Charakteristisches Rissmuster, das durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion an einer Betonstufenleitplanke einer US-amerikanischen Autobahn entsteht. Man beachte das typische fettige Aussehen der Kieselgelausscheidungen, die die Betonoberfläche beidseitig der Risse durchdringen. [ 1 ] [ 2 ]

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ( AKR ), auch als Betonkrebs bekannt , [ 3 ] ist eine schädliche innere Quellungsreaktion, die im Laufe der Zeit im Beton zwischen der stark alkalischen Zementpaste und dem reaktiven amorphen (d.h. nichtkristallinen) Kieselsäureanteil auftritt, der in vielen gebräuchlichen Zuschlagstoffen vorkommt , vorausgesetzt, es wird ausreichend Feuchtigkeit zugeführt.

Diese schädliche chemische Reaktion führt zur Ausdehnung des veränderten Zuschlags durch die Bildung eines löslichen und viskosen Natriumsilikatgels ( Na₂SiO₃ · n H₂O , auch Na₂H₂SiO₄ · n H₂O oder NSH (Natriumsilikathydrat), je nach verwendeter Konvention). Dieses hygroskopische Gel quillt bei Wasseraufnahme auf und vergrößert sein Volumen. Dadurch entsteht ein Ausdehnungsdruck im Inneren des silikatischen Zuschlags, der zu Abplatzungen und Festigkeitsverlust des Betons und schließlich zu dessen Versagen führt.

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) kann zu schwerwiegenden Rissen im Beton führen, was kritische strukturelle Probleme nach sich ziehen und sogar den Abriss eines Bauwerks erforderlich machen kann. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Die Ausdehnung von Beton durch die Reaktion zwischen Zement und Zuschlagstoffen wurde erstmals in den 1930er Jahren von Thomas E. Stanton in Kalifornien untersucht; seine grundlegende Veröffentlichung dazu erschien 1940. [ 7 ]

Chemie

Typisches Rissbild der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Die aus den Betonrissen austretenden Gele weisen eine charakteristische gelbe Farbe und einen hohen pH-Wert auf. Auch das fettige Aussehen der Exsudate, die entlang der Risse in die Betonporosität eindringen, ist ein charakteristisches Merkmal der AKR.
Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion als chemischer Zyklusprozess

Um die sehr komplexe Abfolge verschiedener Reaktionen zu vereinfachen und zu stilisieren, kann die gesamte Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) nach ihrem vollständigen Ablauf (Alterungsprozess) in Gegenwart ausreichender Ca²⁺-Kationen in Lösung mit der puzzolanischen Reaktion verglichen werden, die durch unerwünschte Überkonzentrationen von Alkalihydroxiden (NaOH und KOH) im Beton katalysiert würde. [ 8 ] Es handelt sich um eine mineralische Säure-Base-Reaktion zwischen NaOH oder KOH, Calciumhydroxid, auch bekannt als Portlandit oder Ca(OH)₂, und Kieselsäure (H₄SiO₄ oder Si ( OH ) ₄ ) . Zur Vereinfachung kann die Alkali - Kieselsäure -Reaktion im Endstadium, nach vollständigem Austausch der Alkalikationen gegen die von Portlandit freigesetzten Calciumionen, die zu Calciumsilicathydrat (CSH) führt , schematisch wie folgt dargestellt werden:

Ca ( OH ) ₂ + H₄SiO₄ → Ca²⁺ + H₂SiO₄²⁻ + 2 H₂O → CaH₂SiO₄ · 2 H₂O​​​​

Hierbei steht Kieselsäure H 4 SiO 4 , oder Si(OH) 4 , die SiO 2 · 2 H 2 O entspricht, der Einfachheit halber in der wässrigen Chemie für hydratisiertes oder amorphes Siliciumdioxid.

Tatsächlich wurde der Begriff Kieselsäure traditionell als Synonym für Siliciumdioxid , SiO₂ , verwendet . Genau genommen ist Siliciumdioxid das Anhydrid der Orthokieselsäure, Si(OH) ₄ .

SiO 2 ↓ + 2 H 2 O ⇌ Si(OH) 4

Eine alte industrielle Notation, die sich auf H bezieht2SiO3Metakieselsäure wird häufig auch zur Darstellung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion verwendet .2SiO3oder SiO(OH)2, ist ein hypothetisches Molekül, das selbst in extrem verdünnten Lösungen noch nie beobachtet wurde, weil H2SiO3ist instabil und hydratisiert weiterhin.

Im Gegensatz zur Hydratisierung von CO₂, bei der nur ein Wassermolekül verbraucht wird und H₂CO₃ entsteht , benötigt die Hydratisierung von SiO₂ zwei Wassermoleküle und führt in einem weiteren Schritt zur Bildung von H₄SiO₄ . Der Unterschied im Hydratisierungsverhalten von SiO₂ und CO₂ lässt sich durch thermodynamische Gründe ( freie Gibbs-Energie ) sowie durch Bindungsenergien oder sterische Hinderung um das zentrale Atom des Moleküls erklären .

Deshalb ist die korrektere geochemische Notation, die sich auf die Orthokieselsäure Si(OH) bezieht, die richtige.4Hier ist die tatsächliche Existenz in verdünnter Lösung von Vorteil. Der Hauptvorteil der mittlerweile veralteten, aber immer noch häufig verwendeten industriellen Notation bezieht sich jedoch auf das Metasilikat-Anion ( SiO₄²⁻) .2– 3), das ebenfalls nicht in wässriger Lösung existiert, liegt in seiner größeren Einfachheit und seiner direkten Ähnlichkeit in der Notation mit dem Carbonat ( CO ).2– 3) System.

Man beachte außerdem, dass die NaOH- und KOH-Spezies ( Alkalihydroxide , oft auch einfach Alkali genannt , um auf ihren stark basischen Charakter hinzuweisen), die die Siliciumdioxid-Auflösung in der Alkali-Siliciumdioxid-Reaktion katalysieren und beschleunigen, in dieser vereinfachten Darstellung der Gesamtreaktion mit Portlandit nicht explizit erscheinen, da sie kontinuierlich durch die Kationenaustauschreaktion mit Portlandit regeneriert werden. Folglich verschwinden sie aus der globalen Massenbilanzgleichung der katalysierten Reaktion.

Mechanismus der Siliciumdioxid-Auflösung

Anhydrische und hydratisierte Siliciumdioxid-Oberfläche mit Siloxan- und Silanolgruppen sowie oberflächengebundenen Wassermolekülen.

Die Oberfläche von festem Siliciumdioxid im Kontakt mit Wasser ist mit Siloxanbindungen (≡Si–O–Si≡) und Silanolgruppen (≡Si–OH) bedeckt, die empfindlich auf einen alkalischen Angriff durch OH reagieren.−Ionen.

Das Vorhandensein dieser sauerstoffhaltigen Gruppen, die sehr leicht Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen bilden, erklärt die Affinität von Siliciumdioxid zu Wasser und macht kolloidales Siliciumdioxid sehr hydrophil .

