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Weimar, 21. Oktober 2014 FOR 1498/0 AKR unter kombinierter Einwirkung Workshop „AKR unter kombinierten Einwirkungen“ Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure- Reaktion in vorgeschädigten Fahrbahndeckenbetonen (Teilprojekte 4 und 5) Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig
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Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure- Reaktion in ...134.147.28.131/hp/downloads/03_Ludwig.pdf · Prof. Ludwig, Prof. Meng Weimar, 21. Oktober 2014 3 Einleitung • Auswahl Ausgangsstoffe-grobe,

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Weimar, 21. Oktober 2014

FOR 1498/0

AKR unter kombinierter Einwirkung

Workshop „AKR unter kombinierten Einwirkungen“

Untersuchungen zur Alkali-Kieselsäure-

Reaktion in vorgeschädigten

Fahrbahndeckenbetonen(Teilprojekte 4 und 5)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig

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Weimar, 21. Oktober 2014 2Prof. Ludwig, Prof. Meng

Mitarbeiter am Projekt

Mitarbeiter der BAM und des FIB

BAM: Dir. und Prof. Dr. rer. nat. B. MengM.Eng. S. MillarDipl.-Ing. S. PirskawetzDipl.-Ing. K. VolandDr.-Ing. F. WeiseDipl.-Phys. G. Wilsch

FIB: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-M. LudwigDr.-Ing. C. GiebsonM.Sc. S. Dietsch Dipl.-Ing. K. SeyfarthDipl.-Ing. D. Erfurt Dr. rer. nat. H. Kletti

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Weimar, 21. Oktober 2014 3Prof. Ludwig, Prof. Meng

Einleitung

• Auswahl Ausgangsstoffe- grobe, alkalireaktive Gesteinskörnungen (bekannt von AKR-Praxisschäden)- natürliche, feine Gesteinskörnung- Fahrbahndeckenzement (CEM I, Na2O-Äquivalent ≤ 0,80 M.-%)

• Auswahl Betonzusammensetzung- Vorversuche mit groben Gesteinskörnungen aus zwei Vorkommen (Schnelltests, Betonversuch nach Alkali-Richtlinie/ Teil 3)

- Rezeptur für Fahrbahndecken nach TL Beton-StB 07- mit AKR-Schädigungspotential für die Untersuchungen zum Einfluss- einer mechanischen Vorschädigung

• Auswahl AKR-Prüfverfahren- Nachweis der Eignung für die Untersuchungen zur Vorschädigung- Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C- Betonversuch bei 60 ◦C (ohne äußere Alkalizufuhr)- FIB-Klimawechsellagerung (AKR-Performance-Prüfung)

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• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

Ausgangsstoffe

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

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De

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ng

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m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Grenzwert am 28. Tag

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Weimar, 21. Oktober 2014 5Prof. Ludwig, Prof. Meng

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

Ausgangsstoffe

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

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ng

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Grenzwert am 28. Tag

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2

Quarz 78,2

Plagioklas 7,1

Orthoklas 9,8

Biotit ---

Chlorit 1,6

Muscovit 1,7

Pyrit ---

Calcit 1,6

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0,0

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ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

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Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8

Quarz 78,2 83,3

Plagioklas 7,1 3,9

Orthoklas 9,8 4,6

Biotit --- ---

Chlorit 1,6 < 1

Muscovit 1,7 1,7

Pyrit --- ---

Calcit 1,6 5,5

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

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1,5

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2,5

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m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8

Quarz 78,2 83,3

Plagioklas 7,1 3,9

Orthoklas 9,8 4,6

Biotit --- ---

Chlorit 1,6 < 1

Muscovit 1,7 1,7

Pyrit --- ---

Calcit 1,6 5,5

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

41,3 M.-% Quarze36,7 M.-% Grauwacken/Quarzite12,9 M.-% Plutonite/Metamorphite03,7 M.-% Flint02,0 M.-% Radiolarit01,7 M.-% Sand- bzw. Kalkstein

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Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 8/16

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

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]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 8/16

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8 Granodiorit 2/22

Quarz 78,2 83,3 25,1

Plagioklas 7,1 3,9 45,1

Orthoklas 9,8 4,6 13,0

Biotit --- --- 10,0

Chlorit 1,6 < 1 3,8

Muscovit 1,7 1,7 3,0

Pyrit --- --- << 0,5

Calcit 1,6 5,5 ---

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

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0,0

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1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 7 14 21 28

De

hn

ung

[m

m/m

]

Zeit [d]

