Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Alkali-Aggregat-Reaktion, Alkalireaktivität von Gesteinskörnern, AAR-Beständigkeit von Beton, Mikrobar-Prüfung, Performance-Prüfung, Prävention
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Alkali-aggregate reaction, alkali-reactivity of aggregates, susceptibility to alkali-reaction of concrete, microbar-test, performance-test, prevention
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Forschungsprogramme
(Deutsch)
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Projektphase |
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1. Jahr |
2. Jahr |
3. Jahr |
4. Jahr |
Aufwand
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P1 |
Aufarbeitung bestehende Daten, Auswahl Kiessande und Bauwerke, Probenbeschaffung |
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8 |
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P2a-c |
Laborarbeiten: Microbar, Performance, Zwischenbericht, Validierung |
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70 |
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P3 |
Auswertung Schlussbericht |
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22 |
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Aufwand [%] |
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20 |
47 |
25 |
8 |
100 |
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P1: Aufarbeitung der bestehenden Daten: Microbarwerte, Ergebnisse der Performance-Tests, petrographische Analysen, Bauwerksuntersuchungen.
Erste Auswertung und Auswahl der Kiessande und Bauwerke, Probenbeschaffung
P2a: Untersuchungen zum Microbar-Test: petrographische Analysen und Auftrennung der Kiessande; Microbar-Tests von bestimmten Gesteinsarten und Gesteinsmischungen.
P2b: Untersuchungen zum Performance-Test: Performance-Tests an nachgestellten Bauwerksbetonmischungen, mikroskopische Analysen an Prüfkörpern zur Bestimmung der reaktiven Gesteinskörner im Test. Erstellen eines Zwischenberichtes am Ende dieser Phase.
P2c: Untersuchungen zu den Bauwerksproben: Vergleich der Ergebnisse der Performance-Prüfung und dem Verhalten am Bauwerk, Vergleich der reaktiven Gesteinskörner im Bauwerk und in den Proben des Performance-Test mittels mikroskopischer Analysen. P3: Auswertung und Schlussbericht
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Der dringende Handlungsbedarf für die Vermeidung von AAR-Schäden beim Neubau wurde im Schlussbericht des AAR-Kolloquiums des ASTRA vom November 2005 herausgestrichen [1]. Auf kantonaler Ebene (VS, BE, UR) und bei der SBB wurden schon verschiedene Lösungsansätze für den Neubau ausgearbeitet. Die Normenkommission SIA 262 hat nun die Ausarbeitung von einer Richtlinie zur Vermeidung von AAR-Schäden beim Neubau in Angriff genommen.
Die bisherigen Erfahrungen mit den in der Schweiz angewendeten Prüfverfahren zur Bestimmung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen und der AAR-Beständigkeit von Betonen zeigen aber, dass diese nicht ausreichend validiert sind, um sichere Aussagen über das AAR-Risiko, bzw. notwendige Massnahmen beim Neubau zu machen [2, 3].
Mit dem vorliegenden Projekt soll
- die Relevanz der aktuell verwendeten Prüfungen für eine gesicherte Aussage über das effektive Verhalten der Gesteinskörnungen und Betone im Bauwerk untersucht werden;
- die Gültigkeit der bestehenden Grenzwerte mittels Validierungen am Bauwerk überprüft werden;
- die Grundlagen für die Korrelation der verschiedenen Prüfverfahren geschaffen werden. Dazu werden mittels Testreihen im Labor und vergleichenden Untersuchungen an ausgewählten Bauwerken aus verschiedenen Regionen der Schweiz die Reaktivität von Schweizer Gesteinskörnern und das Verhalten von Betonen gegenüber AAR untersucht werden. Die Untersuchungen stützen sich auch auf schon vorhandene Daten (eigene Ergebnisse der Forschungsstelle, sowie weitere publizierte Schweizer Daten [3-5]), um möglichst breit abgestützte, allgemeingültige Erkenntnisse zu erarbeiten, die in Richtlinien aufgenommen werden können.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The urgent need for the prevention of ASR damages for new constructions has been outlined in the final report of the ASR-Colloquium of the ASTRA in November 2005 [1]. Methods of resolution for the new constructions have been developed by different cantons (VS, BE, UR) and the SBB. The committee SIA 262 has now gone about the elaboration of a guideline for the ASR prevention.
