagerungsdauer, sowie dem Fortschritt der Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Mit abnehmender Steifigkeit ergaben die experimentellen Untersuchungen zunehmend höhere Kriechdehnungen. Die Dehnungen nahmen mit der Schädigung infolge AKR zu. Es wurde ein deutlicher Zusammenhang zwischen der zeitlichen Entwicklung des statischen Elastizitätsmoduls und dem Kriechverhalten der Betonproben gezeigt.

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Im Gegensatz zu den Ergebnissen des statischen E-Moduls hatte die Betonschädigung infolge einer AKR einen sehr geringen Einfluss auf die Entwicklung der Druckfestigkeiten. Außerdem wurde der Einfluss der unterschiedlichen Prüfkörperabmessungen auf eine schädigende AKR durch Versuchsergebnisse bestätigt.

Im Weiteren ist es gelungen, aufbauend auf den Ergebnissen der Dehnungsmessung während der Nebelkammerlagerung, mit Hilfe der sogenannten Larive-Dehnungskurve die Reaktionsrate einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion jeweiliger Gesteinskörnungen richtig abzuschätzen.

Auf der Grundlage der erzielten Versuchsergebnisse der experimentellen Untersuchungen wurde schließlich ein rheologisches Modell, welches das Kriechverhalten AKR-geschädigter Betone gut abbildet, entwickelt. Das Modell basiert auf der Reihenschaltung verschiedener rheologischen Grundelemente.

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Abstract

Although the Alkali-Silica Reaction (ASR) has been widely studied, the creep and shrinkage behaviour of ASR-damaged concrete have not been sufficiently investigated so far. However, it is of prime importance to provide better insight into the long-term creep behaviour of ASR-damaged concrete.

In this work, extensive experimental and analytical studies are carried out to describe the long-term creep behaviour of ASR-damaged concrete made with slow/late aggregates.

For concrete test samples various slow/late aggregates have been used. They include crushed gravel from the Upper Rhine Valley, crushed greywacke from the Harz, crushed quartz porphyry from the Halle porphyry complex and another quartz porphyry from the Black Forest. The concrete specimens were stored at temperature of 20 °C and relative humidity of 95% after casting. These tests were used as reference for the further tests. The ASR induced damage was realized in fog chamber test at 40 °C for certain storage periods.

This work is aimed at developing a rheological model for the creep behaviour of ASR-damaged concrete. Therefore, numerous creep tests have been performed. Within the scope of detailed study, the creep and shrinkage behaviour after diverse storage conditions and storage periods were investigated. Furthermore, the mechanical properties (static E-modulus, compressive strength, tensile strength and tensile splitting strength) of these concrete specimens have been determined in order to ensure a better understanding of long-term creep behaviour of ASR-damaged concrete as well as realistic description of the phenomena.

Additionally, the creep behaviour under tensile loading was investigated on two selected rocks (namely, crushed gravel from the Upper Rhine Valley and crushed quartz porphyry from the Halle).

The experimental studies showed different creep behaviour of the concrete samples depending on their storage conditions and storage periods, as well as on the progress of the alkali-silica reaction. The increase of creep strains is caused due to decreasing stiffness of concrete as well as because of bigger damage due to ASR. Based on the findings of this study, a clear correlation between the time-related development of the static elastic E-modulus and the creep behaviour of the concrete is presented.

On the other hand, the concrete damage due to an ASR has a minor influence on compressive strength. Furthermore, the influence of the specimen size on a damaging ASR was observed in tests.

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Based on the results of the strain measurement during storage in the fog chamber, it was possible to estimate the reaction rate of an alkali-silica reaction of used aggregates using the so-called Larive-strain curve.

In this work, a rheological model was developed, which realistically describes the creep behaviour of ASR-damaged concrete. The model is based on the series connection of various basic rheological elements.

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Inhaltsverzeichnis

Seite

1 Einleitung 15

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit 15

1.2 Überblick über die Arbeit 15

2 Stand der Kenntnisse 18

2.1 Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) 18

2.1.1 Allgemein 18

2.1.2 Alkaliempfindliche Gesteinskörnungen 19

2.1.3 Reaktions- und Schädigungsmechanismen 20

2.1.4 Einflussgrößen 25

2.1.4.1 Art und Menge der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung 25

2.1.4.2 Alkaligehalt des Zementes 27

2.1.4.3 Zementgehalt des Betons 28

2.1.4.4 Temperatur und Feuchtigkeit 28

2.1.4.5 Permeabilität des Betons 30

2.1.4.6 Alkalizufuhr von außen 30

2.1.5 Prüfverfahren 31

2.1.5.1 AKR-Schnelltest 32

2.1.5.2 40°C-Nebelkammer 32

2.1.5.3 FIB-Klimawechsellagerung (Performance-Prüfverfahren) 33 

2.1.5.4 Außenlagerung (Freilandlagerung) 34 

2.1.6 Änderung der mechanischen Eigenschaften infolge der AKR 35 

2.2 Kriechen und Schwinden 37 

2.2.1 Kriechen allgemein 37 

2.2.2 Schwinden 40 

2.2.3 Kriechversuche an AKR-geschädigten Betonen 42 

2.3 Rheologie 43 

3 Versuchsprogramm 45 

3.1 Wahl und Charakterisierung der Gesteinskörnungen 45 

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3.3 Prüfkörperlagerung 49 

3.3.1 40°C–Nebelkammerlagerung 49 

3.3.2 Außenlagerung (Freilandlagerung) 50 

3.4 Längenmessung und dynamischer E-Modul 51 

3.5 Ermittlung der Materialeigenschaften 52 

3.6 Dünnschliffe 54  3.7 Kriechversuche 54  3.7.1 Druckkriechversuche 54  3.7.2 Zugkriechversuche 57  4 Versuchsergebnisse 59  4.1 Schnellprüfverfahren 59 

4.2 Versuchsergebnisse der Nebelkammerlagerung 61 

4.2.1 Längenänderung und dynamischer Elastizitätsmodul 61 

4.2.2 Entwicklung der mechanischen Eigenschaften 64 

4.2.2.1 Druckfestigkeit 64  4.2.2.2 Statischer Elastizitätsmodul 65  4.2.2.3 Spaltzugfestigkeit 68  4.2.2.4 Zugfestigkeit 69  4.2.3 Druckkriechen 70  4.2.3.1 Gesamtdehnungen 70  4.2.3.2 Schwinddehnungen 76  4.2.3.3 Lastabhängige Dehnungen 79  4.2.4 Zugkriechen 86  4.2.4.1 Gesamtdehnungen 86  4.2.4.2 Schwinddehnungen 88  4.2.4.3 Lastabhängige Dehnungen 91  4.3 Außenlagerung (Freilandlagerung) 94 

4.3.1 Entwicklung der mechanischen Eigenschaften 95 

11

5 Begleitende Versuche Klimawechsellagerung (Performance-Prüfung) 105 

5.1 Motivation 105 

5.2 Betonzusammensetzung und Probekörperherstellung 106 

5.3 Ergebnisse Klimawechsellagerung 108 

5.3.1 Dehnungen 108 

5.3.2 Druckfestigkeit und statischer Elastizitätsmodul 111 

5.3.3 Druckkriechen 113 

6 Diskussion der Versuchsergebnisse 118 

6.1 Längenänderung 118 

6.1.1 Einfluss der Probekörpergeometrie und Lage der Probekörper 119 

6.2 Modellbildung nach Larive 121 

6.3 Entwicklung der mechanischen Eigenschaften 126 

6.3.1 Dynamischer E-Modul und statischer E-Modul 126 

6.3.2 Druckfestigkeit, Spaltzugfestigkeit und Zugfestigkeit 129 

6.4 Kriechversuche 130 

6.4.1 Druckkriechen und Schwinden 130 

6.4.2 Entwicklung des statischen E-Moduls beim Druckkriechen 132 

6.5 Freilandlagerung 133 

6.6 Performance-Prüfung 134 

7 Entwicklung des rheologischen Modells 136 

8 Zusammenfassung und Ausblick 142 

Literatur 146 

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Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

Abkürzungen

AAR engl.: alkali-aggregate-reaction AKR Alkali-Kieselsäure-Reaktion ASR engl.: alkali-silica-reaction ASTM American Society for Testing and Materials DAfStb Deutscher Ausschuss für Stahlbeton

DIN Deutsches Institut für Normung dyn. E-Modul dynamischer Elastizitätsmodul

GW Gesteinskörnung aus gebrochener Grauwacke aus dem Unterharz Na2OÄqu Natriumäquivalent in M.-% = Na2O [M.-%] + 0,658 K2O [M.-%]

OR Gesteinskörnung aus gebrochenem Kies des Oberrheins

QP Gesteinskörnung aus gebrochenem Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex

QP(SW) Gesteinskörnung aus gebrochenem Quarzporphyr aus dem Schwarzwald

REM Raster-Elektronen-Mikroskopie rel. LF. relative Luftfeuchte in %

w/z Wasser-Zement-Wert

Symbole

Awb Wirksamer Alkaligehalt des Betons

CB Dimensionsloser Faktor zur Bestimmung des dynamischen

Elastizitätsmoduls

E statischer Elastizitätsmodul Ec Kriechmodul in MPa

E28 Elastizitätsmodul des Betons als Tangente im Ursprung der

Spannungs-Dehnungs-Linie zum Untersuchungszeitpunkt nach 28 Tagen Referenzlagerung

