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
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
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)
Weimar, 21. Oktober 2014 4Prof. 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
hnu
ng
[m
m/m
]
Zeit [d]
Sand 0/2
Grenzwert am 28. Tag
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
hnu
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
0,5
1,0
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 16/22
Grenzwert am 28. Tag
Ausgangsstoffe
• Gesteinskörnungen im Mörtelschnelltest (70 ◦◦◦◦C)
Weimar, 21. Oktober 2014 7Prof. Ludwig, Prof. Meng
0,0
0,5
1,0
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 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)
Weimar, 21. Oktober 2014 8Prof. Ludwig, Prof. Meng
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
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3,5
0 7 14 21 28
De
hn
ung
[m
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)
• für weitere Versuche zum Einfluss einer mechanischen Vorschädigung • grundsätzlich geeignet
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
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
19Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng
AKR-Prüfverfahren
• Betonversuch bei 60 ◦◦◦◦C (Fahrbahndeckenbetone + NaCl)
20Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng
AKR-Prüfverfahren
• FIB-Klimawechsellagerung (Fahrbahndeckenbetone)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
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]
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
21Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng
• 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
25Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
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 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)
26Weimar, 21. Oktober 2014Prof. Ludwig, Prof. Meng
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
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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]
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
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. Zy
klu
s
• FIB-Klimawechsellagerung (Beton C, ohne und mit Vorschädigung)
Einfluss Vorschädigung
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
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
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[M
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ix] Na Cl
0
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0
50 52
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10
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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
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.
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.
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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