Sachbearbeitung:

Gyde Hartmut, M.Sc, Institut für Baustoffe, Bauphysik und Bauchemie

Betreuung:

Prof. Dr.-Ing. Frank Schmidt-Döhl, Prof. Dr.-Ing. Irina Smirnova

Zielsetzung:

Ziel dieses Projektes ist es ein neues Bewertungsverfahren für die Alkalireaktivität gebräuchlicher Gesteinskörnung zu entwickeln.

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) findet in der Porenlösung in Betonstrukturen statt und kann diese beschädigen. Während einer AKR reagieren verschiedenen Formen der Kieselsäure mit Alkalien zu einem Gel, welches durch Aufnahme von Calcium und Wasser das Volumen vergrößern kann. Das Gel wird zunächst in den Poren des Betons aufgenommen. Wenn es darüber hinaus expandiert, übt es Druck auf die Betonstruktur aus und es können Rissen in der Betonstruktur entstehen. Charakteristische Schäden einer AKR sind netzartige Risse (Map Cracking) und aus der Oberfläche austretendes Gel, was allerdings wasserlöslich ist und dementsprechend selten zu beobachten. Die Reaktionsteilnehmer einer AKR: Wasser, Alkalien und verschiedenen Formen der Kieselsäure sind in den Hauptbestandteilen des Betons enthalten. Eine ausreichende Menge Flüssigkeit für die Reaktion liefert bereits das Anmachwasser des Betons. Die Alkalien sind als Alkalisulfate im Zement gebunden oder in den Klinkerphasen enthalten und werden bei der Hydratation des Zements frei. Die verschiedenen Formen der Kieselsäure resultieren aus der Gesteinskörnung. Amorphes, schlecht kristallines, kryptokristallines Silikatgestein oder Stressquarze können durch den hohen pH-Wert in der Porenlösung gelöst werden. Aus diesem Prozess entstehen diverse Formen der Kieselsäure.

Eine AKR, die bereits begonnen hat ist schwierig bis gar nicht und nur unter großen Kostenaufwand zu stoppen. Die Betonstruktur muss oft komplett erneuert werden. Daher ist es am sinnvollsten eine AKR präventiv zu vermeiden. Dies gelingt am effektivsten durch die Vermeidung von alkalireaktivem Gestein.

Die Prüfverfahren zur Vermeidung einer schädigenden AKR beruhen oft auf Dehnungsmessungen von Prüfkörpern aus Beton oder Mörtel. Die Prüfkörper enthalten die zu prüfende Gesteinskörnung und sind aus einer Normrezeptur hergestellt. Der Nachteil dieser Verfahren ist die lange Prüfdauer von zwei Wochen bis mehrere Monate. Zudem wird die Gesteinskörnung petrografisch oder in Lösungsversuchen untersucht. Diese Methoden haben den Nachteil, dass sie ausreichend Erfahrung des Prüfers voraussetzen oder aber nicht jede Art reaktiver Gesteinskörnung detektieren können.

Ziel dieses Projektes ist es ein Bewertungsverfahren für die Alkalireaktivität zu entwickeln, was eine kurzfristige Einschätzung der Reaktivität einer Gesteinskörnung ermöglicht. Für diesen neuen Schnelltest wird auf Probenkörper aus Beton oder Mörtel verzichtet. Das Verfahren ähnelt den konventionellen Lösungsversuchen, allerdings mit einer anderen Beurteilung der Reaktivität. Während der Lösung der Gesteinskörnung werden physikalische und chemische Parameter aufgezeichnet. Die Beurteilung der Reaktivität beruht auf der kinetischen Auswertung der aufgezeichneten Parameter. Für die Beschleunigung der Lösung wird die Gesteinskörnung im Vorfeld gemahlen, die Versuchstemperatur beträgt 60°C und Lösung findet in 1 molarer Kaliumhydroxidlösung statt.

Methoden und Arbeitsprogramm:

Experimente:

• Monitoring und Auswertung von pH-Wert, Leitfähigkeit und Redoxpotential während der Reaktion zwischen Gesteinskörnung und Lösung
• Bestimmung von Partikelgröße und -form und deren Veränderung (Lasergranulometrie, Mikroskopie)
• Oberflächenbestimmung (BET)
• Elementanalyse der Lösungs- und Feststoffphasen (RFA
• Phasenanalysen der Feststoffphasen (XRD, ATR-IR)

Modellierung:

• Chemische Kinetik
• Statistische Auswertung

Literatur:

Hartmut, G.; Schmidt-Döhl, F.: Detection of ASR aggregates by dissolution experiments: a new approach. In: Júlio, E.; Valenca, J.; Louro, A. S. (Ed:): Concrete Structure: New Trends for Eco-Efficiency and Performance, Proceedings of the 2021 fib Symposum, Lisbon, Portugal, June 14-16, 2021. S. 344-351.

Hartmut, G.; Schmidt-Döhl, F.: Reaction kinetics in solution experiments to avoid the alkali-silica reaction. 3rd. International Conference on the Cemistry of Construction Materials (ICCCM), Karlsruhe, 15.-17.3.2021.

Hartmut, G.; Schmidt-Döhl, F.: Investigations on reaction kinetics in solution experiments to prevent the alkali-silica reaction. 16th International Conference on Alkali Aggregate Reaction in Concrete (ICAAR 2020-2022), Lisbon, 31.5.- 2.6.2022, First Book of Proceedings, April 2021.

Hartmut G. und Schmidt-Döhl F. (2022): Detection of ASR aggregates by the evaluation of chemicalparameters of dissolution experiments. In: Book of Proceedings fib International Congress 2022, Oslo, Norway, June 12-16, 2022.

Hartmut, G. und Schmidt-Döhl F. (2022): Investigations for the development of a new test method to prevent the alkali-silica reaction. At: PintPFS Conference (Graduiertenkolleg, Hamburg, Germany, 26.–27.09.2022

Hartmut,G. und Schmidt-Döhl F. (2021): Avoiding alkali-silica reaction (ASR) by observing kinetic effects in particle-fluid systems (PFS). At: VII International Conference on Particle-Based Methods (PARTICLES 2021), Hamburg, Germany

Osterhus, L.: Solubility testing of rock powders in KOH solution at variable measuring conditions with respect to a rapid ASR estimation. Symposium DFG FOR 1498: Alkali-silica reactions in concrete structures - cyclic loading, fluid transport and modeling. Bochum 5.-6.10.2016

Osterhus, L.; Dombrowski, C.; Schmidt-Döhl, F.: Löslichkeitsuntersuchungen zur schnellen Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen 19. Int. Baustofftagung ibausil, Weimar, 16.-18.9.2015, Tagungsband 1, S. 1405-1412, 2015

Osterhus, L.; Schmidt-Döhl, F.: Verbessertes Prüfverfahren zur Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen basierend auf Lösungsversuchen. GDCH Tagung Bauchemie, 6.-8.10.2014, Kassel. GDCH-Monographie, Bd. 48, S. 41-44, 2014, ISBN 978-3-936028-86-7

Osterhus, L.; Dombrowski, C.; Schmidt-Döhl, F.: Studies of aggregate solubility for rapid assessment of their reaction capacity. Cement and its Applications, Heft 2, 2017, S. 89-94 (in Russisch)