Siloxanbindungen können Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen eingehen , wie nachfolgend schematisch dargestellt:

Siloxanbindung zwischen zwei Siliciumatomen.
≡Si–O–Si≡ + H2O   ↔ ≡Si–OH + HO–Si≡
=Si=O + H2O   ↔ = Si(–OH)2
Chemische Struktur einer Silanolgruppe .

Andererseits können Silanolgruppen auch eine Protonierung /Deprotonierung erfahren:

≡Si–OH ↔ ≡Si– O−+ H+Die

Diese Gleichgewichte können durch Erhöhung der Konzentration des Hydroxid- Anions (OH – ), d. h. durch Erhöhung des pH-Werts der Lösung, auf die rechte Seite der Reaktion verschoben werden, was zur Auflösung von Siliciumdioxid führt .

Die alkalische Hydrolyse von Siloxanbindungen erfolgt durch nukleophile Substitution von OH – an ein Siliciumatom, wobei eine andere – O–Si-Gruppe abgespalten wird, um den vierwertigen Charakter des Si-Atoms zu erhalten:

≡Si–O–Si≡ + OH−   → ≡Si–OH + – O–Si≡
=Si=O + OH−   → = SiO(OH)−

Deprotonierung von Silanolgruppen :

≡Si–OH + OH−   → ≡Si– O−+ H2O .

Im pH-Bereich von 0 bis 7 ist die Löslichkeit von Siliciumdioxid konstant. Oberhalb von pH 8 nehmen die Hydrolyse von Siloxanbindungen und die Deprotonierung von Silanolgruppen exponentiell mit dem pH-Wert zu. Daher löst sich Glas bei hohen pH-Werten leicht auf und ist gegenüber extrem basischen NaOH/KOH-Lösungen nicht beständig. NaOH/KOH wird daher bei der Zementhydratation freigesetzt und löst das dreidimensionale Siliciumdioxidnetzwerk in den Zuschlagstoffen auf. Amorphes oder schlecht kristallisiertes Siliciumdioxid, wie beispielsweise kryptokristalliner Chalcedon oder Hornstein in Feuersteinen (in Kreide ) oder Flusskies , ist deutlich löslicher und empfindlicher gegenüber alkalischen Angriffen durch OH⁻ - Anionen als gut kristallisiertes Siliciumdioxid wie Quarz . Verformter Quarz oder Hornstein, der in Kanada und den nordischen Ländern Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt ist , reagiert ebenfalls empfindlicher auf alkalische Lösungen (hoher pH-Wert).

Die für die Siliciumdioxid-Auflösung verantwortliche Spezies ist das Hydroxid- Anion (OH⁻ ) . Hohe pH-Werte werden als alkalisch bezeichnet , und man spricht auch von der Alkalität basischer Lösungen. Aus Gründen der Elektroneutralität müssen OH⁻-Anionen von positiv geladenen Kationen begleitet werden, in NaOH- bzw. KOH-Lösungen also Na⁺ bzw. K⁺ . Na und K gehören beide zur Gruppe der Alkalimetalle im Periodensystem . Spricht man von Alkalien, meint man systematisch die basischen Hydroxide NaOH und KOH oder deren entsprechende Oxide Na₂O und K₂O im Zement. Daher ist die Hydroxid- bzw. Oxidkomponente des Salzes die einzige relevante chemische Spezies für die Siliciumdioxid-Auflösung, nicht das Alkalimetall selbst. Um jedoch den Alkaliäquivalentgehalt (Na₂O-Äquivalent) im Zement zu bestimmen , misst man aufgrund der Notwendigkeit, die Elektroneutralität in Feststoffen oder Lösungen zu gewährleisten, direkt den Gehalt an Na und K im Zement und geht konservativ davon aus, dass deren Gegenionen die Hydroxid-Ionen sind. Da Na + und K + Kationen hydratisierte Spezies sind, tragen sie auch dazu bei, Wasser in Alkali-Kieselsäure-Reaktionsprodukten zu binden.

Osmotische Prozesse (Chatterji et al. , 1986, 1987, 1989) und die elektrische Doppelschicht (EDL) [ 9 ] spielen ebenfalls eine grundlegende Rolle beim Transport von Wasser in Richtung des konzentrierten flüssigen Alkaligels und erklären so dessen Quellverhalten sowie die schädliche Ausdehnung der Zuschlagstoffe, die für ASR-Schäden im Beton verantwortlich ist.

Katalyse der ASR durch gelöstes NaOH oder KOH

Die ASR-Reaktion unterscheidet sich wesentlich von der puzzolanischen Reaktion dadurch, dass sie durch lösliche Alkalihydroxide (NaOH/KOH) bei sehr hohem pH-Wert katalysiert wird . Sie kann wie folgt dargestellt werden, wobei in der klassischen geochemischen Notation für Siliciumdioxid das vollständig hydratisierte gelöste Siliciumdioxid (Si(OH)₄ oder Kieselsäure: H₄SiO₄) verwendet wird , während in einer älteren industriellen Notation das nicht existierende, halbhydratisierte Siliciumdioxid (H₂SiO₃ , analog zur Kohlensäure ) betrachtet wird :

2 Na(OH) + H 4 SiO 4 → Na 2 H 2 SiO 4 · 2 H 2 O
Das so hergestellte lösliche Alkali-Kieselgel kann dann mit Calciumhydroxid ( Portlandit ) reagieren, um unlösliche Calciumsilicathydrate (CSH-Phasen) auszufällen und NaOH zu regenerieren, wodurch die anfängliche Kieselsäureauflösungsreaktion fortgesetzt wird:
Na 2 H 2 SiO 4 · 2 H 2 O + Ca(OH) 2 → CaH 2 SiO 4 · 2 H 2 O + 2 NaOH

Die Kombination der beiden oben genannten Reaktionen ergibt eine allgemeine Reaktion, die der puzzolanischen Reaktion ähnelt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Reaktion durch das unerwünschte Vorhandensein löslicher alkalischer Hydroxide (NaOH / KOH) im Zement oder anderen Betonbestandteilen katalysiert wird, die für die Auflösung des Siliciumdioxids (Kieselsäure) bei hohem pH-Wert verantwortlich sind:

