In Betonfahrbahndecken treten häufig Schäden auf, welche mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Obwohl die Hintergründe einer solchen AKR intensiv untersucht wurden, gibt es bei Betonfahrbahndecken besondere Randbedingungen, welche die Schadreaktion signifikant erhöhen können. Diese sind vor allem die Überlagerung der mikrostrukturellen Degradation durch Verkehrsbeanspruchung mit externer Alkali-Zufuhr durch Taumittel. Bisherige Untersuchungen der AKR beschränkten sich auf die Ausgangsstoffe (Gesteinskörnung, Zement, Bewertung des Betons), wobei die besonderen Randbedingungen außer Acht gelassen wurden. Betonfahrbahndecken sind zyklischen Belastungen aus Verkehr und Witterungsbedingungen ausgesetzt. In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt wurden die verschiedenen, gegenseitig voneinander abhängigen, Einflussfaktoren auf eine schädigende AKR in Betonfahrbahndecken sowohl experimentell untersucht als auch numerisch modelliert. Auf Mikro-Ebene wurden die AKR-bezogenen Transportprozesse innerhalb der Gesteinskörnung, sowie die Gelbildung und der Ionen-Transport, untersucht. Auf Meso-Ebene fokussierte das Projekt auf die Charakterisierung der durch zyklische Belastung induzierten Schädigung im Mikrogefüge des Betons. Des Weiteren wurde das Transportverhalten in ein derart geschädigtes Betongefüge mit und ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Einflusses überrollender Reifen beschrieben und dessen Auswirkung auf eine AKR analysiert. Schließlich wurde auf Makro-Ebene das Risiko eines AKR-bedingten Schadens bewertet. Einige ausgewählte Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.

Schlagwörter Alkali-Kieselsäure-Reaktion/Degradation/Zyklische Belastung/Flüssigkeitstransport/Verkehr

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1 Einleitung

Betonfahrbahndecken sind statischen, zyklischen und dynamischen Einflüssen ausgesetzt. Um diese Einflüsse evaluieren zu können, sollten verschiedene Lastfrequenzen berücksichtigt werden. Aufgrund der wechselnden klimatischen Randbedingungen sind thermisch und hygrisch bedingte Verformungen unvermeidbar. Sind diese Verformungen behindert, so entstehen Zwangsspannungen, welche vom Grad der Behinderung als auch der Steifigkeit des Bauteils abhängen (Springenschmid, 1984; Mangold, 1994). Diese Spannungen verändern sich abhängig von den äußeren Einflüssen. In diesem Zusammenhang muss zwischen tageszeitlichen Temperaturschwankungen (Tag – Nacht) und saisonalen Temperatur- und Feuchteänderungen (Sommer – Winter) unterschieden werden. Diese Einflüsse sind als niederfrequent zu werten.

Neben diesen niederfrequenten Einflüssen wirken hochfrequente lastabhängige Spannungen infolge der Verkehrsbelastung auf das Bauteil. Besonders Betonfahrbahndecken – und gleichermaßen Offshore-Windenergieanlagen – sind Tag für Tag einer hohen Anzahl an Lastwechseln ausgesetzt. Diese Effekte sind als hochfrequent zu werten.

Diese Arten der Belastung verursachen nur äußerst selten Makrorisse, welche zum Ermüdungsversagen des gesamten Bauteils führen könnten. Nichtsdestotrotz werden durch diese Beanspruchungen feine Risse im Betongefüge hervorgerufen, welche zur graduellen Degradation des Betongefüges führen, wodurch gleichzeitig auch die Materialsteifigkeit abnimmt (Breitenbücher; Ibuk, 2006, Ibuk, 2008; Breitenbücher, 2006). Vergleichende Ultraschalllaufzeitmessungen sind eine geeignete zerstörungsfreie Prüfmethode, um diese Effekte zu charakterisieren (Schubert, 1999).

Das Ausmaß der Schädigung ist abhängig von zwei Faktoren: der Anzahl der Lastwechsel und der Höhe der aufgebrachten Spannung. Diese Beziehung ist in der Regel beschrieben durch das Verhältnis der Oberspannung σo zur entsprechenden Festigkeit f. In Fahrbahndecken, bei welchen die Degradation sowohl durch Druck- als auch durch Zugspannungen ausgelöst wird, sind die Zugspannungen maßgebend (σo/fct,fl). Gleichzeitig ist es wesentlich, die einwirkenden Spannungen mit denen im Beton befindlichen Spannungen zu überlagern, zum Beispiel innere Zwangsspannungen aus dem Abführen der Hydratationswärme (Springenschmid, 1984).