Ecm Mittelwert des statischen Elastizitätsmoduls zum jeweiligen

Untersuchungszeitpunkt

Ek Steifigkeit des Kelvin-Voigt-Körpers

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fB Eigenfrequenz der Schwingung in MHz

fc,28 Druckfestigkeit von Beton nach 28 d in MPa

fcm,cube Mittelwert der Würfeldruckfestigkeit in MPa

ftm,spl Mittelwert der Spaltzugfestigkeit in MPa

ftm Mittlere Zugfestigkeit in MPa

k Schädigungsgrad

l Länge eines Probekörpers in mm

t Zeit in d

t0 Zeit beim Aufbringen der Last

te Zeit beim Entlasten des Probekörpers

w Wassergehalt in kg/m³ z Zementgehalt in kg/m³ w/z-Wert Wasser-Zement-Wert ε Dehnung in mm/m εc Gesamtdehnung in mm/m εcc Kriechdehnung in mm/m

εel Spontane Dehnung bei Lastaufbringung (elastische Dehnung)

in mm/m

εLatence Latente Dehnung

εpl Bleibende (plastische) Dehnung

εr Sofort auftretende Rückverformung bei der Entlastung der

Kriechproben

εs Schwinddehnung in mm/m

ε∞ _{Asymptotische Dehnung}

ε6 Balkendehnung bei der Performance-Prüfung nach den 6. Zyklus

ε8 Balkendehnung bei der Performance-Prüfung nach den 8. Zyklus

ρ Dichte in g/cm³ (kg/dm³)

η

k Dämpfungskonstante des Kelvin-Voigt-Körpers m



Dämpfungskonstante des Maxwell-Körpers

σ

Spannung in MPa

τLatence Latenzzeit

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φ Kriechzahl

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1 Einleitung

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Beton, der durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) geschädigt ist, wird in vielen Fällen weiter genutzt und dabei langdauernd belastet. Zur Berechnung der Resttragfähigkeit und der Verformung von AKR-geschädigten Bauwerken werden Kenntnisse über die Festigkeitswerte, den Elastizitätsmodul und das Kriechen benötigt. Es ist wohlbekannt, dass AKR eine signifikante Verringerung der mechanischen Eigenschaften des Betons, wie Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul, verursacht. Diese Eigenschaften sind wesentlich stärker betroffen als die Druckfestigkeit. Der Schwerpunkt der meisten Untersuchungen [ICAAR] liegt auf den Schadensmechanismen, der auftretenden Dehnung, der Rissbildung, dem dynamischen Elastizitätsmodul und den abnehmenden Kurzzeitfestigkeiten. Diese Kenntnisse sind nicht ausreichend. Außerdem wurden in den allermeisten Fällen die untersuchten Betone nicht mit slow/late (langsam reagierenden) Gesteinskörnungen hergestellt. Die vorliegende Arbeit stellt sich zum Ziel, das Kriechverhalten von Betonen hergestellt mit slow/late Gesteinskörnungen zu untersuchen. Dies sind die Gesteinskörnungen, die erst nach längerer Dauer (10 bis 20 Jahre) reagieren. Zu den slow/late Gesteinen gehören Quarzporphyre (Rhyolithe), Grauwacken, Quarzite, Granite, Andesite und auch Kies-Edelsplitte vom Oberrhein. Von diesen wurden im Rahmen dieser Studie Grauwacke, Quarzporphyr und Edelsplitt vom Oberrhein ausgewählt.

Im vorliegenden Beitrag werden die Prüfergebnisse AKR-geschädigter Betone hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und des Kriechverhaltens vorgestellt.

Die Ergebnisse dienen zur Erstellung eines rheologischen Modells, das elastische, viskose und visko-elastische Komponenten beinhaltet. Für die Praxis werden die Ergebnisse so aufbereitet, dass sie eine Hilfe für die Nachberechnung AKR-geschädigter Bauwerke hinsichtlich Tragfähigkeit und Verformung einschließlich möglicher Verstärkungsmaßnahmen ergeben.

1.2 Überblick über die Arbeit

Die experimentellen Untersuchungen umfassten Betonherstellung, Lagerung und anschließend Ermittlung der Materialeigenschaften und Untersuchung des Kriechverhaltens.

Aus der Reihe der slow/late Gesteine wurden Grauwacke aus dem Unterharz (GW), gebrochener Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex (QP), gebrochener Kies des Oberrheins (OR) und gebrochener Quarzporphyr aus dem Schwarzwald

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(QP(SW)) in den Körnungen 2 bis 16 mm ausgewählt. Die Gesteinskörnungen unterschieden sich in der AKR-Empfindlichkeit. Die Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnungen wurde mit dem Schnellprüfverfahren und dem Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 °C nach Alkali-Richtlinie [DAfStb] beurteilt. Gemäß der Alkali-Richtlinie wurden der gebrochene Kies des Oberrheins (OR), die gebrochene Grauwacke (GW) und der gebrochene Quarzporphyr in die Alkaliempfindlichkeitsklasse E.III-S und der Quarzporphyr aus dem Schwarzwald (QP(SW)) in die Alkaliempfindlichkeitsklasse E I-S eingestuft. Als Zement wurde ein Portlandzement CEM I 32,5 R mit 1,30 % Na2OÄqu mit 400 kg/m3 verwendet. Die Korngruppe 0/2

bestand aus inertem Quarz. Der Wasserzementwert war 0,45.

Die Ermittlung der Frischbetonkennwerte erfolgte sofort nach Beendigung des Mischvorgangs. Direkt nach Herstellung wurden die Betonproben 28 Tage bei ca. 20°C und einer relativen Luftfeuchte von ca. 95 % nach [DIN EN 12390-2] gelagert. Diese Betonproben (Nullbetone) dienten als Referenzproben. Anschließend wurden Betonproben in der Nebelkammer bei (40 ± 2,0)°C über 140, 280 und 560 Tage ohne äußere Alkalizufuhr vorgelagert. Zusätzlich wurden auf dem Institutsgelände Prüfkörper frei bewittert, um die Entwicklung der AKR im Freien zu verfolgen.

Zur Erfassung der Schädigung des Betongefüges wurde während der 560tägigen Nebelkammerlagerung in regelmäßigen Abständen die Längenänderung an Betonbalken und Betonzylindern gemessen. Zusätzlich wurde an Betonbalken der dynamische Elastizitätsmodul bestimmt. Betonwürfel (30 x 30 x 30 cm³) wurden augenscheinlich auf eine mögliche Rissbildung untersucht.

Nach Beendigung der Probenvorlagerung wurden die mechanischen Eigenschaften (stat. Elastizitätsmodul, Druckfestigkeit und Spaltzugfestigkeit) bestimmt. Anschließend wurden Betonzylinder (Ø 15 cm x 30 cm) auf Druck mit einem Drittel der charakteristischen Zylinderfestigkeit ein Jahr lang belastet. Die Zugkriechversuche wurden nur an Prüfkörpern (Schulterproben) mit gebrochenem Quarzporphyr aus Halle (QP) und gebrochenem Kies des Oberrheins (OR) durchgeführt.

Im ersten Teil des Kapitels 2 wird über den Stand der Kenntnisse zur Alkalireaktion und die wesentlichen Prüfverfahren berichtet. Dabei liegt der Fokus auf 40 °C-Nebelkammerverfahren. Im zweiten Teil des Kapitels wird über das Kriechen und Schwinden berichtet.

Unter Berücksichtigung der dargestellten Sachverhalte zur Alkalireaktion folgen dann im Kapitel 3 die eigenen Untersuchungen zur Alkalireaktion und deren Auswertung. Zuerst wird das Untersuchungsprogramm und im anschließenden Kapitel (Kapitel 4) werden die Ergebnisse von Betonversuchen mit gebrochenem Kies des Oberrheins (OR), gebrochener Grauwacke (GW), gebrochenem Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex (QP) und gebrochenem Quarzporphyr aus dem Schwarzwald

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(QP(SW)) vergleichend betrachtet. Als Betonprüfverfahren werden die Prüfungen in der 40°C-Nebelkammer gemäß Alkali-Richtlinie Teil 3 untersucht. Sie werden mit den Betonen im Alter von 28 Tagen und den Freilandversuchen (Außenlagerung) verglichen. Nach Beendigung der Lagerungsversuche folgt eine gesteinskundliche Betrachtung mittels mikroskopischer Gefügeuntersuchungen an Betonen der vier Gesteinsarten.

Im Kapitel 5 werden begleitende Versuche, nämlich die Performanceprüfung (FIB-Klimawechsellagerung) nach Alkali-Richtlinie Teil 3 vorgestellt und die Ergebnisse dieser Prüfung ausgewertet.

Alle Untersuchungsergebnisse werden in Kapitel 6 diskutiert. In diesem Kapitel stehen die Ergebnisse der Kriechversuche, vor allem die Druckkriechversuche, im Vordergrund. Die Schädigung infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion wird in diesem Kapitel mit Hilfe der Larive-Dehnungskurve beschrieben.

