Verstärkt auftretende Schäden in Betonfahrbahndecken des Bundesfernstraßennetzes, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden, haben zu einer massiven Verschärfung der Prüfvorschriften zur Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen geführt. Die damit verbundene Einschränkung potenziell für den Straßenbau einsetzbarer Gesteinskörnungen ruft eine verstärkte Ressourcenknappheit und ein erhöhtes Transport- und damit einhergehendes Kostenaufkommen hervor. Vor diesem Hintergrund wird nach neuartigen AKR-Vermeidungsstrategien gesucht, die auch eine Verwendung grenzwertig alkaliempfindlich eingestufter Gesteinskörnungen erlaubt. Einen möglichen Lösungsansatz stellt in diesem Kontext die Innenhydrophobierung des Fahrbahndeckenbetons dar. Es soll so durch die Behinderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in den Beton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert werden. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innen-hydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken wird zurzeit im Auftrage der BASt an der BAM ein Forschungsvorhaben bearbeitet. Im Rahmen dieses Beitrags werden erste ausgewählte Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens vorgestellt. So wird exemplarisch an einem Oberbeton (0/8) mit einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung der Einfluss eines Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften ganzheitlich aufgezeigt und bewertet. Bei Letzteren stehen zunächst die mechanischen und hygrischen Parameter sowie der Frost-Tausalzwiderstand im Vordergrund. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Innenhydrophobierung auf die schädigende AKR mittels verschiedenartiger AKR-Performanceprüfungen beleuchtet.

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

 1 Problem- und Zielstellung

In den letzten Jahren traten an den vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken des Bundesautobahnnetzes (BAB-Netz) vermehrt Schäden auf, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. So wurden im Rahmen einer bundesweiten Analyse des BAB-Netzes durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) festgestellt, dass im Jahr 2012 ca. 1500 km Richtungsfahrbahn unter AKR-Verdacht standen (Weise; Kind et al., 2018). Für den Ablauf einer schädigenden AKR müssen gleichzeitig eine alkaliempfindliche Gesteinskörnung, ein stark ausgeprägtes alkalisches Milieu und Wasser in der Betonfahrbahndecke vorhanden sein. Vor diesem Hintergrund setzen bisherige AKR-Vermeidungsstrategien bei der Begrenzung des Na2O-Äquivalentes des Zementes (TL Beton-StB 2007) und dem sicheren Ausschluss des Einsatzes alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen beim Neubau und die Erneuerung von Fahrbahndecken aus Beton im BAB-Netz an. Letzteres wird insbesondere durch die verpflichtende Durchführung von Betonversuchen mit Alkalizufuhr realisiert (ARS 04/2013). Dies wiederum führte zu einer signifikanten Einschränkung der im Betonstraßenbau einsetzbaren Gesteinskörnungen. Mit der Innenhydrophobierung, das heißt mit der Zugabe des Hydrophobierungsmittels in den Frischbeton während des Mischprozesses, wird nun das Ziel verfolgt, grenzwertige alkaliempfindliche Gesteinskörnungen für die Verwendung in Betonfahrbahndecken nutzbar zu machen. Der Wirkmechanismus beruht dabei auf der signifikanten Verminderung des Feuchte- und Tausalzeintrags in die Betonfahrbahndecke. Vor diesem Hintergrund verfolgt das an der BAM im Auftrage der BASt bearbeitete Forschungsvorhaben das Ziel, die Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken zu bewerten. Ausgehend vom Stand der Technik gewähren die nachfolgenden Ausführungen einen Einblick in das Forschungsvorhaben.