Sand 0/2

Kies-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 2/8

Granodiorit-Splitt 8/16

Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert am 28. Tag

Ausgangsstoffe

Bestandteil [M.-%] Sand 0/2 Kies-Splitt 2/8 Granodiorit 2/22

Quarz 78,2 83,3 25,1

Plagioklas 7,1 3,9 45,1

Orthoklas 9,8 4,6 13,0

Biotit --- --- 10,0

Chlorit 1,6 < 1 3,8

Muscovit 1,7 1,7 3,0

Pyrit --- --- << 0,5

Calcit 1,6 5,5 ---

• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)

gestresster

Quarz

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Weimar, 21. Oktober 2014 12Prof. Ludwig, Prof. Meng

Ausgangsstoffe

• Alkalireaktivität der Gesteinskörnungen

Gesteinskörnung

an

Praxisschäden

beteiligt

Mörtelschnelltest

(70 °C)

Schnellprüfverfahren

(80 °C)

Petrographie/

Mineralogie

Sand 0/2 unbekannt alkalireaktiv alkalireaktivnicht

beurteilbar

Kies-Splitt 2/8 ja alkalireaktivausreichend

alkaliunempfindlich („grenzwertig“)

alkalireaktiv

Granodiorit-Splitt 2/22 jaausreichend alkali-

unempfindlichausreichend alkali-

unempfindlichpotentiell

alkalireaktiv

• AKR-Potential insgesamt vorhanden

• Anknüpfung an Praxiserfahrungen (AKR-Schadensfälle)

• für weitere Versuche zum Einfluss der Vorschädigung geeignet

• es war nicht das Ziel, die Alkalireaktivität der einzelnen Vorkommen zu• beurteilen

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Weimar, 21. Oktober 2014 13Prof. Ludwig, Prof. Meng

• Rezeptur nach Alkali-Richtlinie

Betonzusammensetzungen

Bestandteil Menge

Prüfzement CEM I 32,5 R (Na2Oäq = 1,30 M.-%) 400 kg/m³

Gesteinskörnungen

Sand 0/2 Rhein 30 Vol.-%

Splitt 2/8*

Kies-Splitt 2/8*

Granodiorit, Lausitz

Oberrhein20 Vol.-%

Splitt 8/16 Granodiorit, Lausitz 20 Vol.-%

Splitt 16/22 Granodiorit, Lausitz 30 Vol.-%

Wasser (w/z = 0,45) 180 kg/m³

Luft ca. 1,5 Vol.-%

• Beurteilung der Alkalireaktivität zweier Gesteinskörnungsgemische

• Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C nach Alkali-Richtlinie

• Betonversuch bei 60 ◦C über Wasser nach Alkali-Richtlinie

• Gesamtalkaligehalt: 5,2 kg(Na2Oäq)/m³

*Splitt 2/8 oder Kies-Splitt 2/8

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14Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦◦◦◦C (Rezeptur nach Alkali-Rili.)

keine kritischen Rissbreiten am Würfel, d.h. w < 0,20 mm

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AKR-Prüfverfahren

• Betonversuch bei 60 ◦◦◦◦C (Rezeptur nach Alkali-Rili.)

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Weimar, 21. Oktober 2014 16Prof. Ludwig, Prof. Meng

Ausgangsstoffe

• AKR-Potential der Gesteinskörnungsgemische

Gesteinskörnungsgemisch Nebelkammerlagerung bei 40 °C Betonversuch bei 60 °C über Wasser

Sand 0/2Granodiorit-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

kein AKR-Potential sehr hohes AKR-Potential

Sand 0/2Kies-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

AKR-Potential hohes AKR-Potential

Vergleich AKR-Potential „Kies/Granodiorit“ > „Granodiorit“ „Granodiorit“ > „Kies/Granodiorit“

• AKR-Potential insgesamt vorhanden

• z.T. aber widersprüchliche Aussagen

• für weitere Versuche zum Einfluss einer mechanischen Vorschädigung • grundsätzlich geeignet

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Weimar, 21. Oktober 2014 17Prof. Ludwig, Prof. Meng

Betonzusammensetzungen

Bestandteil Menge

Fahrbahndeckenzement CEM I 42,5 N (Na2Oäq = 0,73 M.-%) 360 kg/m³

Gesteinskörnungen

Sand 0/2 Rhein 28 Vol.-%

A* Splitt 2/8C* Kies-Splitt 2/8

Granodiorit, LausitzOberrhein

15 Vol.-%

Splitt 8/16 Granodiorit, Lausitz 27 Vol.-%

Splitt 16/22 Granodiorit, Lausitz 30 Vol.-%

Wasser (w/z = 0,42) 151,2 kg/m³

Luft 4,0 - 4,5 Vol.-%

• Fahrbahndeckenbeton nach TL Beton-StB 07

• Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials zweier Fahrbahndeckenbetone unter• Berücksichtigung einer äußeren Alkalizufuhr und einer mechanischen Vorschädigung

• FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung von Wasser (Referenz) und NaCl-Lösung- Gesamtalkaligehalt: 2,6 kg(Na2Oäq)/m³

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C, Lagerung bei 60 ◦C über Wasser mit NaCl-Aufdotierung- Gesamtalkaligehalt: 4,7 kg(Na2Oäq)/m³

* Variante A oder C

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18Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• Nebelkammerlagerung bei 40 ◦◦◦◦C (Fahrbahndeckenbetone + NaCl)

keine kritischen Rissbreiten am Würfel, d.h. w < 0,20 mm

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19Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• Betonversuch bei 60 ◦◦◦◦C (Fahrbahndeckenbetone + NaCl)

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AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Fahrbahndeckenbetone)

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0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273

Deh

nu

ng [m

m/m

]

Zeit [d]

Beton A: Einwirkung Wasser

Beton A: Einwirkung NaCl-Lösung

Grenzwert NaCl-Lösung

Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42, LPFr = 4,4 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/2A: 15 Vol.-% Granodiorit-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22

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21Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Fahrbahndeckenbetone)

0,0

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0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273

De

hn

un

g [m

m/m

]

Zeit [d]

Beton A: Einwirkung Wasser

Beton C: Einwirkung Wasser

Beton A: Einwirkung NaCl-Lösung

Beton C: Einwirkung NaCl-Lösung

Grenzwert NaCl-Lösung

Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42, LPFr = 4,4 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/2A: 15 Vol.-% Granodiorit-Splitt 2/8C: 15 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22

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22Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

AKR-Prüfverfahren

• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C: Dünnschliffe nach 12 Zyklen)

AKR-Merkmale

Einwirkung Wasser Einwirkung NaCl-Lösung

gerissenes

Granodioritkorn

AKR-Gel

AKR-Gel

gerissenes

Quarzkorn (Sand)

AKR-Gel

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Weimar, 21. Oktober 2014 23Prof. Ludwig, Prof. Meng

Ausgangsstoffe

• AKR-Potential der Fahrbahndeckenbetone

• Nebelkammerlagerung für weitere Versuche zur Vorschädigung ungeeignet

• 60 ◦C-Betonversuch mit Vorbehalt (da Beton A > Beton C) geeignet

• FIB-Klimawechsellagerung geeignet

FahrbahndeckenbetonNebelkammer-

lagerung bei 40 °C

Betonversuch bei 60 °C

über Wasser

FIB-Klimawechsel-

lagerung

„Beton A“

Sand 0/2Granodiorit-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

--- ---Einwirkung Wasser:

kein AKR-Potential

Aufdotierung mit NaCl:

kein AKR-PotentialAufdotierung mit NaCl:

AKR-PotentialEinwirkung NaCl-Lösung:

AKR-Potential

„Beton C“

Sand 0/2Kies-Splitt 2/8Granodiorit-Splitt 8/16Granodiorit-Splitt 16/22

--- ---Einwirkung Wasser:

kein AKR-Potential

Aufdotierung mit NaCl:

kein AKR-PotentialAufdotierung mit NaCl:

AKR-PotentialEinwirkung NaCl-Lösung:

AKR-Potential

Vergleich AKR-Potential Beton A ≈ Beton C Beton A > Beton C Beton C > Beton A

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24Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

Einfluss Vorschädigung

• FIB-Klimawechsellagerung mechanisch vorgeschädigter Proben

• definierte mechanische Vorschädigung von• Großbalken im Vierpunktbiegezugversuch• durch 5 Mio. Lastwechsel

• FIB-Klimawechsellagerung unter Einwirkung• von Wasser (Referenz) bzw. NaCl-Lösung

vgl. Vorträge Prof. Meng,

Prof. Müller

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25Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

0,0

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0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273

Deh

nu

ng

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m/m

]

Zeit [d]

Einwirkung Wasser (ohne Vorschädigung)

Einwirkung NaCl-Lösung (ohne Vorschädigung)

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42 LPFr = ~4,5 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/215 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert NaCl-Lösung

Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

Einfluss Vorschädigung

• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne Vorschädigung)

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1,2

1,4

0 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273

Deh

nu

ng

[m

m/m

]

Zeit [d]

Einwirkung Wasser (ohne Vorschädigung)

Einwirkung Wasser (mit Vorschädigung)

Einwirkung NaCl-Lösung (ohne Vorschädigung)

Einwirkung NaCl-Lösung (mit Vorschädigung)