Den Abschluss der Arbeit bildet das rheologische Modell, welches die Schädigung der hergestellten Betone am besten abbildet, vorgestellt.

Abschließend wird im Kapitel 8 eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben und weiteres Entwicklungspotential aufgezeigt.

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2

Stand der Kenntnisse

2.1 Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) 2.1.1 Allgemein

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist eine komplexe chemische, physikalische und mechanische Reaktion, die zwischen den Alkalihydroxiden in der Porenlösung (NaOH, KOH) und alkaliempfindlichen Bestandteilen bestimmter Gesteinskörnungen im Beton stattfindet. Dabei können die Alkalihydroxide auch von außen in Form als z.B. Taumittel in den Beton zugeführt werden [StaJ 08]. Beim Vorhandensein von Feuchtigkeit wird aus löslicher Kieselsäure (SiO2) und den Alkalihydroxiden ein Alkali-Kieselsäure-Gel

gebildet. Dieses Gel ist bestrebt Wasser aufzunehmen und quillt dabei auf. Diese Ausdehnung kann zum Aufbau innerer Spannungen im Beton und bei Erreichen der Zugfestigkeit des Betons zu Gefügeschäden führen (Bild 2.1).

Bild 2.1: Lichtmikroskop-Aufnahme: Infolge Gel-Bildung gerissenes Zuschlagskorn (hier: gebrochener Kies des Oberrheins) (links), netzartiges Rissmuster bei AKR-geschädigter Betonprobe (Risse mit Bleistift nachgezeichnet, rechts). 

Zum ersten Mal wurden 1940 in den USA Schäden an Betonkonstruktionen als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen (bzw. deren Porenlösung) und den Gesteinskörnungen berichtet [StaT 40].

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Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion wird in der Literatur je nach mineralogischer Zusammensetzung der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung in drei Reaktionstypen aufgeteilt [Hob 88]:

 Alkali-SiIika-Reaktion, (engl. alkali-silica reaction)  Alkali-Silikat-Reaktion und (engl. alkali-silicate reaction)  Alkali-Carbonat-Reaktion (engl. alkali-carbonate reaction).

Damit eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion stattfinden kann, müssen in der Betonmatrix bestimmte Voraussetzungen gleichzeitig vorhanden sein. Diese sind:

 Alkaliempfindliche Gesteinskörnung

 Alkalihydroxide (Zement oder externe Alkalizufuhr)  Ausreichende Feuchtigkeit.

2.1.2 Alkaliempfindliche Gesteinskörnungen

Für eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion muss in erster Linie ein reaktives Siliciumdioxid (SiO2) vorhanden sein. Als AKR-auslösend gelten alle amorphen, kryptokristallinen und

gittergestörten SiO2-Minerale.

Hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs einer AKR-bedingten Schädigung gibt es zwei Arten von Gesteinskörnungen: schnell reagierende Gesteinskörnungen (Reaktionszeit ca. 2 Jahre) und slow/late Gesteinskörnungen, welche im Rahmen dieser Arbeit untersucht worden sind. Es handelt sich bei den slow/late Gesteinskörnungen um Gesteine, die gegenüber den schnell reagierenden Gesteinskörnungen in ihrem Gefüge dichter sind und sehr langsam, oft erst nach langer Zeit (10 bis 20 Jahre), reagieren. Diese sind: Gebrochene Gesteinskörnungen  Rhyolithe (Quarzporphyre),  Grauwacken,  Kies-Edelsplitte/Oberrhein,  Quarzite,  Granite,  Andesite und

 Rezyklierte Gesteinskörnungen (gebrochener Altbeton) gemäß Alkali-Richtlinie Teil 3 [DAfStb].

Zu der Gruppe der schnell reagierenden Gesteinskörnungen zählen:  Opalsandsteine,

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 Flint und  Kieselschiefer.

2.1.3 Reaktions- und Schädigungsmechanismen

Die „klassische“ Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist hinsichtlich ihres Reaktions- und Schädigungsmechanismus weitestgehend geklärt [StaJ 08], siehe Bild 2.2.

Bei der Hydratation der Zementklinkerphasen reagiert z.B. Alit nach Wasserzugabe zu Calciumsilicathydratphasen (C-S-H-Phasen) und Calciumhydroxid (Portlandit) (Gleichung (2.1)):

2 (3 CaO ●_SiO

2) + 7 H2O → 3 CaO ●2 SiO2●4 H2O + 3 Ca(OH)2 (2.1)

Gleichzeitigt gehen die leicht löslichen Alkalisulfate (K2SO4, Na2SO4) sofort in Lösung

und reagieren mit dem entstandenen Calciumhydroxid (Gleichung (2.2)):

K2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2 KOH (2.2)

(bzw. Na2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2 NaOH)

Durch die Bildung von Alkalihydroxiden (KOH, NaOH) steigt die OH--Konzentration der Porenlösung stark an. Je nach Na2OÄqu-Gehalt des Zementes können pH-Werte bis zu

13,9 erreicht werden. Das entstandene Alkalihydroxid reagiert mit reaktivem Siliciumdioxid der Gesteinskörnung zu einem Alkali-Kieselsäure-Gel (K2SiO3, Na2SiO3),

welches bei ausreichender Feuchtigkeit durch Wasseraufnahme betonschädigende Quelldrücke verursachen kann (Gleichung (2.3)):

2 KOH + SiO2 + nH2O → K2SiO3● n H2O (2.3)

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Bild 2.2: Schematische Darstellung der chemischen Reaktion einer AKR [StaJ 08]. Es gibt verschiedene Vorstellungen der Reaktionsmechanismen [Cha 87, Gla 79, Pow 55, Spr 98], die von der Art des Gesteins abhängen. Dabei wird die AKR als Säure-Base-Reaktion des kieselsäurehaltigen Gesteinsbestandteils mit der umgebenden alkalischen Porenlösung verstanden. Je nach Gesteinsart, ob es sich um poröse Gesteinskörnungen oder Gesteinskörnungen mit sehr dichtem Gefüge handelt, verläuft die Schädigung unterschiedlich.

Nach Glasser [Gla 79] beschränkt sich die Reaktion bei porösen schnell reagierenden Gesteinskörnungen wie z.B. bei einigen Opalsandsteinen und porösem Flint auf die Oberfläche der reaktiven Gesteinskörnung (Bild 2.3). Zunächst reagieren in einer NaOH-Lösung die Silanolgruppen amorpher und kryptokristalliner Kieselsäure an der Gesteinsoberfläche mit den Hydroxidionen in einer Säure-Base-Reaktion. Im zweiten Schritt werden die Siloxanbrücken durch die Hydroxidionen angegriffen. Vor allem bei hohen pH-Werten kann die gelöste Kieselsäure hauptsächlich als H2SiO42- in Lösung

gehen und es führt zur Auflösung des Gefüges. In einem weiteren Schritt ziehen die aus der Reaktion resultierenden negativen Ladungen an der Gesteinsoberfläche Alkaliionen (Na+, K+) aus der Porenlösung an. Die positiv geladenen Alkaliionen diffundieren zum Reaktionsort hin. Es bildet sich Alkali-Kieselsäure-Gel. Das Gel ist dabei bestrebt, durch den Ladungsausgleich Wasser aufzunehmen und zu quellen. Das Gel füllt zunächst den umgebenden Porenraum aus und es baut einen Quelldruck auf, der bis zu 11 N/mm² nach Struble [Str 81] sogar bis zu 18 N/mm² [StaJ 08] erreichen kann. Durch

22

Erreichen der Zugfestigkeit des Betons führt der Quelldruck zur Rissbildung in der Zementsteinmatrix.

Bild 2.3: Prinzip der AKR-Schädigung mit schnell reagierender Gesteinskörnung im Beton (hier mit Opal) infolge einer AKR [Hill 04].

Der Schadensmechanismus bei sehr dichten und spröden Zuschlägen wie Grauwacken, Quarziten, dichten Flinten und Quarzporphyren gestaltet sich nach Sprung und Sylla [Spr 98] etwas anders (Bild 2.4):

Bild 2.4: Prinzip der AKR-Schädigung mit slow/late Gesteinskörnung (hier mit Grauwacke) [Hill 04].

Die Reaktion zwischen alkalihaltiger Porenlösung und SiO2 – haltigem Gesteinskorn

findet zunächst an der Oberfläche statt. Es bildet sich quellfähiges Alkali-Kiessäure-Gel, welches jedoch in Gegenwart von Calciumionen (Ca2+-Ionen), die sich in der Porenlösung der angrenzenden Zementsteinmatrix befinden, zu einem nicht quellenden kristallinen Alkalicalciumsilicathydrat umgewandelt wird. Das Alkalicalciumsilicathydrat bildet sozusagen eine Schicht, die ähnlich wie eine semipermeable Membran ist. Diese Schicht hat die Eigenschaft, nur Wasser und Alkaliionen in das Innere der Gesteinskörnung hineindiffundieren zu lassen. Die Diffusion findet auch statt, wenn sich an der Kornoberfläche keine Membran aufgrund nicht vorhandener reaktionsfähiger Kieselsäure ausbildet. Wenn sich im Inneren der Gesteinskörnung reaktive Kieselsäure befindet, reagiert diese mit den Alkalien zu einem Alkali-Kieselsäure-Gel. Das AKR-Gel

23

ist bestrebt bei fortschreitender Reaktion Wasser aufzunehmen. Dadurch steigt der Innendruck im Gesteinskorn stetig an, bis sich beim Erreichen der Zugfestigkeit des Gesteinskorns Risse explosionsartig ausbilden. Es reichen offenbar nur geringe Gelmengen für die Rissbildung. Nachdem sich Risse im Gesteinskorn ausgebildet haben, findet eine starke Gelbildung statt, da die Alkalien und Wasser ungehindert zur verbleibenden reaktionsfähigen Kieselsäure gelangen können. Das folgende Bild zeigt das Reaktionsmodell nach den Vorstellungen von Sprung und Sylla [Spr 98].