The present experiences with the test methods used in Switzerland for the determination of the alkali-reactivity of the aggregates and the ASR-resistance of concretes evidence the lack of a sufficient validation of these test methods. Therefore it is not possible to make safe statements about the ASR-risk, respectively the need of preventive measures [2, 3].
The present project aims at
- examining the relevance of the actual test methods for save statements on the effective reactivity of aggregates and concrete performance in real structures;
- examining the validity of actual limit values by means of comparison with real structures;
- creating the basics for the correlation of the different test methods. The reactivity of the Swiss aggregates and the concrete ASR performance are investigated with laboratory test series and comparative studies of concrete structures selected from different regions in Switzerland. The investigations are also based on available data ( own results of the research group and other published Swiss data [3-5], to elaborate wide supported, general findings, which are able to enter in guidelines.
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Ausgangslage:
In der Schweiz werden vor allem folgende Prüfverfahren eingesetzt:
a) für die Beurteilung der Alkalireaktivität der Schweizer Gesteinskörnungen:
· Petrographische Analyse zur Beurteilung der Reaktivität der Gesteinskörnungen (wird von der
Norm SN 670 115 nicht abgedeckt).
· Microbar-Prüfung (chemisch-physikalische Prüfung gemäss Norm AFNOR P18-588)
b) für die Beurteilung der AAR-Beständigkeit von Betonen:
· Performance-Test (Auslagerungsversuch gemäss Norm AFNOR P 18-454).
Die Erfahrungen mit diesen Prüfungen sind im Moment nur teilweise überschaubar und widersprüchlich (siehe Ausführungen im Anhang). Die angewendeten Grenzwerte des Performance-Test und des Microbar-Test beruhen auf französischen Empfehlungen. Eine Validierung der Grenzwerte anhand von Bauwerksuntersuchungen wurde bisher nicht publiziert, um ihre Gültigkeit für Schweizer Gesteine zu überprüfen.
Projektziele:
Ziel des Projektes ist die Beantwortung von folgenden Fragestellungen:
- Grenzen der Anwendbarkeit der Microbarpüfung auf Schweizer Gesteine: welche Gesteinsarten sind reaktiv? Widerspiegeln die Microbarwerte die effektiven Reaktivitäten der Gesteinskörnungen im Beton?
- Festlegung eines schweizerischen Grenzwertes der Microbarpüfung: ist der bestehende französische Grenzwerte den Schweizer Verhältnissen (allgemein langsam reagierende Gesteinskörnungen, übliche Lebensdauer der Bauwerke) angepasst?
- Korrelation der Microbarwerte mit den Ergebnissen der Performance-Tests: warum kann aufgrund des Microbarwertes die notwendige Betonmodifikation zur Unterdrückung der AAR nicht abgeleitet werden? Kann der Einbezug der petrographischen Zusammensetzung der Gesteinkörnung zu einer verwendbaren Interpretation des Microbarwertes führen?
- Validierung am Bauwerk des Grenzwertes für den Performance-Test: bestätigt der Vergleich mit den Feldbeobachtungen den französischen Grenzwert?
- Vorgaben für die petrographische Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen: wie können anhand der petrographischen Analyse alkalireaktive Gesteinskörnungen richtig erkannt werden? Welche Ergänzungen zur Norm VSS 670 115 sind notwendig?
Vorgehen:
Anhand von Bauwerksbetonen mit AAR und Rückstellproben von Performance-Tests werden die reaktiven Gesteinsarten bestimmt, denn in einem Kiessandgemisch tragen nicht alle Gesteinsarten gleichermassen zur Alkalireaktivität bei. Die Ergebnisse werden mit Microbarwerten von einzelnen Gesteinsarten verglichen. Daraus kann abgeleitet werden, welche Gesteinsarten den Microbarwert beeinflussen und welche Gesteinsarten zu den widersprüchlichen Ergebnissen im Labor und am Bauwerk führen. Zudem wird eine petrographische Beschreibung von Schweizer Gesteinskörnungen, die sich in Bauwerksbetonen reaktiv verhalten, generiert. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Microbar-Tests bei den Schweizer Gesteinskörnungen können damit ausgelotet werden. Anhand des Vergleiches mit Bauwerksbetonen wird der bestehende Microbar-Grenzwert überprüft.
