Um das Reaktionspotenzial von Gesteinskörnungen als einem von drei Reaktionspartnern einer AKR sicher und schnell einschätzen zu können, wurde an der BTU Cottbus ein Prüfverfahren entwickelt, welches Grundlagenerkenntnisse zu den Reaktionsmechanismen von Gesteinen im alkalischen Milieu berücksichtigt. Dieser sogenannte BTU-SP-Test besteht aus einem chemischen und einem physikalischen Teil. Über beide Teilmechanismen wird aus der aus dem Gestein freiwerdenden Gesamtkieselsäure der tatsächlich für eine Beton-schädigung verantwortliche alkaliwirksame Kieselsäureanteil ermittelt. Die sehr gute Korrelation dieses Kennwertes zum Betonversuch in der Nebelkammer wird durch fortlaufende Untersuchungen immer wieder bestätigt. Übertragen auf Fahrbahndeckenbetone, deren teilweise spezielle Zusammensetzungen und unter Berücksichtigung einer Alkalizufuhr von außen, gibt es Möglichkeiten der Modifizierung des Tests, um auch diese Einflüsse auf das Reaktionspotenzial von Gesteinskörnungen abzubilden.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist eine den Beton schädigende Reaktion, bei der Alkalien aus dem Zement, Kieselsäure aus der Gesteinskörnung und Feuchtigkeit beteiligt sind. Trotz jahrzehntelangen Untersuchungen und entsprechenden angehäuften Erkenntnissen ist die Alkali-Kieselsäure-Reaktion immer noch eine den Beton schädigende Reaktion mit zahlreichen ungelösten Fragen.

National sowie auch im internationalen Raum steigt die Notwendigkeit nach einer schnellen und zuverlässigen Beurteilung von Gesteinskörnungen bezüglich ihrer Alkali-Kieselsäure-Reaktivität. Zum einen scheinen auch Gesteinskörnungen, die nicht in der aktuellen Fassung der Alkali-Richtlinie berücksichtigt sind, alkaliempfindlich zu sein und zum anderen machen zahlreiche Schadensfälle im Betonstraßenbau der jüngsten Zeit deutlich, dass ein sicheres Prüfverfahren in einem für die Bauindustrie akzeptablen Zeitraum dringend erforderlich ist.

In der 2008 bauaufsichtlich eingeführten Alkalirichtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) [1] sind erstmals zwei Schnellprüfverfahren, in Form von Mörtelschnell­tests (MST), dem bisher enthaltenen Betonversuch bei 40 °C in der Nebelkammer (9 Monate Prüfdauer) vorangestellt. Die Ergebnisse dieser Schnellprüfverfahren sind jedoch kritisch zu betrachten. So korrelieren Ergebnisse nach einem Mörtelschnelltestverfahren (Referenz-oder Alternativverfahren) oftmals nicht mit Ergebnissen aus dem Betonversuch bzw. es ist keine sofortige Empfindlichkeitsbeurteilung möglich, wenn der Grenzwert der Dehnung des Mörtelschnelltest überschritten wurde. Die zuverlässigste, aber sehr zeitintensive Möglichkeit ist ein anschließender Betonversuch nach dem Abschnitt 5.3 der Alkali-Richtlinie. Die Anforderungen an ein neues Prüfverfahren sind somit deutlich.

Der BTU-Löse- und Porositätstest, kurz BTU-SP-Schnelltest (engl.: solution and porosity), widmet sich direkt dem Gesteinskorn verschiedener Gesteinsarten. Nach nur maximal 14 Tagen ist eine zuverlässige Bewertung der untersuchten Gesteinskörnungen hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit  bezüglich einer AKR möglich. Hierzu wird als chemischer Parameter der sogenannte Kieselsäureüberschuss ermittelt. Dies ist die freie Kieselsäure, die im alkalischen Milieu freigesetzt wird und tatsächlich für die treibende Reaktion, ohne den betonunschädlichen alumosilicatisch gebundenen Anteil, zur Verfügung steht. Liegt dieser Kennwert unter einem bestimmten Grenzwert, kann das Gestein als unempfindlich bezeichnet werden, bzw. bei Überschreitung eines Grenzwertes als alkaliempfindlich beurteilt werden. In einem festgelegten Zwischenbereich ist eine Bewertung zusätzlich vom physikalischen Kennwert der offenen Porosität abhängig. Diese frei zugänglichen Poren dienen dem Quelldruck erzeugenden Alkali-Kieselgel als Puffer- bzw. Ablagerungsraum und können so eine schädigende Wirkung reduzieren aber auch intensivieren, je nach Größe und Verteilung der Poren. Mit den beiden Kenngrößen kann eine differenzierte Einteilung in die verschiedenen Empfindlichkeiten (nicht empfindlich, schwach empfindlich, stark empfindlich) erfolgen. Über 160 Proben verschiedenster Gesteinsarten bestätigen die Zuverlässigkeit der zeitnahen Qualitätsbeurteilung von Gesteinskörnungen, wodurch eine Herstellung dauerhafter Betonbauwerke gesichert wird.