Gemäß Holmen (Holmen, 1979) wandeln sich Mikrorisse unterhalb eines Spannungsverhältnisses von σo/fct,fl < ca. 40 % auch nach Millionen von Lastwechseln nicht zu Makrorissen. Bei einem Spannungsverhältnis über ca. 65 % kann es deutlich früher zu einem Ermüdungsversagen kommen (auch schon nach wenigen 10.000 Lastwechseln).

Nichtsdestotrotz hat die Bildung von Mikrorissen im Betongefüge infolge zyklischer Belastung einen entscheidenden Einfluss auf die Dauerhaftigkeit von Betonfahrbahndecken. Verglichen mit ungeschädigten Bauteilen verändern die induzierten Mikrorisse das Eindringverhalten von Flüssigkeiten in den Beton (Wittmann, 2009). Grundsätzlich ist das Transportverhalten in porösen Medien abhängig von der Größe, Art und Form der Poren oder Mikrorisse. Zusätzlich bestimmen die physikalischen Gesetze innerhalb der jeweiligen Poren/Mikrorisse (z. B. Chromatographieeffekt) das Transportverhalten. Neben der Diffusion ist das kapillare Saugen der entscheidende Transportmechanismus, da gelöste Alkalien wesentlich tiefer in Betonstrukturen eindringen und dort das AKR-Schädigungspotenzial erhöhen können.

In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass umfangreiche Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen dem gesteigerten Eindringverhalten externer Alkalien in mikrostrukturell geschädigtes Betongefüge mit Rissweiten von 1 bis 10 µm und dem AKR-Fortschritt noch ausstehen. Bisherige Untersuchungen umfassten lediglich ungeschädigten Beton. Ähnliche Untersuchungen haben aber gezeigt, dass überrollende Verkehrslasten die Eindringtiefe externer Alkalien und damit einhergehend das AKR-Potenzial erhöhen (Sievering, 2012).

2 Versuchsdurchführung

2.1 Betonzusammensetzung und Probenherstellung

Alle Untersuchungen wurden an einem gängigen Straßenbeton durchgeführt. Die grobe Gesteinskörnung besteht aus einem Granodiorit-Splitt (8/16, 16/22) aus der Lausitz. Betonfahrbahndecken, die diese Gesteinskörnung beinhalten sind bekannt dafür, AKR-bedingte Schäden aufzuweisen (Stark et al., 2010). Für die Fraktion 2/8 wurde ein Oberrheinkies verwendet. Auch Betonfahrbahndecken mit dieser Gesteinskörnung weisen AKR-bedingte Schäden auf (Stark et al., 2010). Zusätzlich wurde ein Rheinsand (0/2) als feine Gesteinskörnung verwendet. Eine detailliertere petrographische und mineralogische Charakterisierung sowie die Alkalireaktivität der gewählten Gesteinskörnung können (Giebson et al., 2015) entnommen werden. Darüber hinaus sind dort die chemische Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften des verwendeten Zements (CEM I 42,5 N (sd), Na2O-äquiv. 0,73 M.-%) aufgeführt. Für den vorliegenden Beton wurde ein w/z-Wert von 0,42 festgelegt. Durch den Einsatz eines gewöhnlichen Luftporenbildners wurde ein Luftgehalt von 4,0 – 4,5 Vol.-% eingestellt, welcher den Anforderungen nach (FGSV, 2007) entspricht. Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht der verwendeten Betonzusammensetzung.

Tabelle 1: Betonzusammensetzung

Die Probekörper innerhalb dieses Forschungsprojekts wurden sowohl bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin (BAM) als auch am Lehrstuhl für Baustofftechnik der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hergestellt.

