Die schädigende Alkalireaktion von gebrochener Oberrhein-Gesteinskörnung im Beton

Abstract

Zwischen der löslichen Kieselsäure alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen und der alkalihaltigen Porenlösung des Betons kann es unter ungünstigen Bedingungen zu einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) kommen. In den Jahren 1997/98 sind auch Alkalischäden an Betonfahrbahndecken in einigen Gebieten des Oberrheingrabens aufgetreten. Unter "Oberrhein" wird die Region zwischen Basel und Karlsruhe verstanden. Etliche der mit Kies-Edelsplitt hergestellten Betonfahrbahnplatten mussten weit vor Ablauf ihrer vorgesehenen Nutzungsdauer erneuert werden. Bei der Verwendung von alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen haben sich Zemente mit einem niedrigen wirksamen Alkaligehalt, sogenannte NA-Zemente, zur sicheren Vermeidung von Schäden infolge von AKR seit langem bewährt. Allerdings ist der Einsatz von NA-Zement nicht für alle Anwendungen im Betonbau, wie beispielsweise den Betonstraßenbau, optimal geeignet. Zudem sind NA-Zemente aufgrund geologischer Rohstoffvorkommen regional nicht uneingeschränkt verfügbar und vergleichsweise teuer. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher festzustellen, ob gebrochenes Oberrheinmaterial nachweislich keine NA-Zemente zur Vermeidung von Schäden benötigt, und wenn ja, bis zu welchen maximalen Alkaligehalten sich Bauschäden dauerhaft vermeiden lassen. Berücksichtigt man zudem die Einwirkungen auf Betonstraßen, wie beispielsweise die äußere dynamische Belastung durch Verkehr oder die Alkalizufuhr von außen durch Tausalzeintrag, wird deutlich, dass zur sicheren Vermeidung von Betonschäden umfangreiche praxisorientierte Prüfungen notwendig sind, die in dieser Arbeit durchgeführt wurden. In die hier dargestellten Untersuchungen wurden verschiedene Zemente, u.a. ein im Einzugsgebiet des Oberrheins hergestellter Portlandschieferzement einbezogen. Vergleichend wurden neben den gebrochenen Gesteinskörnungen des Oberrheins auch alkaliempfindlicher norddeutscher Kiessand mit Opalsandstein und Flint und präkambrische Grauwacke verwendet. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Einbeziehung eines Schnelltests, der zur Ermittlung der Alkaliresistenz von Glasfasern entwickelt wurde. Ziel war dabei, die Verwendbarkeit dieses Tests als Bindemittelprüfung für Beton mit alkaliempfindlicher Gesteinskörnung aufzuzeigen. Hierbei galt es nachzuweisen, ob mit diesem Schnelltest eine Aussage über den potentiellen Angriff der Alkalien aus Bindemitteln getroffen werden kann und wie diese Testergebnisse im Hinblick auf eine mögliche Alkalireaktion im Beton gewertet werden können.

The alkali-silica reaction (ASR) that occurs between the alkaline hydroxides in the cement paste and reactive minerals in the aggregate produces an expansive gel that may cause cracking and displacement in concrete structures. In the years 1997/98 damages due to ASR occured in concrete road slabs in some districts of the Oberrhein area. The Oberrhein is regarded as the region between Basel and Karlsruhe. Several of these concrete slabs made with crushed gravel were affected and were needed to be replaced long before their expected end of service life. Though cements with low alkali contents, so called NA-cements, are well tried to avoid ASR damages while using alkali-sensitive aggregates in concrete, the application of NA-cements is nevertheless not the best solution in all cases of concrete building e.g. in concrete road construction. Furthermore, NA-cements are comparatively expensive and not unrestricted locally available, due to geological raw-material deposits. If less alkali-sensitive aggregates demonstrably need no NA-cements, a limitation to NA-cements is regarded to be unnecessary. Thus one aim of this work was to clear up if crushed aggregates from the Oberrhein inevitably need NA-cements in concrete to prevent damages or not. And if not, which maximum alkali levels can be used to prevent cracking in the long run. Following this, in so called performance tests, the effect of external alkali supply was pursued because an intake of additional alkalis in concrete could provoke a harmful ASR, for instance, through de-icing salts to keep transportation tracks ice-free. The utilisation by traffic as another external impact was included in this work by affecting concrete specimen with dynamic loading. For this survey, different cements were used. Among other cements a portland-oil-shale cement was utilised which is produced within the trading area of the Oberrhein. The completion of this work are trials with the SIC-Test (Strand In Cement) for glass fibre rovings. In these tests, portland cements, portland-slag cements and portland-oil-shale cements were checked on their ability to attack glass fibre rovings in accordance to their alkali contents.The results should give conclusions to evaluate the ability of different binder combinations to attack concretes with alkali-sensitive aggregates.