Ca(OH) 2 + H 4 SiO 4 → CaH 2 SiO 4 · 2 H 2 O

Ohne gelöstes NaOH oder KOH, das für den hohen pH-Wert (~13,5) des Betonporenwassers verantwortlich ist, würde sich das amorphe Siliciumdioxid der reaktiven Zuschlagstoffe nicht lösen und die Reaktion nicht ablaufen. Darüber hinaus ist das lösliche Natrium- oder Kaliumsilicat stark hygroskopisch und quillt bei Wasseraufnahme auf. Bildet sich Natriumsilicatgel und quillt es in einem porösen Siliciumdioxid-Zuschlagstoff, dehnt es sich zunächst aus und füllt die freien Poren. Sind diese vollständig gefüllt und lässt sich das lösliche, aber sehr zähflüssige Gel nicht leicht aus dem Siliciumdioxid-Netzwerk verdrängen, steigt der hydraulische Druck im angegriffenen Zuschlagstoff und führt zu dessen Bruch. Die hydromechanische Ausdehnung des beschädigten, von calciumreichem, erhärtetem Zementleim umgebenen Siliciumdioxid-Zuschlagstoffs ist für die Entstehung eines Rissnetzes im Beton verantwortlich. Wenn das aus dem Zuschlagstoff verdrängte Natriumsilikat auf Portlanditkörner im erhärteten Zementleim trifft, findet ein Austausch zwischen Natrium- und Calciumionen statt. Dabei fällt hydratisiertes Calciumsilikat (CSH) aus, gleichzeitig wird NaOH freigesetzt. Das regenerierte NaOH kann wiederum mit dem amorphen Siliciumdioxid-Zuschlagstoff reagieren, was zu einer erhöhten Bildung von löslichem Natriumsilikat führt. Wenn ein durchgehender CSH-Saum die Außenfläche des angegriffenen Siliciumdioxid-Zuschlagstoffs vollständig umschließt, wirkt er als semipermeable Barriere. Diese behindert die Verdrängung des viskosen Natriumsilikats, ermöglicht aber gleichzeitig die Diffusion von NaOH/KOH aus dem erhärteten Zementleim in das Innere des Zuschlagstoffs. Diese selektive CSH-Barriere trägt zur Erhöhung des hydraulischen Drucks im Zuschlagstoff bei und verstärkt die Rissbildung. Die Ausdehnung des Zuschlagstoffs schädigt den Beton in der Alkali-Kieselsäure-Reaktion.

Portlandit (Ca(OH) ₂ ) stellt , wie Davies und Oberholster (1988) [ 10 ] und Wang und Gillott (1991) [ 11 ] betonten, das Hauptreservoir für OH⁻ - Anionen in der festen Phase dar. Solange Portlandit oder die silikatischen Zuschlagstoffe nicht vollständig verbraucht sind, schreitet die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) fort. Die Alkalihydroxide werden durch die Reaktion von Natriumsilikat mit Portlandit kontinuierlich regeneriert und bilden somit die treibende Kraft der AKR. Daher ist es unmöglich, die AKR zu unterbrechen. Die einzige Möglichkeit, AKR in Gegenwart von silikatischen Zuschlagstoffen und Wasser zu vermeiden, besteht darin, die Konzentration an löslichen Alkalien (NaOH und KOH) im Beton so gering wie möglich zu halten, sodass der Katalysemechanismus vernachlässigbar wird.

Analogie zur Karbonatisierung von Natronkalk und Beton

Der durch eine lösliche starke Base wie NaOH oder KOH in Gegenwart von Ca(OH) ₂ (Alkalinitätspuffer in der Festphase) katalysierte Alkali-Kieselsäure-Reaktionsmechanismus lässt sich mit der Carbonatisierung von Natronkalk vergleichen . Die Kieselsäure ( H₂SiO₃ oder SiO₂ ) wird in der Reaktion einfach durch Kohlensäure ( H₂CO₃ oder CO₂ ) ersetzt .

(1) CO₂ + 2 NaOH  →   Na₂CO₃ + H₂O​​​​ (CO₂ - Abscheidung durch lösliches NaOH)
(2) Na₂CO₃ + Ca( OH ) ₂ → CaCO₃ + 2 NaOH   (Regeneration von NaOH nach der Reaktion mit Kalk)
Summe (1+2) CO₂ + Ca ( OH) ₂ → CaCO 3 + H 2 O   (globale Reaktion)

In Gegenwart von Wasser oder Luftfeuchtigkeit lösen sich die starken Basen NaOH oder KOH leicht in ihrem Hydratwasser ( hygroskopische Substanzen, Verflüssigungsphänomen ). Dies erleichtert die Katalyse erheblich , da die Reaktion in wässriger Lösung deutlich schneller abläuft als in der trockenen festen Phase. [ 12 ] Das feuchte NaOH imprägniert die Oberfläche und die Poren von Calciumhydroxid-Körnern mit hoher spezifischer Oberfläche. [ 13 ] Natronkalk wird häufig in Kreislauftauchgeräten und Anästhesiesystemen eingesetzt . [ 14 ] [ 15 ]

Der gleiche katalytische Effekt der Alkalihydroxide (abhängig vom Na₂O - Äquivalentgehalt des Zements ) trägt auch zur Carbonatisierung von Portlandit durch atmosphärisches CO₂ im Beton bei , obwohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Reaktionsfront dort im Wesentlichen durch die CO₂- Diffusion innerhalb der weniger porösen Betonmatrix begrenzt ist . [ 16 ]

Die Natronkalk-Carbonatisierungsreaktion lässt sich direkt in die alte industrielle Notation von Silikat (gemeint ist die nie beobachtete Metakieselsäure ) übertragen, indem man in den Massenbilanzgleichungen ein C-Atom durch ein Si-Atom ersetzt ( d. h . ein Carbonat durch ein Metasilikat-Anion). Daraus ergibt sich die folgende Reaktionsfolge, die auch häufig in der Literatur zu finden ist, um die kontinuierliche Regeneration von NaOH in der Alkali-Kieselsäure-Reduktion (AKR) schematisch darzustellen:

(1) SiO₂ + 2 NaOH  →   Na₂SiO₃ + H₂O​​​​ (SiO 2 löst sich schnell in hygroskopischem NaOH auf)
(2) Na₂SiO₃ + Ca( OH ) ₂ → CaSiO 3 + 2 NaOH   (Regeneration von NaOH nach der Reaktion mit Portlandit)
Summe (1+2) SiO₂ + Ca(OH ) ₂ → CaSiO 3 + H 2 O   (globale Reaktion, die der puzzolanischen Reaktion ähnelt )

Wenn im betrachteten System (Natronkalk- oder Alkali-Kieselsäure-Reaktion) eindeutig ein Mangel an NaOH vorliegt, ist es formal möglich, die gleichen Reaktionssätze zu schreiben, indem man einfach die CO 3 2- Anionen durch HCO 3 − und die SiO 3 2- Anionen durch HSiO 3 − ersetzt , wobei das Prinzip der Katalyse dasselbe bleibt, auch wenn sich die Anzahl der Zwischenprodukte unterscheidet.

Hauptquellen von OH−in gehärtetem Zementleim

Man kann mehrere Quellen für Hydroxid-Anionen ( OH) unterscheiden .−) in erhärtetem Zementleim (HCP) aus der Familie der Portlandzemente (reiner OPC , mit BFS oder mit zementären Zusätzen, FA oder SF ).

Direkte Quellen

OH−Anionen können direkt im Porenwasser des HCP vorhanden sein oder durch die Auflösung von Ca(OH) langsam aus der Festphase (Hauptpuffer oder Feststoffstamm) freigesetzt werden.2(Portlandit), dessen Löslichkeit mit sinkendem pH-Wert zunimmt. Neben diesen beiden Hauptquellen können auch Ionenaustauschreaktionen und die Ausfällung schwerlöslicher Calciumsalze zur Freisetzung von OH-Radikalen beitragen.−in Lösung.