Fünf Minuten nach Ende des Mischvorgangs wurden die Frischbetonkennwerte ermittelt. Während jeder Herstellung wurde ein großformatiger Balken (27 x 50 x 200 cm³ bzw. 27 x 50 x 180 cm³) sowie drei Prismen (15 x 15 x 70 cm³) zur Bestimmung der Biegezugfestigkeit nach DIN EN 12390-5 (Grundlage für die Definition der Oberspannung während des zyklischen Vierpunkt-Biegezugversuchs) hergestellt. Wie für Betonfahrbahndecken typisch wurde die Balkenoberfläche mit einem Besenstrich texturiert. Die angestrebten Frisch- und Festbetonkennwerte sind in der Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Frisch- und Festbetoneigenschaften

2.2 Versuchsaufbau zur Ermüdungsbeanspruchung mit gleichzeitiger Erfassung des Degradationsprozesses

Nach 56-tägiger Folienlagerung wurden die großformatigen Balken einer zyklischen Vierpunkt-Biegezugbelastung ausgesetzt und gleichzeitig der Degradationsprozess erfasst. Für die Ermüdungsbeanspruchung bei der BAM wurden die Balken mit der Besenstrichstruktur nach oben ausgerichtet (Bild 1 links), wohingegen die Besenstrichstruktur im Versuchsaufbau der RUB (Bild 1, rechts) an der Unterseite war. Der Versuchsaufbau in Bochum ermöglicht die gleichzeitige Beanspruchung von bis zu sechs großformatigen Balken.

Bild 1: Versuchsstand zur Ermüdungsbeanspruchung bei der BAM (links) und an der RUB (rechts)

Das gewählte statische System ist für beide Aufbauten identisch und führt zu einer konstanten Biegezugspannung an der Seite mit Besenstrichstruktur zwischen den Auflagerpunkten. Während der Untersuchungen bei der BAM wurden die Balken mit verschiedenen zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Erfassung des Degradationsprozesses bestückt (Bild 2).

Bild 2: Versuchsaufbau zur simultanen Erfassung des Degradationsprozesses während der Ermüdungsbeanspruchung

Die zyklische Belastung folgte einer Sinuskurve mit einer Frequenz von 5 (RUB) bzw. 7 Hz (BAM). Die gewählten Ober- und Unterspannungen entsprechen verschiedenen Spannungen, welche infolge der Überlagerung mehrerer Einflüsse auf eine Betonfahrbahndecke einwirken (Przondziono et al., 2015).

Langsam wiederkehrende thermische Zwangsspannungen werden mit hochfrequenten zyklischen Spannungen aus einer Verkehrsbeanspruchung überlagert. Aus diesen Randbedingungen ergeben sich eine Ober- sowie eine korrespondierende Unterspannung (σmax und σmin). Wird die Betonfahrbahndecke von oben gekühlt, ergibt sich ein negativer Temperaturgradient von 0,4 K/cm und daraus eine Zwangsspannung von 2,0 N/mm² an der Oberfläche. Die Belastung durch einen 40-t Lkw in Plattenmitte generiert eine zusätzliche Biegezugbeanspruchung von ca. 1,0 N/mm² und wirkt daher entlastend an der Betonoberseite. Für diese Lastkombination ergibt sich also ein Spannungsverhältnis von σmin/σmax = 0,5 (Sievering, 2012).

Obwohl die Betonplatten mit den benachbarten Platten verdübelt sind, bewirkt die Abkühlung von oben ein minimales Abheben der Plattenränder. In diesem Fall hat die Verkehrsbelastung in Plattenmitte einen laststeigernden Effekt. Daraus ergeben sich eine maximale Oberspannung von σmax = 3,0 N/mm² und eine minimale Oberspannung von σmin = 2,0 N/mm² bei einem Spannungsverhältnis von σmin/σmax = 0,66. Für beide Fälle ergibt sich eine Spannungsamplitude von 1,0 N/mm².

Basierend auf einer durchschnittlichen Biegezugfestigkeit fct,fl für Betonfahrbahndecken von in etwa 6,0 N/mm², ergibt sich ein Spannungsverhältnis von σo/fct,fl = 0,35 bzw. σo/fct,fl = 0,50 für die beiden Lastkombinationen. Aufgrund der Probekörpergeometrie sowie von Austrocknungseffekten ergibt sich eine tatsächliche Biegezugfestigkeit der großformatigen Probekörper von 4,0 bis 4,5 N/mm². In den Untersuchungen wurde die Oberspannung jeweils angepasst, um das gewünschte Spannungsverhältnis σo/fct,fl einzustellen.

Daraus ergaben sich folgende Variationen:

– Oberspannung zu Biegezugfestigkeit (σo/fct,fl = 0,35; 0,50; 0,60),

– Anzahl der Lastzyklen (N = 0; 1,0; 2,0; 5,0 Millionen).