Ausgangszuschlagkorn mit alkaliempfindlicher Kieselsäure

Oberflächenreaktion mit Alkali- und Calcium-Ionen des Zements zu nicht quellendem Alkalicalciumsilicathydrat = semipermeable Membran

Diffusion von Alkali-Ionen und Wasser in das Zuschlagkorninnere und Reaktion mit alkaliempfindlicher Kieselsäure zu Alkalikieselgel

Durch fortschreitende Reaktion und Wasseraufnahme Erhöhung des Innendrucks

Rissbildung bei Erreichen der Zugfestigkeit des Zuschlagkorns; geringe Gelbildung

Auflösung des Zuschlagkorns von innen heraus; Gelbildung

Bild 2.5: Reaktionsmodell nach Sprung & Sylla [Spr 98].

Von einer AKR betroffene Betonbauteile zeigen makroskopisch im Allgemeinen eines oder mehrere der folgenden Merkmale [StaJ 08]:

 Risse, bei frei verformbaren Bauteilen häufig als Netzrisse, die bei größeren Risstiefen bis zum völligen Verlust der Trag- und Nutzungsfähigkeit führen können (Bild 2.6, links)

 Gelausscheidungen an der Betonoberfläche (Bild 2.6, rechts)

 Abplatzungen (englisch pop-outs), bevorzugt bei schnell reagierenden Gesteinskörnungen (Bild 2.7).

24

Bild 2.6: Typisches durch AKR verursachtes Rissmuster an einem Betonbauwerk (links, aus: [StaJ 08]) und Gelausscheidung an einer geschädigten Betondecke mit Opalsandstein (rechts, aus [Hill 04]).

Bild 2.7: Trichterförmige Abplatzung (pop-out) infolge AKR auf einem Betonprobekörper (aus:[StaJ 08]).

25

2.1.4 Einflussgrößen

2.1.4.1 Art und Menge der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung

Damit eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion stattfinden kann, muss in erster Linie reaktive Kieselsäure (SiO2) vorhanden sein. SiO2-Verbindungen lösen sich in starken

Hydroxidlösungen, wobei die Geschwindigkeit dieses Vorgangs von der Kristallinität der SiO2 –Modifikation, dem pH-Wert und der Temperatur abhängt [StaJ 08]. Alle für die

AKR relevanten SiO2-Modifikationen sind in Form dreidimensionaler Netzwerke aus

SiO4-Tetraedern aufgebaut. Wenn eine Gesteinskörnung aus einem gleichmäßigen und

dichten Netzwerk aus SiO4-Tetraedern besteht (z.B. Bergkristall), so spricht man von

einer kristallinen, nicht gittergestörten Varietät des Quarzes. Diese ist aufgrund der stabilen Verbindungen nur sehr schwach alkalilöslich. Im Gegensatz dazu, wenn die SiO4-Tetraeder miteinander unregelmäßig verknüpft sind, spricht man von amorpher,

stark gittergestörter Varietät des Quarzes (z.B. Opal). Aufgrund der ungeordneten Verbindungen zwischen den einzelnen SiO4-Tetraedern sind diese Gesteinskörnungen

um ein Vielfaches empfindlicher (Bild 2.8). Die Alkalilöslichkeit einer Gesteinskörnung hängt also direkt von ihrer Kristallstruktur ab.

Bild 2.8: SiO2-Modifikation in kristalliner (links, z.B. Bergkristall) und in amorpher

Form (rechts, z.B. Opal) als Verknüpfung von SiO4-Tetraedern (aus [Gie

13]).

Ein weiterer Faktor für die Löslichkeit von kristalliner oder amorpher Varietät des SiO2

ist der pH-Wert der Porenlösung. Bei pH-Werten über 12 wird jede Form der Kieselsäure angegriffen. Daher gibt es keine vollkommen unempfindliche SiO2-haltige

26

Bild 2.9: Theoretisch berechnete Löslichkeit von amorphem und kristallinem SiO2 in

Abhängigkeit des pH-Werts der Porenlösung bei 25°C (aus [StaJ 01]).

Das Ausmaß der AKR hängt bei gegebener Gesteinskörnung und gegebenen Alkalihydroxiden wesentlich von der Menge und der Korngröße der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung ab. Die Dehnungszunahme mit steigendem Anteil empfindlicher slow/late Gesteinskörnungen (z.B. Grauwacke) ist im Gegensatz zu schnell reagierenden Gesteinskörnungen (z.B. Opal) kontinuierlich (Bild 2.10). Die Dehnungen erreichen bei schnell reagierenden Gesteinskörnungen bei bestimmtem Mengenanteil der Gesteinskörnung ein Maximum (Pessimum) und mit steigendem Mengenanteil nehmen sie wieder ab. Das Pessimum hängt nicht nur von der Reaktionsfähigkeit der alkaliempfindlichen Gesteinsbestandteile, sondern auch vom Alkaligehalt des Zementes ab.

27

Bild 2.10: Einfluss der Art und Menge der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung auf die Dehnung von Beton [Spr 98].

2.1.4.2 Alkaligehalt des Zementes

Damit eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion stattfinden kann, muss außer alkaliempfindlicher Gesteinskörnung eine Alkalihydoxidlösung in ausreichender Menge und mit höherer Konzentration vorhanden sein. Die Alkalihydroxide stammen überwiegend aus dem Zement. Der Alkaligehalt des Betons wird im Wesentlichen durch Art und Menge des verwendeten Zementes bestimmt.

Nach [DIN 1164-10] wird ein Zement als NA-Zement (alkaliarm) bezeichnet, wenn er ein Alkali-Äquivalent (Na2OÄqu) von weniger als 0,6 M.-% aufweist. Das Alkali-Äquivalent

ergibt sich aus dem Alkalioxidanteilen (Na2O und K2O), die im Zement enthalten sind,

und berücksichtigt deren Molmasse. Es wird vereinfacht angenommen, dass äquivalente Mengen an Alkalioxiden etwa gleich große Dehnungen hervorrufen. Aus diesem Grund werden die Alkalioxidanteile zu einem Gesamtalkaligehalt zusammengefasst und nach folgender Gleichung (Gleichung (2.4)) berechnet:

28

Die Alkalien liegen je nach Zementart in unterschiedlicher Form vor. Z.B. bei Portlandzement (CEM I) sind die Alkalien bis zu 80 % in Alkalisulfaten gebunden, der Rest ist in Klinkerphasen eingebaut. Die in Alkalisulfaten befindlichen Alkalien gehen sehr schnell mit dem Anmachwasser in Lösung. Die in Klinkerphasen eingebauten Alkalien werden erst mit der Hydratation freigesetzt. In Klinkermineralen eingebaute Alkalien können bei hüttensand- und flugaschehaltigen Zementen (CEM II und CEM III) auch aus Zusatzstoffen kommen.

2.1.4.3 Zementgehalt des Betons

Nicht nur der AKR-auslösende Alkaligehalt des Betons beeinflusst die Reaktion, sondern sie wird auch vom Zementgehalt des Betons beeinflusst. Der wirksame Alkaligehalt des Betons (Awb) in kg/m³ lässt sich aus dem Gesamtalkaligehalt des

Zementes in M.-% und dem Zementgehalt des Betons (z) in kg/m³ nach folgender Gleichung berechnen (Gleichung (2.5)):

100

2 Äqu wb

O

Na

z

A





(2.5)

Eine betonschädigende AKR für opalhaltige Gesteinskörnungen wird nach Locher und Sprung [Loc 73] bei einem wirksamen Alkaligehalt von 3 kg/m³ ausgelöst. Bei den slow/late Gesteinskörnungen (z.B. Grauwacke, Quarzporphyr) ist ein wirksamer Alkaligehalt von 4 kg/m³ und ein Gehalt von mindestens 30 % an slow/late Gesteinen am Gesamtgehalt notwendig, damit eine schädigende AKR stattfinden kann [Spr 98].

2.1.4.4 Temperatur und Feuchtigkeit

Die Feuchtigkeit ist neben der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung und der Alkalihydoxidlösung eine weitere Voraussetzung, damit eine schädigende AKR stattfinden kann. Nur bei ausreichender Feuchte können Alkalihydroxide zum Reaktionsort transportiert werden. Damit das AKR-Gel quellen und eine schädigende Reaktion stattfinden kann, ist das Dasein der Feuchtigkeit von größter Bedeutung. Unterhalb einer relativen Feuchte von 80 % kann davon ausgegangen werden, dass eine Schädigung nicht stattfindet [Len 81]. Was jedoch zu erwähnen ist, dass bereits ab einer relativen Luftfeuchte von 60 % geringe Dehnungen durch AKR verursacht werden (Bild 2.11) [Swa 92].