Alkalihydroxide, NaOH und KOH, entstehen durch die direkte Auflösung von Na2O und K2Sauerstoffoxide entstehen durch die Pyrolyse der Rohstoffe bei hoher Temperatur (1450 °C) im Zementofen . Das Vorhandensein von Mineralien mit hohem Natrium- und Kaliumgehalt in den Rohstoffen kann daher problematisch sein. Das traditionelle Nassverfahren zur Zementherstellung, das mehr Energie (Wasserverdunstung) verbrauchte als das moderne Trockenverfahren, hatte den Vorteil, einen Großteil der im Rohmaterial enthaltenen löslichen Natrium- und Kaliumsalze zu entfernen.

Wie bereits in den beiden Abschnitten über die ASR-Katalyse durch Alkalihydroxide bzw. die Natronkalkcarbonatisierung beschrieben, werden lösliches NaOH und KOH kontinuierlich regeneriert und in Lösung freigesetzt, wenn das lösliche Alkalisilikat mit Ca(OH) reagiert.2zur Ausfällung von unlöslichem Calciumsilikat. Wie Davies und Oberholster (1988) [ 10 ] vermuten , ist die Alkali-Kieselsäure-Reaktion selbstverstärkend, da die Alkalihydroxide im System kontinuierlich regeneriert werden. Daher ist Portlandit der Hauptpuffer für OH⁻.−in der festen Phase. Solange der Vorrat an Hydroxiden in der festen Phase nicht erschöpft ist, kann die Alkali-Kieselsäure-Reaktion so lange weiterlaufen, bis eines der Reagenzien ( Ca(OH)₂) vollständig verbraucht ist.2oder SiO2) an der puzzolanischen Reaktion beteiligt .

Indirekte Quellen

Es gibt auch andere indirekte Quellen von OH−Alle diese Phänomene hängen mit dem Vorhandensein löslicher Natrium- und Kaliumsalze im Porenwasser von erhärtetem Zementleim zusammen. Die erste Kategorie umfasst lösliche Natrium- und Kaliumsalze, deren entsprechende Anionen unlösliche Calciumsalze, z. B. Na₂O₃, ausfällen können.2ALSO4, N / A2CO3, N / A3PO4, NaB(OH)4, N / A2B4O7, ... .

Nachfolgend ein Beispiel für die Ausfällung von Calciumsulfat ( Gips , Anhydrit ) unter Freisetzung von Natriumhydroxid :

N / A2ALSO4+ Ca(OH)2→ CaSO4+ 2 NaOH

oder die Reaktion von Natriumcarbonat mit Portlandit, die auch für die Katalyse der Alkali-Carbonat-Reaktion wichtig ist , wie Fournier und Bérubé (2000) und Bérubé et al. (2005) betonten: [ 17 ] [ 18 ]

N / A2CO3+ Ca(OH)2→ CaCO3+ 2 NaOH

Allerdings können nicht alle löslichen Natrium- oder Kaliumsalze unlösliche Calciumsalze ausfällen, wie beispielsweise NaCl -basierte Auftausalze:

2 NaCl + Ca(OH)2← CaCl2+ 2 NaOH

Da Calciumchlorid ein lösliches Salz ist, kann die Reaktion nicht stattfinden und das chemische Gleichgewicht verschiebt sich auf die linke Seite der Reaktion.

Es stellt sich also die Frage: Können NaCl oder KCl aus Enteisungssalzen möglicherweise noch eine Rolle bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion spielen ?+und K+Kationen können Siliciumdioxid nicht direkt angreifen (die Ursache ist ihr Gegenion OH⁻).−), und lösliche Alkalichloride können durch Reaktion mit Calciumhydroxid kein lösliches Alkalihydroxid bilden. Gibt es also einen anderen Weg, um dennoch Hydroxid-Anionen in der erhärteten Zementpaste (HCP) zu erzeugen?

Neben Portlandit sind in hexagonal-dichtest gepresstem Zement (HCP) weitere hydratisierte Festphasen vorhanden. Die Hauptphasen sind Calciumsilicathydrate (CSH) (der „ Klebstoff “ im Zementleim), Calciumsulfoaluminatphasen ( AFm und AFt , Ettringit ) und Hydrogranat . CSH-Phasen sind weniger löslich (~ 10⁻⁵ M  ) als Portlandit (CH) (~ 2,2 × 10⁻²  M bei 25 °C) und spielen daher vermutlich eine vernachlässigbare Rolle bei der Freisetzung von Calciumionen.

Es wird vermutet, dass eine Anionenaustauschreaktion zwischen Chloridionen und den im Kristallgitter einiger Calciumaluminathydrate (CAH) oder verwandter Phasen (CASH, AFm, AFt) enthaltenen Hydroxidionen ebenfalls zur Freisetzung von Hydroxidionen in Lösung beiträgt. Der Hauptmechanismus wird im Folgenden schematisch für CAH-Phasen dargestellt:

Cl−+ (CAH)–OH → (CAH)–Cl + OH−

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anwesenheit löslicher Na- und K-Salze durch Ausfällung schwerlöslicher Calciumsalze (mit Portlandit, CH) oder Anionenaustauschreaktionen (mit Phasen, die mit CAH verwandt sind) zur Freisetzung von OH-Ionen führen kann.−Anionen werden in Lösung gebracht . Daher ist das Vorhandensein von Natrium- und Kaliumsalzen im Zementporenwasser unerwünscht, und die Messung der Natrium- und Kaliumkonzentrationen ist ein guter Indikator für die maximale OH- Konzentration.−in der Porenlösung. Deshalb ist der Gesamtgehalt an Alkaliäquivalenten ( Na)2OGleichungDie Bestimmung der Zusammensetzung von Zement kann einfach auf Messungen von Na und K ( z. B. mittels ICP-AES , AAS , XRF- Messtechniken) zurückgreifen.

Entwicklung und Alterung von Alkaligelen

Im Folgenden wird der Reifungsprozess des in Exsudaten vorkommenden flüssigen Alkalikieselgels zu weniger löslichen Feststoffen in Gelpasten oder Ausblühungen beschrieben. Vier verschiedene Schritte dieser fortschreitenden Umwandlung werden betrachtet. [ 11 ]

1. SiO2Auflösung und Na2SiO3Bildung (hier explizit in der alten industriellen Metasilikat-Notation geschrieben (basierend auf der nicht existierenden Metakieselsäure , H)2SiO3(um auch die häufige Verwendung dieses Ausdrucks später in der Literatur zu veranschaulichen):

2 NaOH + SiO2→ Na2SiO3· H2O (junges NSH-Gel)
Diese Reaktion geht mit einer Hydratation und Quellung des Alkaligels einher, was zur Ausdehnung der betroffenen Gesteinskörnung führt. Das frische Alkaligel weist einen sehr hohen pH-Wert und oft eine charakteristische bernsteinfarbene Färbung auf. Der hohe pH-Wert des jungen Alkaligel-Austritts verhindert häufig das Mooswachstum an der Oberfläche der Betonrissfüllung.