2 Stand der Technik

Im Kontext der AKR wurden bisher national und international vor allem die Hydrophobierungsmittel auf die Oberfläche von Betonfahrbahndecken aufgetragen. Grundhaft wurde auf nationaler Ebene die Applikation der Oberflächenhydrophobierung auf Betonfahrbahndecken und deren Einfluss auf die schädigende AKR im Rahmen eines BASt-Forschungsvorhabens untersucht (Weise; Schrang, 2016). Dabei wurde aufgezeigt, dass bisher primär Silane zur Oberflächenhydrophobierung von Betonen mit erhöhtem AKR-Schädigungspotenzial im Betonstraßenbau mit unterschiedlichem Erfolg Anwendung finden. National beschränken sich die Erfahrungen auf den praktischen Einsatz des auf dem Wirkstoff iso-Octyltriethoxysilan basierenden Produktes WA65 auf wenige in der Regel mit der AKR-Schadenskategorie I (SK I) vorgeschädigte BAB-Abschnitte. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde im Labor zusätzlich die Eignung der gleichfalls auf dem Wirkstoff iso-Octyltriethoxysilan basierenden Produkts LM7 als Emulsion und GEL30 als Acrylatgel grundhaft analysiert. Ihr Verhalten im neu entwickelten Applikationstest war beim Bestandsbeton deutlich schlechter als beim Laborbeton. Hier erwiesen sich WA65 und LM7 als gleichwertig brauchbar, während die geprüfte Modifikation des GEL30 aufgrund seiner geringen Eindringtiefe abzulehnen ist. Im zyklischen Schwingversuch mit großformatigen Balken mit aufstehender Prüflösung wurde der Nachweis der Dauerhaftigkeit der hydrophobierten Betonrandzone erbracht. Zusätzlich wurde mittels Klimawechsellagerung mit Beaufschlagung mit NaCl-Lösung der Nachweis erbracht, dass durch die Applikation von WA65 bzw. LM7 auf den Bestands- und Laborbeton der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert wird. Auch in der Praxis hat sich gezeigt, dass durch die Applikation des Produktes WA65 auf AKR-vorgeschädigte BAB-Abschnitte (SK I) die Nutzungsdauer der Betonfahrbahndecke um ca. 6 Jahre erhöht wird. Als nachteilig erwies sich bei der Oberflächenhydrophobierung jedoch, dass es vor allem bei den Querscheinfugen zu Hinterläufigkeiten der hydrophobierten Betonrandzone kommen kann. Diese wiederum hat eine Beschleunigung des AKR-Schädigungsprozesses zur Folge. Durch die Innenhydrophobierung, auch als Massenhydrophobierung bezeichnet, soll dies ausgeschlossen werden.

Im Gegensatz zur Oberflächenhydrophobierung findet die Innenhydrophobierung trotz erster Ansätze von (Schäffel, 2017) bisher im Betonstraßenbau keinen Einsatz. Vielmehr ist sie nur auf spezielle Anwendungen im Massivbau beschränkt. Auch in diesem Kontext wurden bisher vergleichsweise wenig Ergebnisse über die Eigenschaften und Wirksamkeit hinsichtlich des Schutzes von integral hydrophobiertem Beton in aggressiver Umgebung publiziert.

Als innenhydrophobierende Zusatzmittel werden häufig siliziumorganische Verbindungen verwendet. Sie können als Flüssigkeit (Wirkstoff in Flüssigkeit emulgiert) oder Pulver (Wirkstoff auf Trägersubstanz aufgebracht) dem Frischbeton im Mischprozess zugeführt werden. Exemplarisch ist der mehrstufige Reaktionsmechanismus silanbasierter Hydrophobierungsmittel in zementgebundenen mineralischen Baustoffen im Bild 1 schematisch dargestellt. So wird in einer ersten Stufe die Alkoxy-Gruppen des Alkyltrialkoxysilans durch eine basenkatalysierte Hydrolysereaktion unter Bildung des reaktiven Zwischenprodukts Trisilanol abgespalten. In der zweiten Stufe entstehen durch die Kondensationsreaktion des Trisilanols Polysiloxanolmolekülen, die letztlich an den Silanol-Gruppen des CSH-Gels gebunden werden. Während der Polysiloxan-Teil des Moleküls für die Anbindung an die Kapillarporenwände zuständig ist, ragt der Alkylalkoxy-Rest (R) in den Kapillarporenraum und erhöht die Oberflächenspannung zwischen Porenlösung und Zementsteinoberfläche. Dadurch erhöht sich der Kontaktwinkel auf über 90°. Die daraus resultierenden hydrophoben Oberflächen des Kapillarporenraums reduzieren den kapillaren Transport von Porenlösung und externer Feuchtigkeit sowie den darin gelösten Ionen in den Beton (de Vries; Polder, 1997; Tian; Wang et al., 2019).