29

Eine schädigende AKR kann im trockenen Beton nicht ablaufen bzw. sie kommt zum Erliegen. Die Reaktion setzt sich jedoch wieder fort, sobald die für die Reaktion notwendige Feuchtigkeit vorhanden ist.

Bild 2.11: Einfluss der relativen Luftfeuchte auf die Betondehnung infolge der AKR [Swa 92].

Es ist bekannt, dass die meisten chemischen Reaktionen durch erhöhte Temperatur beschleunigt werden. Auch beim Ablauf der Alkalireaktion wurde festgestellt, dass durch steigende Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit und das Ausmaß der Schädigung beim Vorhandensein von Wasser zunehmen. Siebel et al. [Sie 06a] haben bewiesen, dass bei slow/late Gesteinen (Grauwacke, Oberrhein-Splitt) durch steigende Lagerungstemperatur die Löslichkeit von SiO2 zunimmt.

Bild 2.12: Zeitlicher Verlauf der Dehnungen von Betonprismen mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung, in Abhängigkeit der Temperatur (20, 40 und 60 °C) und des Alkaligehaltes ( 0,4, 0,8 und 1,2 Na2OÄqu) [BeH 06]. 

30

Ben Haha [BeH 06] fand heraus, dass der zeitliche Verlauf der Dehnungen von Betonprismen [70 x 70 x 280 mm³], hergestellt mit alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, von der Lagerungstemperatur abhängt. Er stellte fest, dass eine Temperaturerhöhung von 20°C auf 60°C die Reaktion um einen Faktor 2 bis 4 beschleunigt (Bild 2.12). Es ist jedoch zu erwähnen, dass in diesem Fall die Reaktion nicht nur von der Temperatur sondern auch vom Alkaligehalt des Betons beeinflusst wurde.

2.1.4.5 Permeabilität des Betons

Die Permeabilität (Durchlässigkeit) des Betons beeinflusst direkt die schädigende AKR im Beton. Mit zunehmender Durchlässigkeit besteht die Möglichkeit für Alkalien zum Reaktionsort zu diffundieren. Dabei hängt die Durchlässigkeit des Betons vom w/z-Wert ab. Grundsätzlich werden durch Verwendung von geringerem w/z-Wert dichtere Gefüge des Betons erzielt. Dadurch können die Alkalien langsamer zum Reaktionsort (alkaliempfindliches Gesteinskorn im Inneren) diffundieren und das Eindringen des Wassers und eventuell darin gelöster Salze (Alkalizufuhr von außen) wird verringert [StaJ 08].

2.1.4.6 Alkalizufuhr von außen

Die für schädigende AKR notwendigen Alkalien stammen hauptsächlich aus dem Zement. Es kommt jedoch vor, dass Alkalien von außen in Form einer Taumittellösung in den Beton eingetragen werden.

Das am meisten eingesetzte Taumittel auf den Straßen ist Natriumchlorid (NaCl) gefolgt von Calciumchlorid (CaCl2). Auf den Flugplätzen werden Kalium- und Natriumacetate

bzw. –formiate eingesetzt.

Beim Straßenbeton kann die Alkalizufuhr aufgrund der Rissbildung durch die zyklische Beanspruchung (Verkehrslast) und Temperaturänderungen verstärkt werden. Die Alkalien können durch diese Schädigung tiefer in den Beton eindringen und die Alkali-Kieselsäure-Reaktion beschleunigen [Gie 15].

Stark [StaJ 08] zeigte, dass eine schädigende AKR durch externe Alkalizufuhr trotzdem stattfindet, selbst wenn für die Betonherstellung NA-Zemente (Zemente mit niedrigem Alkaligehalt) verwendet werden.

31

2.1.5 Prüfverfahren

Um die Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung oder einer kritischen Betonzusammensetzung beurteilen zu können sind verschiedene Prüfverfahren entwickelt worden. Je nach klimatischen Bedingungen, verschiedenen Gesteinsarten und Betonanforderungen hat jedes Land ein eigenes Prüfverfahren entwickelt. Daher gibt es kein international anerkanntes Prüfverfahren. In Deutschland wird die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen mit Hilfe der Alkali-Richtlinie [DAfStb] beurteilt. Mit Hilfe dieser Prüfverfahren ist es möglich, innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums (ca. 2 - 9 Monate gegenüber 10 - 30 Jahren, bis eine Schädigung sichtbar wird), eine Aussage zu treffen, ob in der Praxis eine AKR-Schädigung eintreten kann oder ob eine Gesteinskörnung für eine bestimmte Betonrezeptur geeignet ist, so dass der verwendete Beton langfristig keinen Schaden aufweist.

Bild 2.13 zeigt das Ablaufschema der Gesteinskörnungsprüfung nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie. Zunächst sind die Zuschläge petrographisch und chemisch zu charakterisieren. Anschließend wird der Schnelltest nach Abschnitt B.2 der Alkali-Richtlinie durchgeführt. Wird dieser Test nicht bestanden, so ist die Gesteinskörnung einem Betonversuch mit 40°C-Nebelkammerlagerung nach Abschnitt B.3 zu unterziehen. Ist dieser Test positiv bestanden, so gilt die Körnung als nicht reaktiv und es sind keine weiteren Prüfungen oder Maßnahmen erforderlich. Wenn die Prüfung jedoch nicht bestanden ist, so kann die Gesteinskörnung nur dann verwendet werden, wenn keine Alkalizufuhr von außen erfolgt und ein NA-Zement eingesetzt wird. Bei externer Alkalizufuhr muss die Gesteinskörnung ausgetauscht werden.

Bild 2.13: Ablaufschema der Gesteinskörnungsprüfung nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie (nach [Sie 06a]). 

32

Es gibt zahlreiche Literaturquellen, die über AKR-Prüfverfahren berichten. In dieser Arbeit werden jedoch nur diejenigen Prüfverfahren näher beschrieben, die auch im Rahmen dieser Studie zur Anwendung kamen.

2.1.5.1 AKR-Schnelltest

Dieses Verfahren basiert auf dem Verfahren nach [Fra 02]. Grundlage ist der südafrikanische NBRI-Test (National Building Research Institute) von Oberholster und Davies [Obe 86].

Das AKR-Schnellprüfverfahren erlaubt es, innerhalb von wenigen Wochen (13 Tage) und damit sehr schnell, die Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung zu beurteilen. Die Gesteinskörnung wird auf 0,125 mm bis 4 mm gebrochen, gesiebt und die Kornfraktion entsprechend der vorgegebenen Sieblinie kombiniert. Mit dem gebrochenen Material werden drei Mörtelprismen 40 x 40 x 160 mm³ hergestellt. Die Dehnung der Prismen wird nach einer 13tägigen (bisher 14tägigen) Lagerung in 80 °C heißer, 1 molarer NaOH-Lösung bestimmt. Der kritische Grenzwert für die Dehnung der Mörtelprismen beträgt 1,0 mm/m [DAfStb].

Wenn eine Gesteinskörnung bei diesem sehr strengen Verfahren als alkaliempfindlich eingestuft wird, muss sie in der Praxis nicht notwendigerweise zu einer AKR-Schädigung führen [Gra 96]. Jedoch ist dieses Verfahren sehr gut geeignet, eine alkaliunempfindliche Gesteinskörnung schnell zu identifizieren. Wenn bei einer Gesteinskörnung eine Alkaliempfindlichkeit festgestellt wird, sind weitere Untersuchungen mit praxisnäheren Betonprüfverfahren (40 °C-Nebelkammerversuch) vorgeschrieben.

2.1.5.2 40°C-Nebelkammer

Dieses Prüfverfahren wird nach Alkali-Richtlinie des DAfStb als Referenzverfahren zur Prüfung von Gesteinskörnungen vorgesehen.

Bei dem 40°C-Nebelkammer-Versuch werden die Kornfraktionen 2/16 und 2/22 geprüft. Drei Betonbalken (100 x 100 x 500 mm³) und ein Würfel mit einer Kantenlänge von 30 cm werden in einer Nebelkammer bei 40 °C über 9 Monate gelagert. Während der Lagerung werden die Balkendehnungen und die Rissweite des Würfels in regelmäßigen Abständen erfasst. Die verwendete Gesteinskörnung gilt als unbedenklich, wenn die Dehnung der Balken den Grenzwert von 0,6 mm/m nicht überschreitet und die maximale Rissweite des Würfels unter 2 mm liegt.

33

2.1.5.3 FIB-Klimawechsellagerung (Performance-Prüfverfahren)

Mit dem am F.A. Finger-Instituts für Baustoffkunde Weimar entwickelten Performance-Prüfverfahren wird die Eignung einer projektspezifischen Betonzusammensetzung für den vorgesehenen Anwendungsfall beurteilt. In einer Klimasimulationskammer können wesentliche Umwelteinflüsse, wie Austrocknung, Befeuchtung, Frost-Tauwechsel aber auch Taumitteleinwirkung zeitraffend simuliert werden.