2 Der BTU-SP-Test

Basierend auf dem an der BTU Cottbus von Hill 2004 [2] und Hill, Hünger 2005 [3] entwickelten direkten chemischen Schnelltest für präkambrische Grauwacken (BTU-Test) wurde im Rahmen eines AiF geförderten Forschungsprojektes am LS Baustoffe und Bauchemie der BTU-Test zu einem direkten AKR-Prüfverfahren weiterentwickelt, welches für eine Vielzahl im Beton verwendeter Gesteinsarten anwendbar ist.

2.1    Der chemische Teil des Tests – Bestimmung des Kieselsäureüberschusses

Aus einem polymineralischen Gestein lässt sich Kieselsäure und Aluminium herauslösen. Dies führt einerseits zu einer Bildung von nicht betonschädigenden alumosilicatischen Verbindungen aus SiO₂, Al₂O₃ und Alkalien, und zum anderen zur Bildung von Alkalisilicaten aus dem nicht alumosilicatisch gebundenen SiO₂ und Alkalien (Hünger [4]). Letzteres besitzt unter Wasseraufnahme ein erhebliches Quellpotenzial, was zu den uns bekannten Reaktionsschäden einer AKR führen kann. Die von Hill und Hünger gezeigten Zusammenhänge zeigen eine Abhängigkeit der Betontreiberscheinungen vom sogenannten SiO₂-Überschuss in der Lösung und können auch auf weitere Gesteinsarten übertragen werden.

Die Lösungsanalyse ist eine korngrößen- und zeitabhängige Untersuchungsmethode. Zunächst werden die Proben auf drei verschiedene Prüfkörnungsfraktionen (0,25/0,5; 1/2; 4/8) abgesiebt, anschließend gewaschen und getrocknet. Danach erfolgt die Einwaage mit je 10 g jeder Probe und die Zugabe von 100 ml 0,1 m KOH-Lösung (pH = 13) in geschlossene HDPE-Behälter und anschließender Lagerung bei 80 °C im Klimaschrank. Im Zwei-Tage-Rhythmus (einschließlich des 14.) erfolgt eine Lösungsanalyse, indem die Lösung abfiltriert und eine photometrische Bestimmung der SiO₂ Gehalte und eine komplexometrische Bestimmung der Al₂O₃ Gehalte durchgeführt wird. Zur Auswertung wird das Mittel der Analysewerte der drei Korngruppen herangezogen.

Für die spätere direkte Gegenüberstellung von Kieselsäureüberschussanteilen und anderen Vergleichswerten ist es notwendig, die über eine alumosilicatische Komplexbildung hinaus vorliegenden SiO₂-Anteile in der Lösung zu quantifizieren. Die Berechnung des hierfür maßgeblichen schädigenden Kieselsäureüberschuss ergibt sich aus nachstehender Gleichung:

Formel in der PDF

Dabei stellt der Wert 1,4 den aus NMR-Untersuchungen der alkalischen Lösungen ermittelten alumosilicatischen Bindungsfaktor der Kieselsäure dar. Durch die bisher vorliegenden Untersuchungen an weiteren Gesteinen konnte dieser Faktor in seiner Größenordnung bestätigt werden.

Aus der Arbeit von Hill konnten Gesteine (damals präk. GW) mit < 100 mg/l an SiO_2üb als alkaliunempfindlich eingestuft werden was sich anhand des Betonversuchs auch für weitere Gesteinsarten bestätigt. Untersuchungen an einer Vielzahl von Gesteinsarten zeigten, dass teilweise auch Gesteine mit einem Wert von über 100 mg/l sich inert gegenüber einer AKR verhielten. Somit scheint es, dass die Reaktivität noch von einer weiteren Komponente abhängt, nämlich von der zweiten wichtigen Komponente des BTU-SP-Tests, dem physikalischen Kennwert der offenen Porosität.