Bild 1: Reaktionsschema silanbasierter Hydrophobierungsmittel in mineralischen Baustoffen in Anlehnung an (Gerdes; Oehmichen et al., 2005) und (Oehmichen, 2008)

Da die Dauerhaftigkeit des Betons maßgeblich vom Eindringen der Feuchtigkeit und betonschädigender Stoffe abhängig ist, sollten hydrophobierte Betone einen verbesserten Widerstand gegen betonschädigende Prozesse wie Frost-Tausalzangriff, AKR und sekundäre Ettringitbildung aufweisen. Allerdings zeigen Untersuchungen von (Ma; Wittmann et al., 2016), dass bei Frost-Tausalzwechsel-Beanspruchung durch die Innenhydrophierung des Betons das Frostsaugen nicht signifikant vermindert wird. Weiterhin wird ausgeführt, dass sich durch die Innenhydrophobierung der Frost-Tausalzwiderstand und die Druckfestigkeit signifikant verschlechtert.

Die Ursache für die Verringerung des Frost-Tausalzwiderstandes beim Einsatz einer Innenhydrophobierung ist bisher nicht hinreichend erforscht. Ein erster Erklärungsansatz beruht auf den mit der FT-IR-Spektroskopie ermittelten Anreicherung der Siloxanverbindungen in der Randzone des innenhydrophobierten Betonprüfkörpers. Ursächlich hierfür ist vermutlich der Transport des auf den Alkylalkoxysilanverbindungen basierenden Wirkstoffs während des Trocknungsprozesses in die Betonrandzone, wo dieser schließlich erst an das CSH-Gel chemisch gebunden wird. Dadurch wird, ähnlich wie bei der Oberflächenhydrophobierung, nur eine wasserabweisende Schicht in der Betonrandzone ausgebildet (Wittmann; Xian et al., 2008; Zhang; Wittmann et al., 2009). Diese Migration und die Ausbildung einer stärker hydrophobierenden Schicht wird für den Wirkstoff iso-Octyltriethoxysilan postuliert (Wittmann; Xian et al., 2008) und hängt stark von der Reaktivität des Wirkstoffs und den Lagerungsbedingungen ab (Gerdes; Oehmichen et al., 2005). Es wird nun für den Fall einer verstärkten Abwitterung der Betonoberfläche bei Frost-Tausalzwechsel-Beanspruchung vermutet, dass die hydrophobierte Randzone verloren geht und es so zu einer verstärkten Feuchtigkeitsaufnahme und Chloridpenetration kommt (Ma; Wittmann et al., 2016).

Der Einfluss der Innenhydrophobierung auf den mechanischen Widerstand wird je nach Betonentwurf in einzelnen Veröffentlichungen unterschiedlich bewertet. Eine Verringerung der Druckfestigkeit wurde jedoch in allen Fällen dokumentiert (Spaeth; Delplancke-Ogletree et al., 2008; Zhu; Kou et al., 2013; Milenkovic; Staquet et al., 2014; Ma; Wittmann et al., 2016; Tian; Wang et al., 2019). Ursächlich hierfür ist vermutlich, die Beeinflussung des Hydratationsprozesses durch das Hydrophobierungsmittel (Milenkovic; Staquet et al., 2014). So kommt es bei der Verwendung eines silanbasierten Hydrophobierungsmittels zu einer Verringerung des Hydratationswärmefluss und zur Ausbildung größerer Ca(OH)2-Kristalle, während der Gesamtvolumenanteil von Ca(OH)2-Kristallen kleiner und der Anteil an unhydratisierten C3S-Phasen größer ist. Dies sind Indizien für eine unterdrückte Bildung von CSH-Phasen und den daraus resultierenden geringeren Hydratationsgrad sowie eine geringere Gefügedichte.