Wenn eine Gesteinskörnung gemäß Alkali-Richtlinie als bedenklich (E III) eingestuft wird, so wird als Maßnahme der Austausch der Gesteinskörnung oder der Einsatz von Zementen mit einem niedrigen wirksamen Alkaligehalt (NA-Zemente) gefordert. Um jedoch diese Gesteinskörnungen nicht unnötigerweise von der Verwendung auszuschließen, wird das Performance-Prüfverfahren eingesetzt. Außerdem ist es möglich, bei der Performance-Prüfung eine Alkalizufuhr von außen zu simulieren, indem auf die Probekörper zusätzlich eine Taumittellösung (z.B. NaCl) aufgebracht wird. In zyklisch beanspruchtem Beton können Risse im Vorfeld einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion durch z.B. Verkehrslasten entstehen und diese das Eindringen der Taumittellösung und somit die AKR begünstigen [Gie 15].

Bei der Performance-Prüfung werden drei Betonbalken (10 x 10 x 40 mm³) für 8 Zyklen in einer Klimasimulationskammer beansprucht. Ein Zyklus besteht aus 4tägiger Trocknungsphase bei 60°C und < 15 % rel. LF., 14tägiger Nebelphase bei 45°C und einer 3tägigen Frost-Tau-Wechselphase (Bild 2.14).

Bild 2.14: Übersicht Temperaturregime während der Performance-Prüfung mittels AKR- Klimawechsellagerung (ein Zyklus) [DAfStb].

34

Als Grenzwert wurde 0,5 mm/m nach 6 Zyklen bei der Einwirkung von Taumitteln festgelegt. Bei der Verwendung von Wasser liegt der Grenzwert bei 0,4 mm/m [StaJ 06].

Die Beurteilung des AKR-Schädigungspotenzials der Betonzusammensetzungen erfolgt auf Grundlage der nach 8 Zyklen erreichten Dehnung der Balken und anhand des Dehnungsanstiegs zwischen dem 6. und 8. Zyklus. Dabei gilt für einen unkritischen Dehnungsanstieg zwischen dem 6. und 8. Zyklus unter Einwirkung von NaCl-Lösung folgende Bedingung (Gleichung (2.6)) [Gie 13]:



3



₈2



₆



/0,451 (2.6)

Wenn eine Performance-Prüfung erfolgreich bestanden wird, so kann die getestete Betonzusammensetzung in der Praxis zum Einsatz kommen.

2.1.5.4 Außenlagerung (Freilandlagerung)

Um zu zeigen, ob mit der beschleunigenden Prüfung bei Lagerung in der 40 °C-Nebelkammer die Beobachtungen in der Praxis abgebildet werden können, wurden Langzeituntersuchungen an Betonproben im Freilager durchgeführt. Die Außenlagerung der Prüfkörper erfolgte auf dem Institutsgelände der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (N 48°74‘81‘‘79 E 9°11‘16‘‘71).

Gewöhnlich werden für die Freilandlagerung großformatige Blöcke oder Würfel genutzt. Im Rahmen dieses Projektes wurden jedoch, um einen direkten Vergleich zum Kriechverhalten gewährleisten zu können, wie bei der Nebelkammerlagerung je Betonzusammensetzung drei Würfel (Kantenlänge 150 mm) für die Ermittlung der Druckfestigkeit, sieben Zylinder (Ø 150 mm und H = 300 mm) für die Bestimmung der Längenänderung, Ermittlung des statischen E-Moduls und der Spaltzugfestigkeit und für das Druckkriechen und je vier Schulterproben für die Ermittlung der Zugfestigkeit und Durchführung der Zugkriechversuche freigelagert.

Die Freilandlagerung begann 28 Tage nach der Herstellung der Probekörper und dauerte insgesamt 645 Tage. Aufgrund des unterschiedlichen Herstelldatums der Betone waren die Bedingungen im Außenlager für verschiedene Gesteinskörnungen nicht vergleichbar.

35

2.1.6 Änderung der mechanischen Eigenschaften infolge der AKR

Es ist eine bekannte Erscheinung, dass die mechanischen Eigenschaften, vor allem der statische Elastizitätsmodul, die Zug- und Spaltzugfestigkeit, eines Betonbauteils sich mit der Zeit infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion ändern. Dabei geht die Schädigung von der Gesteinskörnung aus und setzt sich in der Zementsteinmatrix fort, bis auf der Oberfläche makroskopische Risse entstehen. In welcher Größenordnung eine betonschädigende AKR jedoch die Festigkeit und die Steifigkeit eines Betons tatsächlich mindert, gehört zu den offenen wissenschaftlichen Fragen [Mül 09].

Nach einem kanadischen Leitfaden [CSA A864-00] ist die Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmoduls nicht für die Beurteilung der AKR geeignet. Lindgard [Lin 13a] und Mielich [Mie 10] stellten fest, dass der wahre Grad einer AKR-bedingten Schädigung nicht durch die kontinuierliche Messung des dynamischen E-Moduls erfasst werden kann. Es wird angenommen, dass die späte Zunahme des dynamischen Elastizitätsmoduls (siehe Bild 2.15) mit dem Füllen von Rissen mit ASR-Gel bzw. durch Zuwachsen mit Ettringit verbunden ist.

Bild 2.15: Der dynamische Elastizitätsmodul für die Norwegische Beton-Prisma-Prüfung [Lin 13a].

Im Gegensatz zum dynamischen Elastizitätsmodul bewies Mielich [Mie 10], dass der statische Elastizitätsmodul der Betone mit langsam reagierenden alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen wichtigster mechanischer Parameter für die Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit ist. Dabei ist die elastische Dehnung die signifikante Eigenschaft eine AKR abzubilden.

Um den Schadenszustand einer AKR-bedingten Schädigung eines Betonbauteils beurteilen zu können verwendet Sanchez et al. [San 14] einen sogenannten „Stiffness Damage Test“ (SDT), welcher auf Untersuchungen von Chris et al. [Chr 93] beruht.

36

Bei der Bestimmung des statischen Elastizitätsmoduls werden die Last-Verformungs-Kurven mitgezeichnet. Dabei wird bei der Prüfung des statischen Elastizitätsmoduls die Last-Verformungskurve bei der ersten Lastaufbringung (SI) und bei der letzten Lastaufbringung (SII) herangezogen. Je nach Grad der Schädigung verläuft die Last-Verformungskurve zu seinem Ursprung zurück (Hysterese-Effekt) oder es bleiben plastische Verformungen infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Die Differenz der beiden Flächen ergibt den STD-Wert. Je höher dieser Wert ist, desto größer ist die Schädigung infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (Bild 2.16). Bei ungeschädigtem Beton wird die irreversible Energie (SI) mit zunehmender Betonfestigkeit geringer.

Sanchez berechnet die Energie unter der Last-Verformungs-Kurve, um veranschaulichen zu können, dass bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion infolge der Rissbildung die Energie viel geringer sein sollte als im ungeschädigten Zustand.

Bild 2.16: Brüchigkeitsindex (Fragility Index) (SII/SI) nach Özkan et al. [Özk 02] Bei einer AKR-geschädigten Betonprobe kann der statische Elastizitätsmodul erneut ansteigen. Durch die sogenannte „Ausheilung“ von Mikrorissen im Gefüge, wird die AKR-Schädigung überlagert und die Steifigkeit nimmt wieder zu. Eine späte Ettringitbildung und das Füllen der Risse mit dem AKR-Gel verursacht vermutlich diese Ausheilung. Zum einen fand Leemann [Lee 13] heraus, dass die AKR-Produkte nicht nur in amorpher Form (als AKR-Gel) sondern in kristalliner Form vorkommen können. Dabei fand er heraus, dass ein AKR-Produkt in kristalliner Form eine Festigkeit bis zu ca. 10 GPa entwickeln kann und zur Steifigkeit der Zementsteinmatrix beiträgt. Zum anderen können Ettringitkristalle in die Risse des Zementsteins, welch durch AKR verursacht sind, hineinwachsen und somit die Steifigkeit des AKR-geschädigten Betons erhöhen [Wei 12].

37

2.2 Kriechen und Schwinden

2.2.1 Kriechen allgemein

Kriechen ist eine zeitabhängige Zunahme der Verformungen unter einer konstanten Spannung. Das Kriechverhalten von Beton ist bei der Berechnung von Tragstrukturen von großer Bedeutung. Es hängt von bestimmten Einflussfaktoren, wie Temperatur und Feuchte und Materialeigenschaften des Kriechprobekörpers ab. Da im Rahmen dieser Studie die Umgebungsbedingungen konstant waren, wird der Einfluss der Feuchte und der Temperatur nicht näher erläutert.

Es gibt zahlreiche Untersuchungen, die über das Kriechen und deren Einflussparameter berichten [z.B. Baz 01, Boes 71, Hub 15, Nev 70,]. Solange keine Änderung der Eigenschaften der Gesteinskörnungen stattfindet (z.B. durch Schädigung des Gesteins durch AKR), wird das Kriechen des Betons fast ausschließlich durch das Kriechen des Zementsteins aufgrund von Wasserumlagerungen und Gleitvorgängen in der Mikrostruktur des Zementsteins ausgelöst.

Es sind für das Kriechen unterschiedliche Ursachen verantwortlich, daher wird das Kriechen des Betons in zwei Phasen betrachtet: Das Grundkriechen und das Trocknungskriechen.