Die zerstörungsfreien Prüfungen zur Erfassung des Degradationsprozesses bestehen aus Schallemissions-, Dehnungs- und Ultraschallmessungen. Die Schallemissionssensoren sind an der Seite des Balkens nahe der zugbeanspruchten Oberseite angebracht (Bild 2). Für die Erfassung der Verformungen wurden Dehnmessstreifen an der Unterseite des Balkens angebracht. Die Ultraschallmessungen wurden mit einem mobilen Handgerät an der zugbeanspruchten Oberfläche in einem Raster wie im Bild 2 dargestellt erfasst. Aus der Ultraschalllaufzeit kann der dynamische E-Modul abgeleitet werden. Während der Ermüdungsuntersuchung wurden für die zerstörungsfreie Prüfung verschiedene Phasen durchlaufen (Bild 3). Ein Belastungszyklus besteht hierbei aus einer Rampenphase und einer Schwingphase mit fünfzigtausend Lastwechseln (Bild 3, links). Die Schallemissions- und die Dehnungsmessungen wurden während des Messablaufs automatisch durchgeführt und von der Prüfmaschine gesteuert. Die Schallemissionsaktivitäten wurden kontinuierlich erfasst, während die Dehnungsmessungen nur während der unterschiedlichen Spannungsniveaus durchgeführt wurden (Bild 3, links). Nach verschiedenen Belastungszyklen bzw. Rampenphasen wurden Pausen eingelegt, in denen die Ultraschalllaufzeiten an der zugbeanspruchten Oberfläche gemessen wurden (Bild 3, rechts). Da die stärkste Degradation während der ersten Lastwechsel festgestellt wurde, erfolgten zunächst 8 Rampenphasen um die zeitliche Auflösung der Ergebnisse in dieser Phase zu erhöhen.

Bild 3: Versuchsablauf für Vierpunkt-Biegezug-Ermüdungsversuche mit gleichzeitiger zerstörungsfreier Erfassung des Degradationsprozesses

2.3 Stofftransport in vorgeschädigte Probekörper

Die beschriebene Degradation beeinflusst das Eindringverhalten von flüssigen Medien in den Beton. Um dieses Verhalten zu charakterisieren wurden kleinformatige Prüfkörper (12 x 14 x 27 cm³) sowohl aus einem der belasteten Balken als auch aus unbelasteten Referenzproben entnommen. An diesen Prüfkörpern wurden kapillare Saugversuche zum einen mit Wasser und zum anderen mit 3,6 %-iger NaCl-Lösung durchgeführt.

Hierfür wurden die Proben bei 40 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Diese galt als erreicht, wenn der Masseverlust innerhalb von 24 h weniger als 0,1 % betrug. Anschließend wurde die Mantelfläche gesperrt um einen möglichst eindimensionalen Stofftransport zu gewährleisten. Die Prüfkörper wurden so in die jeweilige Prüflösung gestellt, dass sie 5 mm tief eintauchten (Bild 4). Beaufschlagt wurde die mit dem Besenstrich versehene Seite, die im Vier-Punkt-Biegezugversuch der maximalen Zugbeanspruchung ausgesetzt war.

Bild 4: Versuchsaufbau für die kapillaren Saugversuche

Nach verschiedenen Zeiten wurden die Prüfkörper aus der Lagerung entnommen, um die Feuchteaufnahme zu bestimmen. Dies wurde einerseits mittels Gravimetrie durchgeführt, woraus sich ein integraler Wert über das gesamte Prüfkörpervolumen ergab. Andererseits wurde das Feuchteprofil in den ersten 8 cm von der beaufschlagten Seite mit Hilfe der Time-Domain-Reflectometry (TDR) gemessen. Bei diesem Verfahren wird die Permittivität mit Hilfe eines elektromagnetischen Pulses bestimmt, der das zu messende Medium durchläuft. Da die Permittivität in hohem Maße vom Wassergehalt abhängig ist, können aus ihr Informationen zum Feuchtegehalt gewonnen werden. Detailliertere Informationen zu dem Messverfahren können (Sobczuk & Plagge, 2007) entnommen werden. Um die Messungen durchführen zu können müssen die Prüfkörper im Vorfeld mit Bohrlochpaaren versehen werden um die Messsonden einführen zu können (siehe Bild 5).