Ein anwendungsbezogener Forschungsansatz für den Betonstraßenbau, der ganzheitlich die mechanischen Eigenschaften, den Frost-Tausalzwiderstand und die AKR-Performance innenhydrophobierter Betone betrachtet, ist bisher nicht vorhanden.

3 Prüfprogramm und Beschreibung ausgewählter Prüfverfahren

3.1 Prüfprogramm

Im Rahmen des BASt-Forschungsvorhabens gelangte für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken das im Bild 2 schematisch dargestellte Prüfprogramm zum Einsatz.

Bild 2: Prüfprogramm im BASt-Forschungsvorhaben für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung zur Vermeidung einer schädigenden AKR in Betonfahrbahndecken

In diesem Beitrag werden exemplarisch ausgewählte Ergebnisse zur Eignung des Innenhydrophobierungsmittels DM1 für die Waschbetonrezeptur nach dem ARS 04/2013 vorgestellt. Die Auswahl der Betonrezeptur erfolgte vor dem Hintergrund, dass diese aufgrund ihres höheren Zementgehalts und der größeren spezifischen Oberfläche der Gesteinskörnung, bedingt durch das kleinere Größtkorn, gegenüber der Rezeptur des Oberbetons (>8)/Unterbeton das höhere AKR-Schädigungspotenzial besitzt.

3.2 Kurzbeschreibung verwendeter AKR-Betonversuche

Die Basis für die hier verwendeten AKR-Betonversuche bildet das ARS 04/2013. So sieht dieses zur Vermeidung von AKR-Schäden im Rahmen des Neubaus und der Erneuerung von Fahrbahndecken aus Beton für Bundesfernstraßen der Belastungsklassen Bk100 bis Bk8 gemäß RStO 12 (Feuchtigkeitsklasse WS) zwingend die Durchführung eines Betonversuchs mit externer Alkalizufuhr vor. Dabei kann wahlweise der 60 °C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr oder die Klimawechsellagerung Anwendung finden.

3.2.1 60 °C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr

Eine detaillierte Beschreibung dieses AKR-Betonversuchs ist den TP B-StB Teil 1.1.09 zu entnehmen. So werden beim 60 °C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr sechs definiert vorkonditionierte Prüfkörper nach der Nullmessung zehn Wechsellagerungszyklen unterzogen (Bild 3). Jeder Zyklus besteht dabei aus einer fünftägigen Trocknungsphase bei einer Temperatur von (60 ± 2) °C, einer zweitägigen Eintauchphase in die Prüflösung (je drei Prüfkörper in 10 %ige und 3 %ige NaCl-Lösung) bei einer Temperatur von (20 ± 2) °C, einer sechstägigen Lagerung bei einer Temperatur von (60 ± 2) °C über Wasser (relativer Luftfeuchte mindestens 98 % sowie einer eintägigen Abkühlphase auf eine Temperatur von (20 ± 2) °C (Bild 3). Danach werden die Prüfkörper für maximal zwei Minuten aus den verschlossenen Edelstahlbehältern zur Ermittlung ihrer Länge und Masse entnommen. Dies hat zur Folge, dass die gegenüber der Referenzmessung ermittelte Längenänderung auch die hygrisch bedingte Dehnung erfasst. Angemerkt sei, dass durch die intermittierende Abkühlung und Erwärmung sowie Befeuchtung und Trocknung der Prüfkörper thermisch und hygrisch bedingte Zwangsspannungen entstehen, die eine erhöhte Längenänderung zur Folge haben. Der Dehnungsgrenzwert nach 10 Wechsellagerungszyklen beträgt bei der Verwendung einer 10 %igen NaCl-Lösung 0,5 mm/m und bei einer 3 %igen NaCl-Lösung 0,3 mm/m.

Bild 3: Lagerungsregime in einem Wechselzyklus im 60 °C Betonversuch mit externer Alkalizufuhr

3.2.2 Klimawechsellagerung (KWL)

Auch dieser AKR-Betonversuch ist bereits in den TP B-StB, Teil 1.1.10 detailliert beschrieben. Bei der Klimawechsellagerung durchlaufen sechs Prüfkörper 12 KWL-Zyklen. Jeder KWL-Zyklus besteht dabei aus einer ca. 4-tägigen Trocknungsphase, einer 14-tägigen Nebelphase und einer 3-tägigen Frost-Tauwechselphase (Bild 4).