Unter dem Grundkriechen wird die Verformung des Betons verstanden, wenn die Betonprobe während des Kriechversuches nicht austrocknen kann. Diese Verformung bleibt umso geringer, je niedriger der Wassergehalt des Betons ist. Wenn der Beton während der Belastung jedoch austrocknen kann, sind die Kriechverformungen deutlich höher. Dieser zusätzliche Anteil wird als Trocknungskriechen bezeichnet. Dieser Anteil ist proportional zur Austrocknung bzw. Feuchteaufnahme des Probekörpers während des Kriechvorgangs.

Folgende Einflüsse vergrößern das Grundkriechen im Wesentlichen:  Höherer w/z-Wert

 Höherer Zementsteingehalt

 Geringere Festigkeit bei Belastungsbeginn  Niedriger E-Modul der Gesteinskörnung  Höhere Temperatur des Betons

 Größere Spannungen  Längere Belastungsdauer.

38

 Höhere Feuchtegehalt des Betons bei Belastungsbeginn  Kleinere wirksame Körperdicke

 Niedrigere relative Luftfeuchte  Höhere Temperatur.

Bild 2.17: Definition der Verformungskomponenten von Beton im Kriechversuch unter konstanter Spannung mit anschließender vollständiger Entlastung [nach Han 58].

Bei Be- und Entlastung treten Verformungen auf, die nach Hansen [Han 58] in folgende Komponenten eingeteilt werden (Bild 2.17):

 Unmittelbare oder sofort auftretende elastische Verformung εel(t0)

(instantaneous elastic deformation)

 Sofort auftretende bleibende Verformung εpl(t0)

(permanent set)

 Zeitabhängige elastische oder verzögert-elastische Verformung εcc(t,t0)

(delayed elasticity)

 Sofort auftretende elastische Rückverformung εel(te)

(instantaneous recovery)

 Zeitabhängige viskose Verformung εcc(t>te)

39

 Verzögert-elastische Rückverformungen εr(t,t0,te)

(time dependent elastic recovery).

Beim Kriechversuch können die einzelnen Verformungskomponenten nicht direkt ermittelt werden, sondern nur die Gesamtverformung εc(t). Es sind begleitende

Versuche an unbelasteten Probekörpern gleicher Herstellung notwendig, um die Schwinddehnung εs(t,t0) zu ermitteln. Außerdem kann bei der E-Modul-Prüfung die

Größe der elastischen Dehnung εel(t0) ermittelt werden. Mit diesen Werten kann die

Kriechdehnung εcc(t,t0) als Teil der Gesamtdehnung εc(t) errechnet werden.

Somit setzt sich die Gesamtverformung εc(t) bei konstant bleibenden

Umgebungsbedingungen (Temperatur und Feuchtigkeit) nach Bild 2.15 aus sofort auftretender elastischer Dehnung bei der Lastaufbringung εel(t0), lastunabhängiger

Schwinddehnung εs(t,t0) und lastabhängiger Kriechdehnung εcc(t,t0) zusammen

(Gleichung (2.7)).

)

,

(

)

,

(

)

(

)

(

t

_el

t

_{0 s}

t

t

_{0 cc}

t

t

₀ c















(2.7)

Es besteht zwischen der Kriechverformung und der aufgebrachten Spannung

σ

c ein nahezu linearer Zusammenhang. Mit zunehmender Belastungsdauer steigt die sogenannte Kriechzahl φ stetig an und es ist anzunehmen, dass das Kriechen nie zum Stillstand kommt. Mit zunehmender Belastungsdauer nimmt die Kriechgeschwindigkeit deutlich ab. Nach [DIN 1045-1] wird die Kriechzahl φ mit der folgenden Formel (Gleichung (2.8)) beschrieben: 28 0 0

)

,

(

)

,

(

c cc

t

t

t

t









_(2.8) mit

)

,

(

)

,

(

₀ 28 0

t

t

E

t

t

c c cc











_(2.9)

Dabei ist Ec28 der Elastizitätsmodul des Betons als Tangente im Ursprung der

Spannungs-Dehnungs-Linie nach 28 Tagen. Die Kriechzahl berechnet sich somit als Verhältnis zwischen der zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessenen Kriechverformung und der elastischen Dehnung desselben Betons im Alter von 28 Tagen (Gleichung (2.9)):

40

Außerdem ist es mit dem sogenannten Kriechmaß



(t,t₀) möglich, verschiede Betone untereinander zu vergleichen. Für die Ermittlung des Kriechmaßes werden die Kriechverformungen εcc(t,t0) durch Division mit der kriecherzeugenden Spannung

σ

c normiert (Gleichung (2.10)). c cc

t

t

t

t







(

,

)

(

,

0

)

0



(2.10) 2.2.2 Schwinden

Als Schwinden wird die Verringerung des Volumens bezeichnet. Es ist eine lastunabhängige Verformung und wird durch Veränderung des Wassergehalts des Betons verursacht.

Die physikalischen Ursachen des Schwindens sind weitgehend geklärt [Baz 01]. Das Schwinden des Betons ist von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängig. Dies sind besonders:

 Zementleimgehalt des Betons  Kapillarporosität des Betons

 Alter des Betons beim Austrocknungsbeginn  Chemische Zementzusammensetzung

 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Gesteinskörnung (Steifigkeit, Porosität)

 Relative Luftfeuchte und Temperatur  Bauteilabmessungen (Größe und Form).

Beim Beton werden grundsätzlich vier verschiedene Arten des Schwindens unterschieden:

 Kapillarschwinden (plastisches Schwinden): durch Kapillarkräfte im frischen, noch verarbeitbaren Beton. Ursache dafür ist der frühe Wasserverlust an der Oberfläche.

 Trocknungsschwinden: Schwinden durch Austrocknung des Körpers  Grundschwinden: Schwinden des erhärtenden Betons bei der Hydratation

 Karbonatisierungsschwinden: Schwinden durch Karbonatisierung von Festbeton.

41

Das Kapillarschwinden kann durch geeignete Maßnahmen (Anpassung der Mischungszusammensetzung und ordnungsgemäße Nachbehandlung) vermieden werden. Unter üblichen Einsatzbedingungen treten die Verformungskomponenten Grundschwinden, Trocknungsschwinden und Karbonatisierungsschwinden auf. Die additive Überlagerung dieser Schwindkomponenten ergibt die an Betonproben zu beobachtende Gesamtschwindverformung. Das Karbonatisierungsschwinden beschränkt sich nur auf die Randzone eines Betonbauteils, so dass sein Beitrag zur Gesamtschwindverformung von untergeordneter Bedeutung ist. Das Grundschwinden liefert gegenüber dem Trocknungsschwinden geringere Schwindverformungen bei normalfesten Beton und größere beim hochfesten Beton [Mül 15].

Bild 2.18: Zeitlicher Verlauf des Grund- und Trocknungsschwindens für normal- und hochfesten Beton in trockener Umgebung (65 %rel. LF.) bzw. bei versiegelter Lagerung (verhinderte Feuchteabgabe) [Mül 15].

Die in dieser Arbeit ermittelten Schwindwerte beziehen sich hauptsächlich auf das Trocknungsschwinden der normalfesten Betone und wurden erst ab 28 Tagen gemessen. Für die Berechnung des Kriechanteils der untersuchten Betone werden sie von den im Versuch gemessenen Gesamtverformungen abgezogen.

42

2.2.3 Kriechversuche an AKR-geschädigten Betonen

Es gibt nur einige Veröffentlichungen, die über Kriechen an AKR-geschädigten Betone berichten. Herrador et al. [Her 09] beschreiben Versuche an Beton mit Zuschlag aus Granodiorit mit der Zusammensetzung von 32 % Quarz, 38 % Plagioklas, 22 % Kaliumfeldspat und 8 % Muskovit und Biotit. Die Gesteinskörnung wurde nach [ASTM C289] als nicht reaktiv eingestuft, da der lösliche SiO2-Gehalt nur 2,67 mmol/l betrug.

Eine daraus erstellte Staumauer zeigte jedoch nach 12 Jahren erste AKR-Schäden. Für die Untersuchung wurden Probekörper an zwei Stellen aus der Staumauer herausgebohrt. Die unbelasteten Prüfkörper, gelagert bei 16°C und 99 % rel. LF., wiesen nach 900 Tagen eine Dehnung von 300x10-6 bzw. nach 400 Tagen von 250 x 10-6 auf. Parallel dazu wurden Probekörper mit 2,6 bzw. 5,1 und 10,2 MPa belastet. Proben, die von der Krone der Staumauer entnommen waren, zeigten eine stetige Abnahme der Dehnung unter 5,1 und 10,2 MPa, während die Kriechdehnung bei 2,6 MPa mehr oder weniger von der durch AKR hervorgerufenen Expansion kompensiert wurde. Die Proben, die vom Mauerauflager entnommen waren, zeigten auch bei einer Spannung von 5,1 MPa praktisch keine Dehnung. Bei 10,2 MPa war die Verkürzung etwa halb so groß wie bei den anderen Proben. Berücksichtigt werden muss, dass der Beton bei Beginn der Versuche bereits 40 Jahre alt war. Das Kriechverhalten wird von Herrador et al. mit einem achtgliedrigen Maxwell-Element dargestellt.