Bild 5: Verteilung der Bohrlochpaare für die TDR-Messungen (links) und halb eingeführte TDR-Sonde (rechts)

Im Anschluss an die kapillaren Saugversuche wurden die Natrium- und Chloridprofile der mit NaCl-Lösung beaufschlagten Probekörper qualitativ mittels Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy (LIBS) bestimmt. Hierfür mussten die Prüfkörper trocken zersägt werden, um eine innere vertikale Messfläche zu erhalten (vgl. Bild 6). Bei der LIBS-Messung wird ein gepulster Laserstrahl auf die Oberfläche fokussiert. Die hohe Energie des Lasers führt zu einer Atomarisierung bzw. Ionisierung eines kleinen Prüfkörpervolumens an der Oberfläche, wodurch ein Plasma entsteht. Beim Abkühlen des Plasmas kehren die angeregten Ionen in ihren Ausgangszustand zurück, wobei eine elementspezifische Strahlung emittiert wird. Die spektroskopische Analyse der Strahlung ermöglicht die Identifizierung der im verdampften Volumen enthaltenen Elemente. Detailliertere Informationen zum Messprinzip sind in (Molkenthin, 2009) zu finden.

Bild 6: Schematische Darstellung der mit LIBS gemessenen Oberfläche (links) und Anregung der Oberfläche mit dem Laserpuls (rechts)

2.4 Alkalieintrag in Folge Verkehr in vorgeschädigtes Betongefüge

Der Alkalieintrag in Betonfahrbahndecken findet in situ nicht nur durch das kapillare Saugen statt, sondern wird deutlich durch den überrollenden Verkehr (überrollende Reifen) verstärkt. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde an der RUB ein entsprechender Mehrfachprüfstand entwickelt. In diesem Prüfstand sind insgesamt sechs großformatige Probekörper kreisförmig angeordnet (Bild 7). Diese werden durchgängig von sechs Reifen überrollt, was trotz einer hohen Anzahl an Überrollungen (bis zu 2 Millionen) einen effizienten Prüfablauf gewährleistet.

Bild 7: Versuchsstand zum Überrollen von sechs großformatigen Betonbalken bei gleichzeitig aufstehender NaCl-Prüflösung

Die Oberfläche der Balken war zuvor der Biegezugbeanspruchung im Vierpunkt-Biegezugversuch ausgesetzt. Während die Balken überrollt werden, befindet sich eine NaCl-Lösung (5 %-NaCl) auf deren Oberfläche. Die Reifen sind jeweils mit einer Auflast von bis zu einer Tonne ausgestattet, um die tatsächliche Radlast auf eine Betonfahrbahndecke abzubilden. Da die Prüflösung im Bereich der Reifenspur eingewalkt wird, sind die angrenzenden Bereiche lediglich durch eine Wasseraufnahme durch kapillares Saugen beansprucht. Dies ermöglicht eine vergleichende Bewertung der beiden Eindringmethoden.

Nach dem Überrollen wurden kleinformatige Probekörper (20 x 20 x 10 cm³) aus den verschiedenen Bereichen des Balkens herausgesägt (Bild 8). Hierdurch konnte weitergehend zwischen dem Randbereich des Balkens, welcher zuvor keiner Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt war (ungeschädigte Referenz), und dem mittleren Bereich des Balkens, welcher maximal zugbeansprucht war, unterschieden werden. Die herausgesägten Proben wurden dann in ihrer Längsachse gespalten. Anschließend wurden auf die frischen Bruchflächen sowohl Silbernitrat als auch Kaliumdichromat aufgesprüht. Dies führt zu einem Farbumschlag, welcher die Eindringtiefe der Chloridionen in den Beton visualisiert. Die Chlorideindringtiefe wurde dann an der Querschnittsfläche gemessen.