Die Trocknungsphase wird mit einer Temperaturschockbeanspruchung eingeleitet. Nach der Trocknungsphase bei 60 °C und der sich anschließenden Abkühlung auf 20 °C werden jeweils drei Prüfkörper einer Prüfserie vergleichend mit entmineralisiertem Wasser bzw. einer 3,6 %igen NaCl-Lösung beaufschlagt, die während der Nebel- und der Frost-Tauwechselphase auf dem Prüfkörper verbleibt. Nach Beendigung der Frost-Tauwechselphase wird die Prüflösung auf den Prüfkörpern entfernt und anschließend deren Masse- und Längenänderung bestimmt. Die Bezugswerte für die Bewertung der Veränderung dieser Messgrößen werden im ersten Zyklus nach der Trocknungsphase bestimmt. Zu Beginn der Trocknungsphase wird die zuvor entfernte Prüflösung wieder aufgebracht. Nach der Trocknungsphase werden die Prüfkörper mit neuen Prüflösungen beaufschlagt.

Bild 4: Prüfprozedere bei der KWL

Als Beurteilungskriterium für das AKR-Schädigungspotenzial nach Beendigung der KWL dient auch hier die Dehnung. Der Grenzwert für Laborbetone beträgt hierbei in Abhängigkeit von der Art der Beaufschlagung 0,4 mm/m (Wasser) und 0,5 mm/m (NaCl-Lösung). Zusätzlich wird der Dehnungsanstieg zwischen dem 6. und 8. KWL-Zyklus zur Bewertung herangezogen.

4 Betonausgangsstoffe, Betonrezepturen und Mischregime

Die Rezeptur für den in diesem Beitrag exemplarisch diskutierten Oberbeton (0/8) (Waschbeton) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1 wurde auf der Basis des (ARS 04/2013) entworfen. Dieses sieht die Verwendung des WS-Prüfzementes CEM I 42,5 N vor. Im hier vorliegenden Fall gelangte die Zementcharge 02/2015 mit einem Na2O-Äquivalent von 0,73 M.-%, einer spezifischen Oberfläche nach Blaine von 3360 cm²/g und einer Dichte von 3,16 g/cm³ zum Einsatz. Als Gesteinskörnung wurde in der Fraktion 0/2 mm der gleichfalls vorgegebene WS-Prüfsand mit einem Volumenanteil von 30 Vol.-% verwendet. Für den noch verbleibenden Volumenanteil der Gesteinskörnung 2/8 mm von 70 % gelangte ein alkaliempfindlicher Grauwackesplitt in zwei Fraktionen zum Einsatz. Die Wahl dieser Gesteinskörnung erfolgte vor dem Hintergrund, dass die Wirksamkeit des Hydrophobierungsmittels auf den AKR-Schädigungsprozess besser herausgearbeitet werden kann. Zur Sicherstellung der Anforderungen an den Luftporengehalt im Frischbeton von 5,5 – 6,5 Vol.-% wurde ein Luftporenbildner auf Wurzelharzbasis eingesetzt. Angemerkt sei in diesem Zusammenhang, dass aufgrund des Antagonismus zwischen dem Hydrophobierungsmittel DM1 und dem Luftporenbildner beim hydrophobierten Beton die Zugabemenge des Luftporenbildners signifikant erhöht werden musste. Die genauen Betonrezepturen für den Oberbeton (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1 sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Zusätzlich ist in der Tabelle 2 das verwendete Mischregime für die Herstellung des hydrophobierten Betons aufgeführt. Da es sich bei dem Hydrophobierungsmittel DM1 um eine pulverförmige Substanz handelt, wird dieses vorab mit dem WS-Prüfzement gemischt. Ansonsten unterscheiden sich die Mischregime bei der Betonage der Oberbetone (0/8) mit und ohne dem Hydrophobierungsmittel DM1 nicht.