2.2    Der physikalische Teil des Tests – Bestimmung der offenen Porosität

Im Rahmen von Untersuchungen verschiedener physikalischer Eigenschaften an präkambrischen Grauwacken stellte sich heraus, dass die offene Porosität der Gesteine einen wesentlichen Einfluss auf die Reaktivität hat. In der Literatur ist zum Einfluss der offen Porosität auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion nur wenig zu finden.

Poyet et al. [5] aber zeigt ein idealisiertes 2D-Modell (Bild 1) eines reaktiven Korns, mit einem Relative Elementary Volume (REV), was in Abhängigkeit des Radius numerisch berechnet werden kann. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass eine AKR nur schadhaft ist, wenn der verfügbare offene Porenraum zu klein für das Reaktionsprodukt (Alkalisilicat-Gel) einer AKR ist.

Bild 1: 2D-Modell (nach Poyet et al.)

Die Ermittlung der offenen Porosität an Gesteinskörnungen erfolgt nach EN 1097-6:2000 [6], dem Pyknometer-Verfahren und die Berechnung anhand folgender Formel in Anlehnung an DIN EN 1936:2006 [7].

Formel in der PDF

2.3    Grafische Darstellung der Messergebnisse

Die beiden ermittelten Kennwerte (chemischer und physikalischer Parameter) können nun in einem Diagramm abgetragen werden (Bild 2). Auf den ersten Blick erscheint das Ergebnis wie eine lose Ansammlung von Wertepunkten, welche sich wolkenförmig um einen Bereich konzentrieren. Ausgehend von unserer Erfahrung mit Dehnungen an Betonbalken kann die Grafik in drei Bereiche aufgeteilt werden [8].

Bild 2: Einordnung verschiedener Gesteinsproben in die Grafik des BTU-SP Test

Aus dem BTU-Löseverfahren für präkambrische Grauwacken ergibt sich ein recht strenger Grenzwert von < 100 mg/l freier Kieselsäure für reaktive Gesteinskörnungen (Bereich A). Proben unterhalb dieses Grenzwertes sind somit als unempfindlich (E I-S) einzustufen, da nur geringe Mengen an Kieselsäure für eine Reaktion zur Verfügung stehen. Von Gesteinen mit einem Kieselsäureüberschuss von über 400 mg/l (Bereich C) wissen wir anhand des Betonversuches, dass es sich um AKR-empfindliche Gesteinskörnungen handelt. Aufgrund des sehr hohen Kieselsäurelösevermögens spielt die offene Porosität keine Rolle bei der Beurteilung. Weiterhin hat eine hohe Anzahl von Proben Kieselsäureüberschüsse zwischen 100 bis 400 mg/l (Bereich B). Hier hängt die Bewertung vom Wert der offenen Porosität ab.

Auf Grundlage des Betonversuches konnten 2 Bereiche (B I und B II) differenziert werden. Wertepunkte, die unterhalb dieser Linie liegen, zeigen eine reaktive Gesteinskörnung an. Alle Punkte, welche über der Linie liegen, sind nicht reaktive Gesteine. Für Punkte, die nahe an der Grenzlinie liegen, kann zusätzlich die Aussage getroffen werden, dass es sich sehr wahrscheinlich um sogenannte slow/late Gesteine handelt. Hierbei handelt es sich um Gesteine, die, wie der Name sagt, langsam und spät reagieren. Weitere Untersuchungen zur Spezifizierung werden dazu fortlaufend ergänzt [9].

3 Korrelation zum Betonversuch

Offensichtlich scheint also die Grenze, bei welcher ein Gestein reaktiv oder nicht reaktiv reagiert, vom Wert der freien Kieselsäure und zusätzlich noch von der offenen Porosität abzuhängen.

Damit fließen in die Bestimmung eines gesteinsspezifischen AKR-Kennwertes zwei Größen ein, die erst einmal nicht unmittelbar zusammenhängen, es ist der chemische Kennwert des sogenannten Kieselsäureüberschusses und es ist der physikalische Kennwert der offenen Porosität. Betrachtet man sich die Grenzlinie zwischen den Bereichen B I und B II aus dem Bild 2, so kann dieser Linie ein mathematischer Zusammenhang der Form Y = mX + n zugeordnet werden. Es ist eine Geradengleichung, in der für den Parameter y der Kennwert der offenen Porosität eingesetzt werden kann, für den Parameter x der Kennwert des Kieselsäureüberschusses. Konkret umgesetzt ergibt sich folgende Beziehung:

mod.SP_AKR = SiO_2üb/100 - P_open + 1

Trägt man nunmehr auf der x-Achse diesen modifizierten BTU-SP_AKR-Kennwert auf und auf der y-Achse die tatsächlich nach 9 Monaten gemessenen Betondehnungen, ermittelt mittels des Betonversuches nach Teil 3 der Richtlinie, so ergibt sich eine Darstellung, wie sie im Bild 3 zu sehen ist.