Bild 8: Probeentnahmeschema der verschiedenen Bereiche nach dem Überrollen

2.5 Einfluss der Vorschädigung auf eine AKR in der Klimawechsellagerung

Um den Einfluss der zyklischen Vorschädigung von Betonfahrbahndecken auf eine AKR erfassen zu können, wurden sechs kleinformatige prismatische Probekörper aus dem geschädigten und ungeschädigten Bereich der Großbalken entnommen. Alle geschädigten Proben entstammten der maximal zugbeanspruchten, besenstrichtexturierten Seite des Balkens zwischen den Auflagerpunkten. Die ungeschädigten Proben wurden zur besseren Vergleichbarkeit ebenfalls aus der Oberfläche mit Besenstrichtextur entnommen. Die Proben wurden anschließend präpariert und vorgelagert bevor sie zwölf Zyklen der Klimawechsellagerung ausgesetzt wurden. Jeder Zyklus besteht aus drei Phasen: vier Tage Trocknung, vierzehn Tage Nebellagerung und drei Tage Frost-Tau-Beanspruchung (Bild 9). Nach jeder Trocknungsphase wird eine Natrium-Chlorid Lösung (3,6 M.-%) auf drei Probekörper einer Serie aufgebracht, während die anderen drei Probekörper mit demineralisiertem Wasser beaufschlagt werden. Die Längsdehnung der Probekörper wurde nach jeder Frost-Tau-Phase ermittelt und dient als Schadensindikator. Überschreitet die Dehnung einen Grenzwert von 0,5 mm/m bzw. 0,4 mm/m (NaCl- bzw. Wasserbeaufschlagung) nach 12 Zyklen, ist das AKR Schadenspotenzial als hoch zu werten. Eine detaillierte Beschreibung der Prüfmethode kann (Stark & Seyfarth, 2008) entnommen werden.

Bild 9: Schematische Darstellung der hygrothermischen Beanspruchung während eines Zyklus der Klimawechsellagerung

3 Versuchsergebnisse

3.1 Betondegradation

Das Bild 10 zeigt die Entwicklung des relativen dynamischen E-Moduls in Abhängigkeit der Oberspannung und der Lastzyklenzahl. Es sind nur ausgewählte Proben dargestellt. Wie erwartet nimmt der E-Modul mit steigendem Spannungsverhältnis und höherer Lastzyklenzahl stärker ab. Nach 5 Millionen Lastzyklen betrug der relative dynamische E-Modul noch ca. 93 % bei einem Spannungsverhältnis von σo/fct,fl = 0,35 und etwa 90 % bei σo/fct,fl = 0,50. Bei einem Spannungsverhältnis von σo/fct,fl = 0,60 nahm der E-Modul bereits nach 1 Million Lastzyklen auf ca. 80 % ab.

Bild 10: Abnahme des rel. dyn. E-Moduls an Balken nach 5 Millionen Lastzyklen für verschiedene Spannungsverhältnisse

Weiterhin ist zu erkennen, dass der wesentliche Anteil der Degradation innerhalb der ersten Lastzyklen gemessen wurde. Es ist offensichtlich, dass die Bildung von Mikrorissen innerhalb der ersten Lastzyklen am deutlichsten ausgeprägt ist im Vergleich zum weiteren Prüfverlauf.

Das Bild 11 stellt den relativen dynamischen E-Modul über die gesamte Länge des Balkens dar. Es ist zu erkennen, dass der Abfall des relativen dynamischen E-Moduls, korrespondierend zum Spannungsverlauf im Vierpunkt-Biegezugversuch, in den Bereichen der Lasteinleitung (zwischen 40 cm und 120 cm vom Auflager entfernt) größer ist als in den Bereichen nahe dem Auflager (Messpunkte 27,5 cm und 132,5 cm). Daher ist es möglich, auch innerhalb eines Großbalkens unterschiedliche Spannungsniveaus abzubilden.

Bild 11: Abnahme des rel. dyn. E-Moduls über die Länge des Balkens bei einem Spannungsverhältnis von σo/fct,fl = 0,60

Nachfolgend werden die Ergebnisse des Schadensmonitorings an der BAM am Beispiel eines ausgewählten Probekörpers dargestellt (rel. Edyn = 89,9 % nach 5 Mio. Lastwechseln). Der Trend, dass die hauptsächliche Degradation während der ersten Lastwechsel stattfindet wird durch die Dehnungsmessungen, aber vor allem auch durch die Messung der Schallemissionsaktivität bestätigt. Die Schallemissionsergebnisse (Bild 12, rechts) zeigen, dass die Schallemissionsaktivität und mit ihr die Bildung von Mikrorissen zu Beginn des Versuches hoch ist, jedoch sehr schnell abfällt. Im weiteren Verlauf des Versuches werden nur noch wenige Hits registriert im Vergleich zur Anfangsperiode. Im Bild 12 auf der linken Seite sind die Stauchungen an der Balkenunterseite dargestellt. Auch hier ist zu erkennen, dass die stärkste Stauchung zu Beginn des Versuches stattfindet und im weiteren Verlauf nahezu linear zunimmt.