CEM I 42,5 N, Na2Oäq = 0,73 M.-%360 kg/m³, w/z = 0,42 LPFr = ~4,5 Vol.-%28 Vol.-% Sand 0/215 Vol.-% Kies-Splitt 2/827 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/1630 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22

Grenzwert NaCl-Lösung

Grenzwert Wasser

8. Z

yk

lus

6. Z

yk

lus

12

. Zy

klu

s

• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne und mit Vorschädigung)

Einfluss Vorschädigung

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27Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

Na [M.-%] 0,11 0,17 0,32

Cl [M.-%] 0,10 0,16 0,28

Na [mm] 0 ≥ 41 ≥ 80

Cl [mm] 0 ≥ 50 ≥ 52

Einfluss Vorschädigung

• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)Referenz: 20 ◦C, 65 % rel. LF KWL (NaCl) ohne Vorschädigung KWL (NaCl) mit Vorschädigung

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28Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

Einfluss Vorschädigung

• LIBS-Untersuchungen zur NaCl-Eindringtiefe (Beton C)

0,11

0,17

0,32

0,10

0,16

0,28

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Referenz ohne Vorschädigung mit Vorschädigung

Ba

sisw

ert

[M

.-%

in d

er

Fe

inm

ört

elm

atr

ix] Na Cl

0

41

80

0

50 52

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Referenz ohne Vorschädigung mit Vorschädigung

Ein

dri

ng

tie

fe [

mm

]

Na Cl

Basiswerte Eindringtiefen

• höhere Eindringtiefen infolge einer mechanischen Vorschädigung (Einfluss Mikrorisse)

• Eindringtiefen aufgrund des höheren Basiswertes in Proben unter NaCl-Einwirkung• offenbar höher als bislang angenommen

• Interpretation von Eindringtiefen - insb. für Praxisbetone - problematisch, da i.d.R.• keine Referenzproben vorliegen, an denen der Basiswert des mit NaCl unbelasteten• Betons bestimmt werden kann

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Weimar, 21. Oktober 2014 29Prof. Ludwig, Prof. Meng

Zusammenfassung

• Eine mechanische Vorschädigung des Betongefüges begünstigt den Ablauf einer AKR, speziell unter äußerer Alkalizufuhr, sofern der Beton ein AKR-Potential besitzt.

• Infolge der Vorschädigung (Mikrorisse) kommt es zu einem beschleunigten Eindringen von Wasser bzw. NaCl-Lösung, wodurch es vor allem zu einem früheren Beginn der AKR kommt.

• Im späteren Verlauf deutet sich unter äußerer Alkalizufuhr eine Verstärkung der AKR an, bedingt durch die größere Menge an eingedrungenem NaCl.

• AKR-Schäden werden damit zuerst in vorgeschädigten Bereichen eines Betonbauteils auftreten, wobei es sich im Fall der Fahrbahndecken um die Bereiche der Querfugen und Fugenkreuze handelt.

• Um eine AKR in vorgeschädigten Bauteilen bzw. Bauteilbereichen zu vermeiden, muss das stofflich bedingte AKR-Potential der Betonzusammensetzung ausreichend gering sein.

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Weimar, 21. Oktober 2014 30Prof. Ludwig, Prof. Meng

Zusammenfassung

• Für praxiskonforme Aussagen zum Einfluss einer Vorschädigung auf die AKR müssen auch praxiskonforme AKR-Prüfverfahren zum Einsatz kommen.

• Mit der Nebelkammerlagerung bei 40 ◦C wurde das AKR-Potential der geprüften Fahrbahndeckenbetone unterschätzt. Von weiteren Untersuchungen unter Verwendung der Nebelkammerlagerung wird daher abgesehen.

• Mit dem Betonversuch bei 60 ◦C konnte das AKR-Potential der geprüften Fahrbahndeckenbetone mit Hinblick auf Praxiserfahrungen grundsätzlich zutreffend beurteilt werden, jedoch treten bislang noch nicht erklärbare Unterschiede zwischen den Betonen auf.

• Mit der FIB-Klimawechsellagerung konnte das AKR-Potential der Fahrbahndeckenbetone mit Hinblick auf Praxiserfahrungen korrekt beurteilt werden. Zudem zeigte sich bereits die grundsätzliche Eignung des Verfahrens für die weiteren Untersuchungen zum Einfluss einer Vorschädigung auf die AKR.

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Weimar, 21. Oktober 2014 31Prof. Ludwig, Prof. Meng

Dank und Anerkennung

• Lieferanten der Gesteinskörnungen, des Zementes und der Zusatzstoffe

• DFG für die finanzielle Förderung

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32Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng

Vielen Dank!