Versuche zum gleichzeitigen Quellen aufgrund von AAR (Alkali Aggregate Reaction) und mechanischer Druckspannung von 1, 3 und 5 MPa wurden über 378 Tage von Le Roux et al [LeR 92] durchgeführt. Die freie Dehnung wurde zu 0,7 % nach 378 Tagen gemessen. Die Prüfkörper mit einer Spannung von 5 MPA zeigten keine Dehnung, d.h. das Quellen wurde durch die Überlagerung mit der mechanischen Spannung kompensiert. Die verwendete Gesteinskörnung war ein Dolomitgestein mit amorphem Silikat.

In einer weiteren Untersuchung von Blight [Bli 96] wurde festgestellt, dass das Kriechen von AAR geschädigtem Beton zweieinhalb bis viermal so groß sein kann wie von ungeschädigtem Beton. In der Veröffentlichung ist die Zusammensetzung des verwendeten Zuschlags nicht angegeben. Auch der statische Elastizitätsmodul hatte beträchtlich abgenommen.

Grimal et al. [Gri 08a] modellieren das Kriechen von AAR geschädigtem Beton mit einem rheologischen Modell, das aus der Serienschaltung einer Feder und einem modifizierten Voigt-Kelvin-Körper besteht. Zu dem Voigt-Kelvin-Körper ist noch ein Schädigungselement parallel geschaltet, das die AAR-Schädigung abbildet. Auf diese Weise ergibt sich ein visko-elastisch-plastisches Materialverhalten. In [Gri 08b] wurde das rheologische Modell mithilfe von Experimenten kalibriert, in denen Prüfkörper einer feuchten Umgebung und gleichzeitig einer mechanischen Druckspannung von 20 MPa

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ausgesetzt waren. Das freie Quellen wurde ebenfalls gemessen, das nach 460 Tagen 0,15 % betrug. Bei der Druckspannung von 20 MPa ergab sich eine Verkürzung (elastische Dehnung und Kriechdehnung) von 0,14 %, d.h. das Kriechen überwog das Quellen. Das vorgestellte rheologische Modell hat den zeitlichen Verlauf der Dehnung gut abgebildet.

Manche Untersuchungen [Dun 12] beruhen jedoch auf ungeschädigten Betonproben, bei denen in einer alkalischen Lösung während der Untersuchung eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion abläuft und die somit die Schädigung von Betonbauteilen darstellen, die mit der Zeit AKR-geschädigt werden.

Es gibt keine Literaturquelle, in der das Zugkriechen durch AKR-Schädigung untersucht worden ist. Die Zugkriechversuche, die im Rahmen dieser Studie untersucht worden sind, wurden in Anlehnung an die Arbeit von Rinder [Rin 03] durchgeführt.

2.3 Rheologie

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines rheologischen Modells, das das Kriechverhalten von AKR-geschädigten Betonen abbildet. Hierzu wird die Vorgehensweise der empirischen Modellentwicklung herangezogen. Bei dieser Modellentwicklung werden die einzelnen Einflussparameter aus den vorliegenden Versuchsdaten herausgearbeitet und es erfolgt eine Verknüpfung von frei gewählten Funktionen. Die unbestimmten Parameter in dieser Funktion werden durch eine Regressionsanalyse möglichst genau an die Versuchsdaten angepasst.

Über die eigentliche realitätsnahe Beschreibung des komplexen Kriechvorgangs unter einer Dauerlast sagen einzelne Grundelemente nicht viel aus. Nur mit einer Kombination aus verschiedenen rheologischen Modellen können die tatsächlichen zeit- und lastabhängigen Kriechverformungen von Beton realitätsnah beschrieben werden. Für zeitabhängiges Betonverhalten wie das Kriechen haben sich Modelle bewährt, deren Funktionen sich aus verschiedenen rheologischen Grundelementen zusammensetzen [Baz 89].

Das Federelement (Hookesche Feder im Falle eines linear-elastischen Verhaltens) als wichtigstes Grundelement dient im Allgemeinen der Beschreibung des Elastizitätsmoduls. Das Dämpferelement (Newtonscher Dämpfer im Falle einer konstanten Viskosität) bildet viskose Verformungen ab. Die Reihenschaltung dieser beiden Grundelemente wird als Maxwellmodell und die Parallelschaltung als Kelvinmodell (oder Voigt-Kelvin-Modell) bezeichnet. Mit dem Voigt-Kelvin-Modell können Kriechverformungen unter einer Dauerlast mit anschließender Entlastung beschrieben werden. Das Maxwellmodell erlaubt dagegen die Darstellung

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viskoelastischer Verformungen. Im Kapitel 6 wird von rheologischen Modellen Gebrauch gemacht.

Im folgenden Bild 2.19 werden die wichtigsten rheologischen Grundelemente bezüglich ihres Spannungs-Dehnungs-Zeitverhaltens und Stoffgesetzes abgebildet:

Rheologisches Modell

Stoffgesetz Verhalten unter

Hookesche Feder





 E



Newtonscher Dämpfer

dt

d











Maxwellmodell









_

_

_

_

M M

dt

d

E

dt

d

1

1

Voigt-Kelvin-Modell











_

_

_

_

K K K

E

dt

d

1

Bild 2.19: Stoffgesetz und Spannungs-Dehnungs-Zeitverhalten verschiedener rheologischer Elemente [Tro 66], modifiziert.

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3 Versuchsprogramm

Das im Folgenden vorgestellte Versuchsprogramm an Betonen mit vier verschiedenen Gesteinskörnungen, abhängig von ihrer unterschiedlichen Alkaliempfindlichkeit, bildet die Grundlage zur Untersuchung des Kriechverhaltens AKR-geschädigter Betone. Die experimentellen Untersuchungen umfassten Betonherstellung, Lagerung und anschließende Ermittlung der Materialeigenschaften und Untersuchung des Kriechverhaltens. Alle gewonnenen Ergebnisse dienten als Grundlage für die Entwicklung eines rheologischen Modells, das visko-elastisch-plastisches Materialverhalten abbildet und somit zur Prognose des Kriechverhaltens von Betonen, die mit slow/late Gesteinen hergestellt wurden und AKR geschädigt sind, abzuschätzen (Siehe Kapitel 6).

3.1 Wahl und Charakterisierung der Gesteinskörnungen

Im Rahmen der Versuche wurden für die Betonherstellung aus der Reihe der slow/late Gesteine die Grauwacke aus dem Unterharz (GW), gebrochener Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex (QP), gebrochener Kies des Oberrheins (OR) und gebrochener Quarzporphyr aus dem Schwarzwald (QP(SW)) in den Körnungen 2 bis 16 mm ausgewählt. Die Gesteinskörnungen unterschieden sich in der AKR-Empfindlichkeit. Die Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnungen wurde mit dem Schnellprüfverfahren und dem Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 °C nach Alkali-Richtlinie [DAfStb] beurteilt, wobei drei dieser Gesteinskörnungen (gebrochene Grauwacke aus dem Unterharz (GW), gebrochener Kies des Oberrheins (OR), gebrochener Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex (QP)) sich als alkaliempfindlich (Alkaliempfindlichkeitsklasse E III-S) und der gebrochene Quarzporphyr aus dem Schwarzwald (QP(SW)) sich alkaliunempfindlich (Alkaliempfindlichkeitsklasse E I-S) herausstellte.

An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass die für die Betonherstellung verwendeten Gesteinskörnungen gebrochene Grauwacke aus dem Unterharz (GW) und der gebrochene Quarzporphyr aus dem Halleschen Porphyrkomplex (QP) aus den kritischen Gebieten (aus dem angrenzenden Bereich des eiszeitliches Ablagerungsgebietes) nach [DAfStb] stammen. Die oben genannten Versuchsergebnisse bestätigen die Alkaliempfindlichkeit dieser Gesteinskörnungen.

Als inerte Gesteinskörnung wurde zur Herstellung der Probeköper Quarzsand der Fraktion 0/2 mm verwendet.

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Bild 3.1: Eiszeitliches Ablagerungsgebiet in Norddeutschland und angrenzender Bereich [DAfStb] (links) und Abbaugebiete der für die Betonherstellung verwendeten Gesteinskörnungen (rechts).

3.2 Betonherstellung

Für die Betonherstellung wurde als Prüfzement ein CEM I 32,5 R gemäß [DIN EN 197-1] verwendet, der durch die Zugabe von K2SO4 zum Zugabewasser des Betons auf ein

Na2OÄqu. von 1,30 M.-% eingestellt wurde. Die Zementmenge beträgt bei allen Betonen

400 kg/m³. Die Betone wurden mit einem w/z-Wert von 0,45 hergestellt. Es wurden 30 Vol.-% der Korngruppe 0/2 mm mit einem inerten Quarzsand, 40 Vol.-% der Korngruppe 2/8 mm und 30 Vol.-% der Korngruppe 8/16 mm der zu untersuchenden Gesteinskörnung für die Betonherstellung eingesetzt. Die Betonzusammensetzung der vier Betonmischungen ist Tabelle 3.1 zu entnehmen.

Die Ergebnisse der Prüfung der chemischen und physikalischen Eigenschaften des eingesetzten Zementes sind im Anhang A1 (Bild A1) aufgeführt.