Tabelle 1: Betonrezepturen für den Oberbeton (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1

Tabelle 2: Mischregime für den Oberbeton (0/8) mit dem Hydrophobierungsmittel DM1

5 Ergebnisse und Diskussion

5.1 Frischbetonparameter

Einen vergleichenden Überblick über die beim Oberbeton (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel ermittelten Frischbetonparameter gibt die Tabelle 3. Es ist ersichtlich, dass durch die signifikant erhöhte Zugabemenge des Luftporenbildners auch im hydrophobierten Beton der normativ geforderte Luftporengehalt eingestellt werden kann.

Tabelle 3: Frischbetonparameter für den Oberbeton (0/8) ohne und mit DM1

5.2 Ausgewählte Festbetonparameter

Einen vergleichenden Überblick über die mechanischen und hygrischen Festbetonparameter für den Oberbeton (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1 gibt die Tabelle 4. Es ist erkennbar, dass alle mechanischen Festbetonparameter durch die Verwendung des Hydrophobierungsmittels DM1 eine Verringerung erfahren. Dabei werden die normativ geforderten Grenzwerte zum Teil erheblich unterschritten. Allerdings sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass dies zum Teil auch der vorgegebenen pessimalen Basisrezeptur für den Oberbeton (0/8) im (ARS 04/2013) geschuldet ist. So kann davon ausgegangen werden, dass durch geeignete betontechnologische Maßnahmen dem entgegengewirkt werden kann.

Die vergleichende Betrachtung der hygrischen Parameter des Oberbetons (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1 zeigt, dass sich durch die Hydrophobierung die kapillare Wasseraufnahme drastisch reduziert, die Wassereindringtiefe unter Druck sich jedoch deutlich erhöht. Es stellt sich nun die Frage, welche Auswirkungen die signifikant verminderte kapillare Wasseraufnahme auf den Frost-Tausalzwiderstand des Oberbetons (0/8) hat.

Die Ergebnisse der vergleichend am Oberbeton (0/8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittels DM1 durchgeführten CDF-Prüfung sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt. So gibt das Bild 5 über die zeitliche Entwicklung der Massezunahme während des kapillaren Saugens bei der Vorlagerung und während der Frost-Tausalzwechselbeanspruchung Aufschluss. Dabei zeigt sich, dass im Gegensatz zu den Untersuchungen von (Ma; Wittmann et al., 2016) die Innenhydrophobierung das Frostsaugen signifikant vermindert. Trotzdem erfährt beim hydrophobierten Beton die Abwitterung eine signifikante Zunahme (Bild 6). So erhöht sich diese durch die Verwendung des Hydrophobierungsmittels DM1 bei der CDF-Prüfung nach 28 Frost-Tausalzwechseln von 227 auf 1346 g/m². Trotzdem wird der Grenzwert von 1500 g/m² nicht überschritten. Einen visuellen Eindruck von der der Veränderung der Prüffläche bei der CDF-Prüfung vermitteln die Fotos in der Tabelle 5.

Tabelle 4: Mechanische und hygrische Festbetonparameter für den Oberbeton 0/8

Bild 5: Vergleichende Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Masseänderung der Prüfkörper während des CDF-Tests der Prüfserien mit und ohne dem Hydrophobierungsmittel DM1

Bild 6: Vergleichende Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Abwitterung der Prüfkörper während des CDF-Tests der Prüfserien mit und ohne dem Hydrophobierungsmittel DM1

Tabelle 5: Visuelles Erscheinungsbild der Prüffläche des Oberbetons 0/8 ohne und mit Verwendung von DM1 vor, während und nach der CDF-Prüfung

5.3 AKR-Schädigungspotenzial und Tausalzeintrag

Aufschluss über den Einfluss des Hydrophobierungsmittels DM1 auf den AKR-Schädigungsprozess geben die Bilder 7 und 8. So zeigt das Bild 7, dass die Dehnung der Prüfkörper im 60 °C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr sowohl bei der Beaufschlagung mit einer 3 %igen als auch mit einer 10 %igen NaCl-Lösung durch das Hydrophobierungsmittel DM1 eine drastische Verminderung erfährt. Über 10 Zyklen wurde sogar eine Dehnungsverminderung gegenüber dem Ausgangszustand ermittelt. Dies ist vermutlich auf eine verstärkte Feuchteabgabe während der Trocknungsphase gegenüber einer verminderten kapillaren Wasseraufnahme während der Wiederbefeuchtungsphase zu erklären.