2. Reifung des Alkaligels: Polymerisation und Gelierung durch den Sol-Gel-Prozess . Kondensation von in einer kolloidalen Lösung (Sol) dispergierten Silikatmonomeren oder -oligomeren zu einem zweiphasigen wässrigen Polymernetzwerk aus Kieselgel. CaAb 2 JahrenZweiwertige Kationen, die von Calciumhydroxid ( Portlandit ) freigesetzt werden, wenn der pH-Wert leicht zu sinken beginnt, können den Gelierungsprozess beeinflussen.

3. Kationenaustausch mit Calciumhydroxid (Portlandit) und Ausfällung von amorphen Calciumsilicathydraten (CSH) mit anschließender NaOH-Regeneration:

N / A2SiO3+ Ca(OH)2→ CaSiO3+ 2 NaOH
Amorphe, nicht-stöchiometrische Calciumsilicathydrate (CSH, wobei die Nicht-Stöchiometrie hier durch Striche gekennzeichnet ist) können zu Rosetten rekristallisieren , die denen von Gyrolith ähneln . Das in diesem Stadium gebildete CSH kann als weiterentwickeltes Calciumsilicathydrat betrachtet werden.

4. Carbonatisierung des CSH, die zur Ausfällung von Calciumcarbonat und amorphem SiO 2 führt , stilisiert wie folgt:

CaSiO3+ CO2→ CaCO3+ SiO2

Solange das Alkaligel ( Na2SiO3) hat noch nicht mit Ca reagiertAb 2 JahrenDie bei der Auflösung von Portlandit freigesetzten Ionen bleiben flüssig und können leicht aus gebrochenen Zuschlagstoffen oder durch offene Risse in der beschädigten Betonstruktur austreten. Dies kann zu sichtbaren gelben, zähflüssigen Austritten (bernsteinfarbenen Flüssigkeitströpfchen) an der Oberfläche des betroffenen Betons führen.

Wenn der pH-Wert aufgrund der fortschreitenden Kieselsäureauflösungsreaktion langsam sinkt, erhöht sich die Löslichkeit von Calciumhydroxid, und das Alkaligel reagiert mit Ca.Ab 2 JahrenDie Viskosität des Betons steigt aufgrund der Gelierung, und seine Fließfähigkeit nimmt stark ab, sobald sich nach der Reaktion mit Calciumhydroxid (Portlandit) CSH-Phasen ausfällen. In diesem Moment härtet das kalzifizierte Gel aus und behindert somit den Transport des Alkaligels im Beton.

Wenn das CSH-Gel mit atmosphärischem Kohlendioxid in Kontakt kommt , karbonatisiert es rasch, und es bilden sich weiße oder gelbe Ausblühungen an der Betonoberfläche. Tritt das relativ flüssige Alkaligel weiterhin unter die erhärtete Oberflächenschicht aus, drückt es die Ausblühungen aus den Rissen heraus, sodass diese erhaben sichtbar werden. Da die Trocknungs- und Karbonatisierungsreaktionen des Gels schneller ablaufen als die Gelaustrittsgeschwindigkeit (Austrittsgeschwindigkeit des flüssigen Gels durch offene Risse), sind frische, flüssige Alkaliausblühungen an der Oberfläche von Betonbauwerken im Tiefbau meist selten anzutreffen. Unmittelbar nach dem Bohren von dekomprimierten Betonkernen können jedoch gelegentlich frische, gelbe, flüssige Alkaliausblühungen (viskose, bernsteinfarbene Tröpfchen) beobachtet werden.

Mechanismus der Betonzerstörung

Der Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR), die zur Verschlechterung von Beton führt, kann somit in vier Schritten wie folgt beschrieben werden:

  1. Die stark basische Lösung (NaOH / KOH) greift die Kieselsäureaggregate an (Kieselsäureauflösung bei hohem pH-Wert) und wandelt das schlecht kristallisierte oder amorphe Siliciumdioxid in ein lösliches, aber sehr viskoses Alkalisilicatgel (NSH, KSH) um.
  2. Der Verbrauch von NaOH/KOH durch die Auflösungsreaktion von amorphem Siliciumdioxid senkt den pH-Wert des Porenwassers des erhärteten Zementleims. Dies ermöglicht die Auflösung von Ca(OH) ₂ ( Portlandit ) und erhöht die Konzentration von Ca²⁺ - Ionen im Zementporenwasser. Die Calciumionen reagieren anschließend mit dem löslichen Natriumsilicatgel und wandeln es in feste Calciumsilicathydrate (CSH) um. Die CSH bilden eine durchgehende, schlecht durchlässige Beschichtung an der Oberfläche des Zuschlags.
  3. Die eingedrungene alkalische Lösung (NaOH/KOH) wandelt die verbleibenden siliziumhaltigen Mineralien in ein voluminöses, lösliches Alkalisilikatgel um. Der dadurch entstehende Ausdehnungsdruck im Kern des Aggregats steigt.
  4. Der entstehende Druck führt zu Rissen im Zuschlagstoff und dem umgebenden Zementleim, wenn der Druck die Toleranz des Zuschlagstoffs überschreitet. [ 19 ]

Strukturelle Auswirkungen der ASR

Die durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) verursachten Risse können verschiedene negative Auswirkungen auf Beton haben, darunter: [ 20 ]

  1. Ausdehnung: Durch die Quellfähigkeit des ASR-Gels steigt die Wahrscheinlichkeit einer Ausdehnung in Betonelementen.
  2. Druckfestigkeit : Der Einfluss der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) auf die Druckfestigkeit kann bei geringen Ausdehnungen geringfügig, bei größeren Ausdehnungen jedoch relativ stark sein. Swamy und Al-Asali (1986) [ 21 ] [ 22 ] weisen darauf hin, dass die Druckfestigkeit kein sehr genauer Parameter zur Bestimmung des Schweregrades der AKR ist; der Test wird jedoch aufgrund seiner Einfachheit durchgeführt.
  3. Zugfestigkeit / Biegetragfähigkeit: Untersuchungen zeigen, dass Alkali-Kieselsäure-Risse (AKR) die Zugfestigkeit von Beton erheblich verringern und somit die Biegetragfähigkeit von Balken reduzieren können. Einige Studien an Brückenbauwerken weisen auf einen Tragfähigkeitsverlust von bis zu 85 % infolge von AKR hin.
  4. Elastizitätsmodul / Ultraschallgeschwindigkeit: Der Einfluss der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) auf die elastischen Eigenschaften von Beton und die Ultraschallgeschwindigkeit (UPV) ist dem Einfluss auf die Zugfestigkeit sehr ähnlich. Der Elastizitätsmodul reagiert empfindlicher auf AKR als die Ultraschallgeschwindigkeit.
  5. Ermüdung : Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) verringert die Tragfähigkeit und die Ermüdungslebensdauer von Beton. [ 23 ] [ 24 ]
  6. Scherfestigkeit : ASR erhöht die Scherfestigkeit von Stahlbeton mit und ohne Scherbewehrung (Ahmed et al., 2000). [ 23 ]

Minderung

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in neuem Beton kann durch verschiedene Maßnahmen gemindert werden:

  1. Der Alkalimetallgehalt des Zements sollte begrenzt werden . Viele Normen legen Grenzwerte für den „äquivalenten Na₂O “ -Gehalt des Zements fest.
  2. Der Gehalt an reaktivem Siliziumdioxid im Zuschlagstoff sollte begrenzt werden . Bestimmte vulkanische Gesteine ​​sind aufgrund ihres Gehalts an vulkanischem Glas ( Obsidian ) besonders anfällig für die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) und sollten daher nicht als Zuschlagstoff verwendet werden. Dies lässt sich durch die Verwendung von Calciumcarbonat- Zuschlagstoffen vermeiden. Grundsätzlich hängt der Siliziumdioxidgehalt von Kalkstein (CaCO₃ ) von dessen Reinheit ab. Einige Kieselkalke (z. B. Kieselkalk aus der Schweiz ) [ 25 ] können durch amorphes oder schlecht kristallines Siliziumdioxid verkittet sein und sehr empfindlich auf die AKR reagieren, wie auch bei einigen Tournaiser Kieselkalken beobachtet wurde, die in Steinbrüchen im Gebiet von Tournai in Belgien abgebaut werden [ 26 ] . Die Verwendung von Kalkstein als Zuschlagstoff bietet jedoch keinen absoluten Schutz vor AKR. In Kanada ist der Spratt-Kieselkalkstein in Studien zur AKR besonders bekannt und wird häufig als kanadischer AKR-Referenzzuschlagstoff verwendet.
  3. Um die übermäßige Alkalität des Zements mit Kieselsäure durch eine kontrollierte puzzolanische Reaktion im Frühstadium des Abbindens zu neutralisieren, werden sehr feine siliziumhaltige Materialien zugesetzt . Als puzzolanische Materialien eignen sich beispielsweise Puzzolan , Silicastaub , Flugasche oder Metakaolin . [ 27 ] Diese reagieren bevorzugt mit den Zementalkalien, ohne dass ein Expansionsdruck entsteht, da sich die siliziumhaltigen Mineralien in feinen Partikeln zunächst in Alkalisilikat und anschließend in Calciumsilikat umwandeln, ohne dass sich semipermeable Reaktionsränder bilden.
  4. Begrenzen Sie die Menge an externen Alkalien, die mit dem System in Kontakt kommen.

Eine schnelle Reaktion, die im Frühstadium der Betonhärtung an sehr feinen Siliciumdioxidpartikeln einsetzt, trägt langfristig dazu bei, eine langsame und verzögerte Reaktion mit größeren siliciumhaltigen Zuschlagstoffen zu unterdrücken. Nach demselben Prinzip beinhaltet die Herstellung von Zement mit niedrigem pH-Wert die Zugabe fein verteilter, kieselsäurereicher Puzzolane zur Betonmischung, um deren Alkalität zu senken. Neben der anfänglichen Senkung des pH-Werts des Betonporenwassers besteht der Hauptwirkungsmechanismus der Silicastaubzugabe im Verbrauch von Portlandit (dem Hydroxid-Reservoir (OH⁻ ) in der festen Phase) und der Verringerung der Porosität des erhärteten Zementleims durch die Bildung von Calciumsilicathydraten (CSH). Silicastaub muss jedoch sehr fein in der Betonmischung dispergiert sein, da agglomerierte Flocken aus verdichtetem Silicastaub selbst eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) auslösen können, wenn die Dispergierung unzureichend ist. Dies kann bei Laboruntersuchungen mit reinem Zementleim ohne Zuschlagstoffe der Fall sein. Durch die Anwesenheit von groben und feinen Zuschlagstoffen wird der Silicastaub während des Mischvorgangs großer Mengen Frischbeton ausreichend dispergiert.

Im Rahmen einer Studie der Federal Highway Administration wurden verschiedene Methoden an Bauwerken im Feld angewendet, die unter ASR-bedingter Ausdehnung und Rissbildung litten. Einige Methoden, wie die Anwendung von Silanen , zeigten vielversprechende Ergebnisse, insbesondere bei Bauteilen wie kleinen Säulen und Leitplanken. Die lokale Anwendung von Lithiumverbindungen erwies sich hingegen als wenig oder gar nicht erfolgversprechend bei der Reduzierung von ASR-bedingter Ausdehnung und Rissbildung. [ 28 ]

Heilbehandlung

Für von der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) betroffene Bauwerke gibt es im Allgemeinen keine kurativen Verfahren. Eine Reparatur beschädigter Bereiche ist zwar möglich, die Reaktion schreitet jedoch fort. In manchen Fällen, wenn dünne Bauteile (Wände, Platten) ausreichend getrocknet und anschließend eine wasserdichte Membran installiert werden können, lässt sich der Reaktionsverlauf verlangsamen und mitunter sogar stoppen, da das für die weitere Reaktion benötigte Wasser fehlt. Wasser spielt bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion eine dreifache Rolle: Es dient als Lösungsmittel, als Transportmedium für die gelösten Reaktionspartner und wird selbst als Reagenz verbraucht.

Beton im Inneren dicker Betonbauteile oder -konstruktionen kann jedoch nie vollständig austrocknen, da der Wassertransport im gesättigten wie ungesättigten Zustand stets durch die Diffusion in den Betonporen begrenzt ist (Wasser liegt entweder flüssig oder gasförmig vor). Die Diffusionszeit des Wassers ist somit proportional zum Quadrat seiner Transportstrecke. Daher bleibt der Wassersättigungsgrad in dicken Betonkonstruktionen oft über 80 % – ein Wert, der ausreicht, um das System ausreichend mit Wasser zu versorgen und die Alkali-Kieselsäure-Reaktion aufrechtzuerhalten.

Massive Bauwerke wie Staudämme stellen besondere Probleme dar: Sie lassen sich nicht ohne Weiteres ersetzen, und die Wasseransammlung kann Überlaufschütze oder den Betrieb von Turbinen blockieren . Durch das Einbringen von Schlitzen in das Bauwerk kann der Druck verringert und die Geometrie und Funktion wiederhergestellt werden.

Schwere Zuschlagstoffe für nuklearen Abschirmbeton

Für die nukleare Abschirmung von Beton werden üblicherweise zwei Arten von schweren Zuschlagstoffen verwendet, um Gammastrahlen effizient zu absorbieren : Baryt ( BaSO₄).4, Dichte = 4,3 – 4,5) und verschiedene Arten von Eisenoxiden , hauptsächlich Magnetit ( Fe3O4, Dichte = 5,2) und Hämatit ( Fe2O3Die Dichte beträgt 5,3 g/cm³. Grund dafür ist ihre hohe Dichte, die die Gammaabsorption begünstigt. Beide Aggregattypen müssen auf Alkali-Kieselsäure-Reaktionen (AKR) untersucht werden, da sie reaktive Siliciumdioxid-Verunreinigungen in verschiedenen Formen enthalten können. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Da im Beton der primären Schutzwand um Kernreaktoren erhöhte Temperaturen im Bereich von 50 bis 80 °C erreicht werden können, muss der Auswahl von Zuschlagstoffen und Schwerzuschlagstoffen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, um eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion zu vermeiden, die durch reaktive Kieselsäureverunreinigungen begünstigt und durch die hohen Temperaturen, denen der Beton ausgesetzt ist, beschleunigt wird.