Bild 12: Stauchungen an der Unterseite des Balkens (links) und Schallemissionsaktivität (rechts) in Abhängigkeit der Lastwechselanzahl (Probe rel. Edyn = 89,9 %, σo/fct,fl = 0,5)

3.2 Einfluss der Betondegradation auf den Stofftransport

Nachfolgend werden die an der BAM gewonnenen Ergebnisse zum Einfluss der Betondegradation auf den Stofftransport im Rahmen der kapillaren Saugversuche dargestellt. Die Ergebnisse stammen jeweils aus einer 4-fach-Bestimmung. Die Ergebnisse der Gravimetrie zeigen bereits, dass die vorgeschädigten Probekörper eine leicht erhöhte Prüflösungsaufnahme haben (vgl. Bild 13). Dies gilt sowohl für die Beaufschlagung mit deionisiertem Wasser, als auch für die Beaufschlagung mit NaCl-Lösung. Des Weiteren zeigt sich, dass die Differenz zwischen geschädigten- und Referenzproben bei der Beaufschlagung mit NaCl-Lösung etwas geringer ausfällt.

Bild 13: Ergebnisse der Gravimetrie während der kapillaren Saugversuche

Zudem kann festgestellt werden, dass generell weniger NaCl-Lösung als Wasser von den Proben aufgenommen wird. Dies ist vermutlich unter anderem auf die höhere Viskosität der NaCl-Lösung zurück zu führen. Nach (Lunk, 1998) kann die Aufnahme von Wasser in poröse Baumaterialien nach Gleichung 1 beschrieben werden. Nach (Rucker-Gramm, 2008) nimmt die Oberflächenspannung zwar mit einer höheren NaCl-Konzentration zu, die Viskosität steigt jedoch überproportional mit höherer Konzentration an. Hieraus kann geschlussfolgert werden, dass die Eindringtiefe und damit auch die aufgenommene Menge bei der Beaufschlagung mit NaCl-Lösung geringer ist.

Gleichung (1) siehe PDF

Das Bild 14 zeigt die Ergebnisse der TDR-Messungen während der kapillaren Saugversuche. Dargestellt ist die Messtiefe über der Feuchtezunahme nach verschiedenen Zeiten. Die Feuchteaufnahme ist in diesem Zusammenhang die Differenz zwischen der Messung zum jeweiligen Zeitpunkt und der Messung vor der Beaufschlagung mit Prüflösung. Nach 3 Stunden Beaufschlagung ist der Unterschied zwischen geschädigten und ungeschädigten Probekörpern noch kaum zu erkennen, wobei der Unterschied nach 24 Stunden schon deutlicher ausfällt. Des Weiteren scheint die Feuchtefront schon tiefer in die vorgeschädigten Probekörper eingedrungen zu sein. Dies gilt sowohl für die Beaufschlagung mit Wasser, als auch mit NaCl-Lösung. Nach einer Woche (168 h), scheinen die ersten 3 cm gesättigt zu sein, dennoch steigt der Feuchtegehalt in tieferen Bereichen noch weiter an.

Bild 14: Ergebnisse der TDR-Messungen während der kapillaren Saugversuche

Generell sind die Ergebnisse der mit Wasser und NaCl-Lösung beaufschlagten Prüfkörper sehr ähnlich. Dennoch ist auch hier der Trend zu erkennen, dass die Beaufschlagung mit NaCl-Lösung zu etwas geringeren Feuchteaufnahmen führt.

Das Bild 15 zeigt die LIBS-Ergebnisse der mit NaCl-Lösung beaufschlagten Probekörper. Zusätzliche zu den beaufschlagten Proben wurden auch Referenzproben gemessen, die nicht mir Prüflösung beaufschlagt wurden, um einen Basiswert des Natrium- und Chloridgehaltes zu erhalten. Um Randeffekte auszuschließen, wurden diese Proben erst ab einer Tiefe von 25 mm gemessen. Es ist zu erkennen, dass die vorgeschädigten Probekörper einen sehr leicht erhöhten Gehalt an Natrium und Chlorid bis zu einer Tiefe von ca. 30 bis 40 mm aufweisen. Zudem zeigt sich, dass die Eindringtiefe der Ionen weit hinter der Eindringtiefe des Wassers zurückbleibt (vgl. Bilder 14 und 15). Dieser Prozess wird als Chromatographie-Effekt bezeichnet und wird auf die teilweise stattfindende chemische und physikalische Bindung der Ionen an die innere Oberfläche des hydratisierten Zementes zurückgeführt (Rucker-Gramm, 2008).