Bild 7: Vergleichende Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Prüfkörperdehnung während des 60 °C Betonversuchs mit externer Alkalizufuhr mit und ohne der Verwendung von DM1

Bild 8: Vergleichende Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Prüfkörperdehnung während der Klimawechsellagerung mit und ohne der Verwendung von DM1 (Das rot hinterlegte Zeitintervall repräsentiert den Zeitraum der Zwischenlagerung der Prüfkörper bei 20 °C und 65 % rel. LF mit aufstehender Prüflösung, abgedeckt mit PE-Folie, infolge eines Ausfalls der Klimakammer.)

Auch bei der Klimawechselbeanspruchung führte der Einsatz des Hydrophobierungsmittels DM1 zu einer signifikanten Verminderung der Dehnungen der Prüfkörper (Bild 8). So liegen diese im Gegensatz zu den Prüfkörpern des Referenzbetons unabhängig von der Art des Prüfmediums nach 12 KWL-Zyklen noch deutlich unter den entsprechenden Grenzwerten. Dies lässt den Schluss zu, dass durch die Zugabe des Hydrophobierungsmittels DM1 der AKR-Schädigungsprozess signifikant vermindert wird.

Aber auch bei den aufbauenden Untersuchungen an den Prüfkörpern nach der Klimawechsellagerung wurden sehr interessante Ergebnisse gewonnen. So zeigte sich bei der großflächigen Analyse der Natriumverteilung im Vertikalschnitt der Prüfkörper mit LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy), dass beim hydrophobierten Beton die einseitige Beaufschlagung der Prüfkörper mit NaCl-Lösung zu einer stärkeren Anreicherung von Natrium in der beaufschlagten Betonrandzone als beim Referenzbeton führt (Bild 9). Die mittlere Eindringtiefe beträgt dabei ca. 30 mm. Der daraus resultierende große Gradient in der Natriumverteilung tritt beim Referenzbeton nicht auf. Vielmehr ist hier ausgehend von der beaufschlagten Prüffläche ein relativ gleichmäßiger Natriumeintrag über die gesamte Prüfkörperhöhe erkennbar. Vor diesem Hintergrund sollen bei weiteren Klimawechsellagerungen hydrophobierter Betone die Dehnungen tiefenaufgelöst ermittelt werden.

Bild 9: Mit LIBS ermittelte Na-Verteilung im Vertikalschnitt der Prüfkörper aus OB (D<8) ohne und mit dem Hydrophobierungsmittel DM1 nach 12 Zyklen Klimawechsellagerung mit Beaufschlagung einer NaCl-Lösung

6 Fazit und Ausblick

Es wurde mittels beider AKR-Betonversuche gezeigt, dass der AKR-Schädigungsprozess bei geeigneter Wirkstoffauswahl durch die Innenhydrophobierung drastisch vermindert werden kann. Dies lässt den Schluss zu, dass diese neue AKR-Vermeidungsstrategie durchaus das Potenzial für die Nutzbarmachung grenzwertiger alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen besitzt. Nachteilig ist jedoch beim Einsatz des Hydrophobierungsmittels, dass dadurch die mechanischen Eigenschaften und der Frost-Tausalzwiderstand des Fahrbahndeckenbetons eine Verschlechterung erfahren. Es gilt nun u. a. mittels weiterer Untersuchungen abzuklären, mit welchen betontechnologischen Maßnahmen diese Nachteile vermindert werden können. Für eine Überführung in die Praxis ist allerdings eine ganzheitliche Optimierung der Baustoffperformance unerlässlich. Diese sollte neben der Performance des Hydrophobierungsmittels, der Auswahl der Zemente und der Gesteinskörnung, die Misch- und Einbautechnologie die mechanische Performance und die AKR-Performance einschließen.

