Bauhaus-Universität Weimar – Fakultät Bauingenieurwesen – F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde – Coudraystr. 11 – 99412 Weimar – Tag der Prüfung: 04.12.08 – Gutachter: – 1. Prof. Dr.-Ing. habil. J. Stark – 2. Priv.-Doz. Dr. rer. nat., Dr.-Ing. habil. K.-J. Hünger – 3. Prof. Dr.-Ing. H.-W. Reinhardt – Um den Ablauf und Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) besser beschreiben zu können, sollte das Quellverhalten von künstlich erzeugten Alkali-Kieselsäure-Gelen bestimmt werden. Dabei stellen sich folgende Fragen: Welcher Vorgang zerstört die Gesteinskörner bzw. das Betongefüge? Können Quellspannungen durch Wasseraufnahme die Schadensursache sein? Hat in den Gelen enthaltenes Calcium einen entscheidenden Einfluss auf deren Quellvermögen? Welche Druckspannungen werden bei der Reaktion im Gefüge erreicht? Welche Druckspannungen sind nötig, um das Betongefüge aufzureißen? – Es wird in dieser Arbeit ein Überblick über den Stand des Wissens zum Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion gegeben und verschiedene Modellvorstellungen werden erläutert. Untersuchungen zur Zusammensetzung und Struktur der Reaktionsprodukte einer AKR an Mörtel- und Betonprüfkörpern werden vorgestellt, um die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen zu verifizieren. – Mit der in dieser Arbeit vorgestellten Versuchsapparatur ist es möglich, das Quellverhalten von synthetischen Alkali-Kieselsäure-Gelen zu bestimmen. Es kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Gele deren Quellpotenzial beschrieben werden. Dazu wurde eine stetige Flüssigkeitszufuhr über einen saugenden Zementstein realisiert. Die Apparatur kann sowohl für die Bestimmung einer Volumenänderung als auch einer Quelldruckentwicklung eingesetzt werden. Die durchgeführten Messungen erfolgten an synthetischen Alkali-Kieselsäure-Gelen, an handelsüblichen Wassergläsern und, dem natürlichen Vorbild folgend, an Lösungsversuchen mit verschiedenen Kieselsäurelieferanten. – In Vorversuchen wurde festgestellt, dass die aussagekräftigsten Ergebnisse bei den Versuchen mit künstlich hergestellten Gelen erreicht werden. An diesen Proben erfolgten die Messungen zur Bestimmung der Quelldruckentwicklung in Abhängigkeit von der Versuchsdauer. – Es zeigte sich, dass hohe Alkaligehalte bei einer niedrigen Löslichkeit (durch geringe Mengen Calcium in der Probe hervorgerufen) hohe Quelldrücke erzeugen. – Ein Einfluss des Natrium-Kalium-Verhältnisses auf das Quellverhalten ist nicht zu erkennen. – Der Einfluss des Calciums im Gel zeichnet sich deutlich ab. Ohne Calcium bauen die Proben keine Quelldrücke auf, bei zu hohen Calciumgehalten entstehen nicht quellfähige Alkali-Calcium-Silikat-Hydrate. Ein quellfähiger Bereich kann von ca. 5 % bis zu ca. 30 % Calciumanteil im Gel angegeben werden. – Neben dem Einfluss des Calciumgehalts auf das Quellverhalten der Gele ist auch ein Einfluss des Verhältnisses von Alkalien zu Kiesel-säure in den Proben nachweisbar. Wird dieses Verhältnis in den Proben stark Richtung Kieselsäure verschoben, d.h. niedrige Alkalianteile im Gel, kommt es zu keinen Quellerscheinungen. Somit kann die Wirkung von AKR-vermeidenden Zusätzen (Flugasche, Silikastaub usw. siehe Abschn. 3.1) mit diesen Messungen bestätigt werden. – Aus diesen Erkenntnissen wird ein Bereich einer quellfähigen Zusammensetzung eines Gels angegeben. – In einem weiteren Teil dieser Arbeit werden Versuche zur Bestimmung des benötigten Geldrucks zur Zerstörung von Gesteinskörnern und der Mörtelmatrix vorgestellt. Die dabei ermittelten Daten und Erkenntnisse fügen sich gut in die entwickelte Theorie der Quelldruckent-wicklung der synthetischen Alkali-Kieselsäure-Gele ein. Es kann gezeigt werden, dass die Drücke bzw. die sich aufbauenden Zug-spannungen für die Zerstörung eines Gesteinskorns oder der Matrix durch ein quellfähiges Gel erzeugt werden können. – Eine letzte Versuchreihe zeigt Einflüsse auf die Kinetik einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Es werden der Einbau des Calciums in ein Wasserglas und die Löslichkeit der Kieselsäure aus den Gesteinskörnungen unter hohen pH-Werten untersucht. Besonders wird hierbei auf die Reaktionsgeschwindigkeiten geachtet. Es zeigt sich, dass der Calciumeinbau sehr schnell erfolgen kann, hingegen die Lösung der Kiesel-säure aus den verschiedenen Gesteinen einen sehr langsamen Prozess darstellt. – Mit den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: – #Ein Quelldruck kann in einem Alkali-Kieselsäure-Gel nur bei einer bestimmten Menge an eingebautem Calcium aufgebaut werden. – #Diese Quelldrücke können Werte deutlich über 10 N/mm² erreichen. – #Die im Beton verwendeten Gesteinskörnungen und auch die sie umschließende Mörtelmatrix können mit Quelldrücken in den hier be-stimmten Größenordnungen zerstört werden. – #Die im Abschnitt 3 dieser Arbeit vorgestellten Modelle zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion müssen um den Einbau des Calciums in ein entstandenes Alkali-Kieselsäure-Gel erweitert werden. – Kontakt: – Dr.-Ing. Thomas Mansfeld – Tel.: 03644/555538 – Email: thomas.mansfeld@mfpa.de –