Bild 15: Ergebnisse der LIBS-Messungen nach den kapillaren Saugversuchen

3.3 Einfluss von Verkehrsbeanspruchung auf den Alkalitransport

Das Bild 16 zeigt die Chlorideindringfront der 5 %-igen Natriumchloridlösung von Proben aus verschiedenen Bereichen eines großformatigen Probekörpers. Der großformatige Balken wurde 500.000 mal überrollt und zuvor mit 1 Million Lastzyklen im Ermüdungsversuch belastet. Der relative dynamische E-Modul des Balkens betrug noch ca. 80,2 %. Es kann festgestellt werden, dass die Chloride sowohl mit zunehmender Schädigung als auch mit zunehmender Überrollungsanzahl tiefer in den Beton eindringen. Die tiefste Chloridpenetration wurde in dem Bereich der maximalen Schädigung (rel. Edyn = 80,2 %) innerhalb der Reifenspur festgestellt.

Die durchschnittliche Eindringtiefe lag hier bei ca. 33,7 mm. Im angrenzenden Bereich mit identischer Schädigung aber ohne Einwirken des Reifens fand das Eindringen nur durch kapillares Saugen statt. Hier betrug die mittlere Eindringtiefe ca. 26,7 mm. Die geringste Chlorideindringtiefe wurde im ungeschädigten Bereich neben der Reifenspur gemessen. Sie betrug im Mittel 20,8 mm.

Bild 16: Chlorideindringtiefe über den Querschnitt mit (rechts) und ohne (links) 500.000 Überrollungen

3.4 Einfluss der Betondegradation auf eine AKR

Das Bild 17 stellt die Ergebnisse der Dehnungsmessungen an kleinformatigen Proben mit und ohne Vorschädigung während der Klimawechsellagerung dar. Die vorgeschädigten Proben zeigen unabhängig von der verwendeten Prüflösung erhöhte Dehnungen. Da es sich bei der verwendeten Gesteinskörnung um eine slow/late-Gesteinskörnung handelt, stammen die Unterschiede der Dehnungen nach 21 Tagen lediglich aus den hygrischen Dehnungen sowie Dehnungen aus der Frost-Tau-Beanspruchung. Zwischen 21 und 126 Tagen der Klimawechsellagerung zeigen die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Proben, unabhängig der Schädigung, in etwa dieselbe Dehnungszunahme. Dies lässt schlussfolgern, dass die AKR-Dehnungen sich für beide Fälle gleich entwickeln. Nach 126 Tagen Lagerungsdauer verlaufen die Dehnungen von geschädigten und ungeschädigten Proben nicht mehr parallel, die AKR-Dehnungen nehmen in dem geschädigten Beton schneller zu. Dies ist vermutlich darauf zurück zu führen, dass mehr Natriumchlorid in das geschädigte Betongefüge eindringt.

Bild 17: Dehnungen der kleinformatigen Probekörper mit und ohne Vorschädigung während der Klimawechsellagerung

4 Schlussfolgerung

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der zyklischen mechanischen Belastung des Betons (mikrostrukturelle Degradation) auf das Eindringverhalten von Flüssigkeiten in den Beton und dadurch auch das Potential einer intensivierten AKR-bedingten Schädigung.

Die Abhängigkeit der Degradation von der Anzahl der Lastzyklen und besonders auch von dem Verhältnis der maximalen aufgebrachten Oberspannung zur Biegezugfestigkeit des Betons wird durch die begleitenden zerstörungsfreien Prüfmethoden deutlich.

Des Weiteren konnte an den zuvor geschädigten Proben eine gesteigerte Wasseraufnahme, sowie Aufnahme von Natriumchloridlösung festgestellt werden.

Weiterhin konnte der Einfluss der überrollenden Reifen auf der Betonfahrbahndecke auf die Eindringtiefe von Flüssigkeiten aufgezeigt werden.

Außerdem wird das AKR-Potenzial in entsprechend provozierender Umgebung durch die induzierte Schädigung und die gesteigerte Eindringtiefe von Flüssigkeiten erhöht.

5 Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung dieses Forschungsprojekts. Zudem möchten die Autoren sich für die erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Statik und Dynamik der Ruhr-Universität Bochum, den Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar sowie dem Institut für Massivbau und Baustofftechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) danken. Seit der Gründung der Forschergruppe im Jahr 2012 sind auf Grundlage dieses Projektes herausragende Ergebnisse auf dem Feld der AKR entstanden.

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