Literaturverzeichnis

Bundesministerium für Verkehr Bau und Stadtentwicklung (04/2013): Allgemeines Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 04/2013: Vermeidung von Schäden an Fahrbahndecken aus Beton in Folge von Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Bonn

de Vries, I.J.; Polder, R.B. (1997): Hydrophobic treatment of concrete. Construction and Building Materials, 11, 4, S. 259-265

Gerdes, A.; Oehmichen, D.; Preindl, B.; Nüesch, R. (2005): Chemical reactivity of silanes in cement-based materials. In: 4th International conference on water repellent of buildings materials Aedifico Publishers, Stockolm (SE), vol., S. 47-58

Ma, Z.; Wittmann, F.H.; Xiao, J.; Zhao, T. (2016): Influence of freeze-thaw cycles on properties of Integral Water Repellent Concrete. Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci Ed, 31, 4, S. 851-856

Milenkovic, N.; Staquet, S.; Lecomte , J.-P. (2014); Non-ionic silane emulsion as integral water repellent–impact on cement hydration process. In: Proceedings of 7th International Conference on Water Repellent Treatment and Protective Surface Technology for Building Materials, vol.

Oehmichen, D. S. (2008): Mechanismen der Hydrophobierung zementgebundener Werkstoffe mit siliciumorganischen Verbindungen. Universität Fridericiana zu Karlsruhe (TH)

Schäffel, P. (2017): Neue Ansätze zur Vermeidung einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Beton für Fahrbahndecken. Beton- und Stahlbetonbau, 111, 12, S. 116-124

Spaet h, V.; Delplancke-Ogletre e, M.; Lecomt e, J.; De Clerc q, H.; Charol a, A. (2008): Hydration process and microstructure development of integral water-repellent cement based materials. In: Hydrophobe V, 5th International Conference on Water Repellent Treatment of Building Materials Aedificatio, Brussels, vol 245. S. 254

Tian, Y.; Wang, P.; Zhao, T.; Ma, Z.; Jin, Z.; Zhao, H. (2019): Influence of Water-Repellent Treatment with Silicon Resin on Properties of Concrete. Advances in Materials Science and Engineering, 2019, 12

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2007): Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TL Beton-StB 07), Köln (FGSV 891)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: (2018): Technische Prüfvorschriften für Verkehrsflächenbefestigungen – Betonbauweisen (TP B-StB), Teil 1.1.09 AKR-Potenzial und Dauerhaftigkeit von Beton (60 °C-Betonversuch mit Alkalizufuhr), Köln (FGSV 893)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2018): Technische Prüfvorschriften für Verkehrsflächenbefestigungen – Betonbauweisen (TP B-StB) Teil 1.1.10 AKR-Potenzial und Dauer-haftigkeit von Beton (Klimawechsellagerung), Köln (FGSV 893)

Weise, F.; Kind, T.; Stelzner, L.; Wieland, M. (2018): Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke im AKR-Kontext. Beton- und Stahlbetonbau, 113, 9, S. 647-655

Weise, F.; Schrang, K. (2016): Bewertung und Optimierung der Hydrophobierung zur Verminderung des AKR-Schädigungsfortschrittes in Fahrbahndeckenbetonen. In: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe „Straßenbau“, vol. Heft S. 93. Bergisch Gladbach

Wittmann, F.; Xian, Y.; Zhao, T.; Giessler-Blank, S. (2008): Moisture diffusion and siloxane distribution in integral water repellent concrete. Restoration of Buildings and Monuments, 14, 1, S. 15-25

Zhang, P.; Wittmann, F.; Zhao, T. (2009): Capillary Suction of and Chloride Penetration into Integral Water Repellent Concrete/Kapillare Saugfähigkeit und Eindringen von Chloriden in integral hydrophobierten Beton. Restoration of buildings and monuments, 15, 3, S. 187-194

Zhu, Y.-G.; Kou, S.-C.; Poon, C.-S.; Dai, J.-G.; Li, Q.-Y.J.C., Composites C. (2013): Influence of silane-based water repellent on the durability properties of recycled aggregate concrete. 35, 1, S.32-38