In einigen hydrothermalen Lagerstätten tritt Baryt in Verbindung mit Kieselsäuremineralisierung auf [ 32 ] und kann auch reaktiven Cristobalit enthalten [ 33 ] [ 34 ] . Eisen (III)-oxyhydroxide, insbesondere Ferrihydrit , weisen eine starke Affinität zu gelöstem Siliciumdioxid im Wasser auf und können eine ultimative Senke für SiO₂ darstellen.2. [ 35 ]

Dies erklärt, wie sich mikrokristallines Siliciumdioxid schrittweise im mineralischen Ganggestein von Eisenoxiden anreichern kann. [ 36 ]

Gelöste Kieselsäure ( Si(OH)4) und seinem entsprechenden Silikatanion ( SiO(OH)− 3), sorbiert stark an hydratisierten Eisen(III)-oxiden (HFO) und hydratisierten Eisen(III)-oxiden Oberflächen (>Fe–OH) durch Ligandenaustausch:

(HO)3SiO−+ >Fe–OH   →   >Fe–OSi(OH)3+ OH−

Bei dieser Ligandenaustauschreaktion wird ein Silikatanion (oft auch einfacher als H geschrieben) umgesetzt.3SiO− 4) führt eine nukleophile Substitution an einer >Fe–OH-Ferrol-Oberflächengruppe von HFO durch und spaltet ein Hydroxid-Anion OH ab.−Dabei nimmt es seinen Platz an der Ferrolgruppe ein. Dieser Mechanismus erklärt die Bildung starker innerer Sphärenkomplexe von Siliciumdioxid an der Oberfläche von Eisenoxyhydroxiden und Eisenoxiden. [ 37 ] Die Oberfläche von Eisenoxiden wird zunehmend mit Siliciumdioxid bedeckt, und an der Oberfläche von Eisenoxiderzen bildet sich eine Siliciumdioxid- Gangart . Dies erklärt, warum manche Eisenerze reich an Siliciumdioxid sind und daher empfindlich auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion reagieren können. Bereits sehr geringe Mengen an reaktivem Siliciumdioxid in schweren Aggregaten reichen aus, um die Alkali-Kieselsäure-Reaktion auszulösen. Deshalb müssen schwere Aggregate vor nuklearen Anwendungen wie Strahlenschutz oder der Immobilisierung stark strahlender radioaktiver Abfälle systematisch auf Alkali-Kieselsäure-Reaktion geprüft werden .

Ein weiterer Grund zur Besorgnis hinsichtlich der möglichen beschleunigten Entwicklung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton von Kernkraftwerken ist die fortschreitende Amorphisierung des in den Zuschlagstoffen enthaltenen Siliziums, das einer hohen Neutronenfluenz ausgesetzt ist . [ 38 ] Dieser Prozess ist auch als Metamiktisierung bekannt und führt zur Bildung amorpher Bereiche in Mineralien wie uran- und thoriumreichem Zirkon , wenn deren Kristallstruktur einem intensiven internen Beschuss mit Alphateilchen ausgesetzt ist und amorph wird ( metamiktischer Zustand ).

Der Verlust der mechanischen Eigenschaften von stark neutronenbestrahlten Betonbauteilen, wie beispielsweise der biologischen Abschirmung eines Reaktors am Ende der Betriebsdauer eines Kernkraftwerks, ist voraussichtlich auf die strahlungsinduzierte Quellung der Zuschlagstoffe zurückzuführen, die zu einer Volumenausdehnung des Betons führt. [ 39 ]

Prävention des Risikos

Die einzige Möglichkeit, das Risiko der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) zu verhindern oder zu begrenzen, besteht darin, eines oder mehrere der drei Elemente im kritischen Dreieck – Reaktivität des Zuschlagstoffs, Alkaligehalt des Zements und Wasser – zu vermeiden.

  • durch Auswahl nicht reaktiver Zuschlagstoffe nach deren Prüfung gemäß einer geeigneten Standardprüfmethode (siehe nächster Abschnitt);
  • durch Verwendung eines alkaliarmen Zements (LA-Zement): mit einem maximalen Alkaligehalt, ausgedrückt in Na2OGleichung< 0,60 % der Zementmasse gemäß EN 197-1, der europäischen Norm für Zement [ 40 ] , oder durch Begrenzung des Gesamtalkaligehalts im Beton ( z. B. weniger als 3 kg Na2OGleichung/m³ Beton für einen CEM I-Zement (OPC)). Beispiel für eine Norm für Beton in Belgien: NBN EN 206 und deren nationale Ergänzung NBN B 15-001; [ 41 ] [ 42 ]
  • Durch die Begrenzung des Kontakts von Grundwasser oder Niederschlagswasser mit der Betonkonstruktion (wasserdichte Membran, Dachabdichtung, ausreichende Entwässerung usw.) lässt sich dies erreichen. Diese letzte Vorsichtsmaßnahme ist, sofern möglich, stets ratsam und mitunter sogar die einzige, die bei bereits durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) geschädigten Betonkonstruktionen anwendbar ist.

Methoden zur Prüfung der potenziellen Alkalireaktivität

ASTM International hat verschiedene standardisierte Prüfmethoden zur Untersuchung von Gesteinskörnungen auf ihre Anfälligkeit für Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) entwickelt:

  • ASTM C227: „Prüfverfahren zur Bestimmung der potenziellen Alkalireaktivität von Zement-Gesteinskörnungen (Mörtelstabverfahren)“ Runder Mörtelstabbehälter
  • ASTM C289: „Standardprüfverfahren zur Bestimmung der potenziellen Alkali-Kieselsäure-Reaktivität von Gesteinskörnungen (chemisches Verfahren)“ Alkali-Reaktionsbehälter
  • ASTM C295: "Leitfaden für die petrographische Untersuchung von Gesteinskörnungen für Beton"
  • ASTM C1260: „Prüfverfahren zur Bestimmung der potenziellen Reaktivität von Gesteinskörnungen (Mörtelstabprüfung)“. Es handelt sich um eine Schnellprüfung von Gesteinskörnungen: Mörtelstäbe werden 14 Tage lang in 1 M NaOH bei 80 °C eingetaucht. Mit diesem Verfahren lassen sich schnell hochreaktive oder quasi-nicht-reaktive Gesteinskörnungen identifizieren. Neben der erhöhten Temperatur erfordert die C1260-Methode auch die Verwendung einer großen Menge NaOH in der Lösung, in die der Mörtelstab eingetaucht wird. Dadurch steht eine große Menge an OH⁻ - Anionen zur Verfügung, die in den Mörtelstab diffundieren und das in den Gesteinskörnungen enthaltene Siliciumdioxid lösen können. Folglich ist diese Prüfung sehr streng und kann wertvolle Gesteinskörnungen ausschließen. Bei unklaren Ergebnissen muss für eine abschließende Prüfung das Langzeitprüfverfahren ASTM C1293 angewendet werden. Der Hauptvorteil der ASTM C1260-Prüfung besteht darin, dass sie die schnelle Identifizierung von Extremfällen ermöglicht: sehr unempfindliche oder sehr reaktive Gesteinskörnungen.
  • ASTM C1293: „Prüfverfahren für Betonzuschlagstoffe durch Bestimmung der Längenänderung von Beton aufgrund der Alkali-Kieselsäure-Reaktion“. Es handelt sich um einen Langzeit-Bestätigungstest (1 oder 2 Jahre) bei 38 °C in einer wassergesättigten, feuchten Atmosphäre (in einem thermostatisierten Ofen) mit Betonprismen, die die zu charakterisierenden Zuschlagstoffe enthalten. Diese werden mit einem speziell zur Auslösung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ausgewählten hochalkalischen Zement vermischt. Die Betonprismen werden nicht direkt in eine alkalische Lösung eingetaucht, sondern in feuchte Tücher gewickelt und dicht in wasserdichte Kunststofffolie verpackt.
  • ASTM C1567: "Standardprüfverfahren zur Bestimmung der potenziellen Alkali-Kieselsäure-Reaktivität von Kombinationen aus zementären Werkstoffen und Zuschlagstoffen (beschleunigtes Mörtelstabverfahren)"