Alle SP_AKR-Werte kleiner Null repräsentieren Gesteinskörnungen, die im Betonversuch unempfindlich reagieren, SPAKR-Werte größer Null weisen in Richtung einer steigenden Empfindlichkeit hin, wobei aus dieser Darstellung ersichtlich wird, dass es durchaus einen Übergangsbereich gibt (zwischen -1 und +1 oder auch +2) der einer E II-S Einstufung zuzuordnen wäre.

Bild 3: Zusammenhang mod.SP_AKR und Betondehnung

Damit ist es erstmals gelungen, einen Zusammenhang zwischen grundlegenden chemischen und physikalischen Kennwerten und dem Reaktionspotenzial von Gesteinskörnungen herzustellen. Letztendlich ist dies auch ein Beweis dafür, dass die Herangehensweise zur Bestimmung von Empfindlichkeiten über den BTU-SP-Test richtig sind. Damit ist aber gleichzeitig die Möglichkeit gegeben, mittels BTU-SP-Test Gesteine zu prüfen, die zwischen E I und E III-S liegen und damit einer Empfindlichkeitsklasse E II-S zuzuordnen wären. Dies stellt wiederum die Grundlage dar für die Übertragung von Performance-Prüfungergebnissen [12] auf die Untersuchungsmöglichkeiten des BTU-SP-Tests.

Sieht man sich demgegenüber die gleichen Zusammenhänge zum Mörtelschnelltest [10, 11] an, so ergibt sich ein sehr widersprüchliches Bild (Bild 4).

Bild 4: Zusammenhang mod.SP_AKR und Dehnung nach Mörtelschnelltest

4 Anwendung auf unterschiedliche Gesteinsarten

Insbesondere anhand des Beispiels für Kiese wird deutlich, dass es deutliche Diskrepanzen zwischen den Mörtelschnelltests und dem Betonversuch gibt. Im Gegensatz dazu bleibt das BTU-SP Verfahren bisher in allen untersuchten Proben konform zur wesentlich länger dauernden Nebelkammerlagerung (Bilder 5 bis 6).

Im Bild 5 sind Kiese verschiedenster Kornfraktionen in die Grafik des BTU-SP-Tests eingeordnet. Die grünen Punkte stellen jene Proben dar, welche nach dem Schnellprüfverfahren der Alkali-Richtlinie in die Empfindlichkeitsklasse E I-S einzustufen sind. Rote Wertepaare können nach der Richtlinie nicht bewertet werden.

Deutlich zeigt sich hier die Problematik der Mörtelschnelltests, denn diese korrelieren nicht mit den Ergebnissen nach dem BTU-SP-Test und dem Betonversuch (Bild 5).

Im Bild 6 sind die gewichteten Mittelwerte anteilig der verwendeten Kornfraktionen im Betonversuch aufgetragen. Hier wird deutlich, dass die Ergebnisse des BTU-Tests durch den Betontest zu bestätigen sind aber auch die Diskrepanz zwischen MST und Betondehnungen.

Bild 5: Einordnung der Kiese in die Grafik des BTU-SP-Tests und Vergleich zum MST nach Alkali-Richtlinie, Teil 3

Bild 6: Gegenüberstellung der Ergebnisse nach BTU-SP und den Dehnungen/Rissbreiten nach dem Betonversuch der AR-T3

Die Kiesprobe mit einem SiO₂-Überschuss > 900 mg/l zeigt z. B. den „worst-case“ der Anwendung der Alkali-Richtlinie, Teil 3. Nach dem Mörtelschnelltest wird diese mit E I-S bewertet, zeigt aber nach dem Betonversuch eine eindeutige Empfindlichkeit, wie auch nach dem BTU-Verfahren.

Anhand von über 180 untersuchten Proben kann konstatiert werden, dass mit dem BTU-Löse- und Porositäts-Test (BTU-SP-Test) einerseits ein im Sinne der Alkali-Richtlinie zuverlässiger Test, kalibriert am 9-monatigen Betonversuch, existiert, andererseits dieser in einem für die Bauindustrie akzeptablen Zeitraum von nur 14 Tagen zuverlässige Ergebnisse liefert. Die sehr gute Korrelation zwischen dem mod.BTU-SP_AKR-Kennwert, der ja eine alumosilicatische Kieselsäurebindung chemisch und Einlagerungsmöglichkeiten in Poren physikalisch bedeutet, und dem Dehnungswert im Betonversuch nach 9 Monaten belegt, dass die grund-legenden Überlegungen zu den Reaktionsmechanismen in einem Gestein richtig sein müssen.