Weitere Betonprismenmethoden wurden international entwickelt, um eine mögliche Alkalireaktivität von Zuschlagstoffen oder manchmal auch von erhärteten Betonkernen zu erkennen, z. B .:

  • Das Oberholster-Verfahren, auf dem der ASTM C1260-Test basiert, ist ein anspruchsvoller Kurzzeittest, bei dem das Mörtelprisma oder der Betonkern 14 Tage lang in eine 1 M NaOH-Lösung bei 80 °C eingetaucht wird. [ 43 ]
  • Das Duggan-Verfahren beginnt mit dem Eintauchen mehrerer Betonkerne in destilliertes Wasser bei 22 °C zur Rehydratation über drei Tage. Anschließend erfolgt eine eintägige Erhitzung in einem Trockenschrank bei 82 °C, gefolgt von mehreren Zyklen aus jeweils einem Tag Hydratation und einem Tag Trocknung bei 82 °C. Die Ausdehnung der Betonkerne wird bis zu 14 oder 20 Tage lang gemessen. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Es handelt sich um einen Kurzzeittest zur Bestimmung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) bzw. der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AAR), der jedoch deutlich weniger streng ist als der Oberholster-Test. Er kann auch zur Messung der Betonausdehnung aufgrund verzögerter Ettringitbildung (DEF) eingesetzt werden. Die durch die Temperaturzyklen hervorgerufenen mechanischen Spannungen erzeugen Mikrorisse in der Betonmatrix und erleichtern so den Zugang von Wasser zu den reaktiven Mineralphasen in den behandelten Proben. [ 48 ]
  • Der Beton-Mikrostabtest wurde von Grattan-Bellew et al. (2003) als universeller beschleunigter Test für die Alkali-Aggregat-Reaktion vorgeschlagen. [ 49 ]
  • CSA A23.1-14A und CSA A23.2-14A: Kanadische CSA-Standardprüfungen an Betonprismen zur Bestimmung der potenziellen Ausdehnung von Zement-/Gesteinskörnungen. [ 50 ] [ 48 ] CSA A23.2-14A ist eine Langzeitprüfung, bei der Betonprismen mindestens 365 Tage lang unter gesättigten, feuchten Bedingungen bei einer Temperatur von 38 °C gelagert werden. Sie entspricht der kanadischen Norm ASTM C1293.
  • LCPC/IFSTTAR (1997) LPC-44. Alkalireaktion in Beton. Restausdehnungsversuche an erhärtetem Beton. [ 51 ]
  • RILEM AAR-3 Betonprismenmethode (Lagerung bei 38 °C).
  • RILEM AAR-4 Betonprismenmethode (Lagerung bei 60 °C).
  • RILEM AAR-4 alternative Methode (Lagerung bei 60 °C).
  • Deutsches Betonprüfverfahren (Lagerung bei 40 °C).
  • Norwegisches Betonprismenverfahren (Lagerung bei 38 °C).

Bekannte betroffene Strukturen

Die Oberfläche einer Betonsäule des Gebäudes der National Gallery of Canada in Ottawa zeigt das typische Rissmuster der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Auffällig ist das charakteristische fettige Aussehen der gelben Kieselgelausscheidungen, die die Betonoberfläche beidseitig der Risse durchdringen.

Australien

Belgien

Kanada

Alkali-Aggregat-Reaktionen (AAR), sowohl Alkali-Kieselsäure-Reaktionen (ASR) als auch Alkali-Karbonat-Reaktionen (ACR, bei denen Dolomit beteiligt ist), wurden in Kanada seit den 1950er Jahren identifiziert. [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]

  • Viele Staudämme in Kanada sind aufgrund der weitverbreiteten Verwendung reaktiver Gesteinskörnungen von der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) betroffen. [ 71 ] Frostempfindlicher Hornstein kommt in Kanada häufig in glazial-fluvialen Ablagerungsräumen vor, aus denen üblicherweise Kies gewonnen wird. Ein weiterer Grund ist das Vorkommen von reaktiver Kieselsäure in paläozoischen Kalksteinen , wie beispielsweise dem kieselsäurehaltigen ordovizischen Kalkstein ( Bobcaygeon-Formation ) aus dem Spratt-Steinbruch bei Ottawa in Ontario . [ 72 ] Die Spratt-Kalkstein-Gesteinskörnungen (von der Firma „Spratt Sand and Gravel Limited“ ) werden in Kanada und weltweit häufig für AKR-Studien verwendet, wie Rogers et al. (2000) [ 68 ] beschrieben und auch von RILEM (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems, and Structures) empfohlen werden. [ 73 ]
  • Zahlreiche Brücken und Tiefbauwerke im Autobahnbau.
  • Autobahnkreuz Robert Bourassa – Charest (Québec-Stadt: Autobahnkreuz Autobahnen 740 – 440) wurde 2010 abgerissen. [ 4 ]
  • Kernkraftwerk Gentilly 2 .
  • Bau der Nationalgalerie von Kanada in Ottawa .
  • Mactaquac-Staudamm

Frankreich

Deutschland

  • Die Deutsche Reichsbahn der DDR ersetzte in den 1970er Jahren die vorherigen Holzschwellen durch zahlreiche Betonschwellen . Aufgrund von Alkali-Kies aus der Ostsee mussten die Schwellen jedoch früher als geplant ausgetauscht werden und blieben bis weit in die 1990er Jahre in Betrieb.
  • Nach der Wiedervereinigung wurden viele Autobahnen in Ostdeutschland mit Beton saniert, der sich als mangelhaft und von Alkali-Kieselsäure-Reaktion betroffen erwies, was teure Austauscharbeiten erforderlich machte.

Neuseeland

Vereinigtes Königreich

Vereinigte Staaten

Sambia und Simbabwe

Siehe auch

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Weiterführende Literatur