5 Berücksichtigung einer Alkalizufuhr

Zusätzlich ist es mit diesem Test möglich, die Zufuhr von Tausalzen (NaCl) zu simulieren. Hierzu wird der alkalischen Prüflösung (KOH) eine bestimmte Menge an NaCl zugegeben. Im Bild 7 sind die Ergebnisse ohne und mit NaCl-Zugabe dargestellt und es zeigt sich, dass z. B. der Wert der gelösten Kieselsäure zunimmt, aber der des gelösten Aluminiums abnimmt. Das gleichfalls in der Porenlösung des Zementsteins im Beton enthaltene Calcium-hydroxid bewirkt bei beiden Oxiden eine generelle sehr starke Abnahme der Konzentration.

Bild 7: Einfluss von NaCl auf die chemischen Kennwerte des BTU-SP-Tests

Bild 8: Einfluss von NaCl auf die Messwerte des BTU-SP-Tests

Der sich daraus ergebenden chemische Kennwert Kieselsäureüberschuss – die Porosität des Gesteins ändert sich dadurch natürlich nicht – bildet die Basis für eine Bewertung auch solcher Anwendungsfälle (siehe Bild 8). Bei gleichbleibender Porosität verschieben sich die Punkte im Diagramm in Richtung höherer Kieselsäureüberschüsse und können damit z. B. bei E I-S-Gesteinen unter Umständen die Grenzlinie zum E III-S-Bereich tangieren.

Literaturverzeichnis

1. DAfStb-Richtlinie: Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie), Deutscher Ausschuss für Stahlbeton – DAfStb, Beuth Verlag, Berlin, 2007
2. Hill, S. (2004): Zur direkten Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit präkambrischer Grauwacken aus der Lausitz anhand deren Kieselsäure- und Aluminiumlöseverhalten.
   Dissertation, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, S. 154
3. Hill, S.; Hünger, K.-J. (2005): Direct assessment of the alkali sensitivity of Precambrian greywacke from Lausitz. Cement International, 1, pp. 104–119
4. Hünger, K.-J. (2005): Zum Reaktionsmechanismus präkambrischer Grauwacken aus der Lausitz bei ihrer Verwendung als Gesteinskörnung im Beton. Habilitation, BTU Cottbus 268 S., ISBN 3-8322-4670-3 (Shaker-Verlag)
5. Poyet, S.; Seller, A.; Capra, B.; Foray,G. (2007): Chemical modelling of Alkali Silica Reaction: Influence oft the reactive aggregate size distribution, RILEM Materials and Structures 40, S. 229–239
6. DIN EN 1097-6 2000: Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnungen, Teil 6: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme. Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
7. DIN EN 1936 2006: Prüfverfahren für Naturstein-Bestimmung der Reindichte, der Rohdichte, der offenen Porosität und der Gesamtporosität. Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN Deutsches Institut für Normung e.V.
8. Bachmann, R.; Hünger, K.-J.; Scholz, Y. (2007): Entwicklung eines direkten Prüfverfahrens zur Alkaliempfindlichkeitsbeurteilung von Gesteinskörnungen – der BTU-SP-Schnelltest, Forum der Forschung, Wissenschaftsmagazin der BTU Cottbus, Heft 20, S. 73–78,
9. Bachmann, R.; Hünger, K.-J.; Scholz, Y.; Hahn, U. (2009): BTU-SP-Schnelltest zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen – Die Entwicklung eines direkten Prüfverfahrens, In: beton, 59 (4), S. 138–143
10. Oberholster, R. E.; Davies, G. (1986): An accelerated method for testing the potential alkali reactivity of silicious aggregates. Cement and Concrete Research, 16, S. 181–189.
11. Franke, L. (2003): Schnelltest auf Alkalireaktion für deutsche Beton-Zuschläge, Kurz-berichte aus der Bauforschung, 1, S. 37–45.
12. Stark, J.; Freyburg, E.; Seyfarth, K.; Giebson, C. (2006): AKR-Prüfverfahren zur Beurteilung von Gesteinskörnungen und projektspezifischen Betonen, In: beton, Verlag Bau+Technik, 12/2006, S. 574–581