In einem zweiten Schritt wird die Korrelation zwischen Microbarwerten und Performance-Test untersucht und allfällige regionalgeologische und petrographische Zusammenhänge überprüft. Damit soll abgeklärt werden, inwiefern die Microbarpüfung nicht nur eingesetzt werden kann, um zwischen nichtreaktiven und reaktiven Gesteinskörnungen zu unterscheiden, sondern auch um aus der Höhe des Microbarwertes das Verhalten im Beton ableiten zu können.
Am Ende der Auswertung der Laborprüfungen wird ein Zwischenbericht zu diesem Teil des Forschungsprojektes erstellt.
Die Ergebnisse der Performance-Tests werden mit den Feldbeobachtungen [2-5] und Ergebnissen von Bauwerksuntersuchungen verglichen. Die Übertragbarkeit des Performance-Tests auf das Verhalten der Betone im Bauwerk wird untersucht. Daraus lässt sich ein Grenzwert für den Performance-Test ableiten, der auf Bauwerksbeobachtungen beruht. Im Rahmen des Projektes sollen möglichst alle Regionen der Schweiz berücksichtigt werden. Diese regionalgeologische Notwendigkeit führt zu einer Multiplikation des insgesamt grossen Laboraufwandes, der sich auch aus den vielfältigen Fragestellungen ergibt (siehe Ausführungen im Anhang). Die Untersuchungen stützen sich deshalb so weit wie möglich auf die schon vorhandenen Daten und das Rückstelllager der Forschungsstelle. Publizierte Schweizer Daten [3-5] werden ebenfalls mit einbezogen. Dadurch können sehr viele Daten mit dem geringstmöglichen Aufwand verwendet werden. Ergänzende Prüfungen zur Schliessung bestehender Lücken in den Datensätzen und zur Beantwortung spezieller Fragestellungen sind vorgesehen.
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Methoden
(Deutsch)
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Laborprüfungen: Petrographische Analysen, chemische und physikalische Prüfungen, mikroskopische Analysen (optisch und elektronisch). Bauwerksuntersuchungen: Erfassung von AAR-Schäden –Korrelation mit Laborprüfungen
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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Für den Performance-Test und den Mikrobar-Test sind spezielle Laboreinrichtungen notwendig (Reaktoren, Autoklaven, Längenmessgeräte, Geräte zur Probenherstellung usw.). Die Einrichtungen und Prüfmittel sind im Labor der TFB vorhanden und werden im Rahmen der Akkreditierung der genannten Prüfungen kalibriert und unterhalten. An der EMPA steht die Elektronenmikroskopie zur Verfügung
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Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
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Reaktivität von Gesteinskörnungen:
Im Moment werden weltweit verschiedene Normprüfungen routinemässig angewendet (z.B. ASTM, CSA, AFNOR), wobei der amerikanische Langzeitversuch als allgemein sicheres Verfahren für die Bestimmung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen anerkannt ist. Wegen der langen Versuchsdauer von 1 Jahr (häufig verlängert auf 2 Jahre) sind in den letzten Jahren Bestrebungen im Gange schnellere Prüfverfahren einzusetzen [6,7,8]. Es gibt mittelschnelle Prüfverfahren (Prüfdauer 1 Monat) und ultraschnelle Verfahren (Prüfdauer ein paar Tage). Der in der Schweiz angewandte Microbar-Test gehört zu letzteren. Neueste Untersuchungen zu diesen ultraschnellen Verfahren zeigen aber, dass durch die extremen Versuchsbedingungen auch Reaktionen hervorgerufen werden können, die im Beton unter normalen Umständen gar nicht stattfinden [6,9]. Französische Erfahrungen mit den mittel- und ultraschnellen Prüfverfahren zeigen auch, dass sie nicht für alle Gesteinsarten anwendbar sind [AFNOR P 18-542]. Untersuchungen in Deutschland an Grauwacken [10] und in Belgien an Kalksteinen [11] verdeutlichen wie die Reaktivität von Variationen in der chemischen Gesteinszusammensetzung und Kornstruktur beeinflusst wird. Diese Arbeiten bieten Erklärungsansätze für das widersprüchliche Verhalten der Schweizer Mittellandkiese, die nebst anderen Einflüssen abzuklären sind.
AAR-Beständigkeit von Betonen:
Der Performance-Test nach AFNOR ist ein Normverfahren zur Überprüfung der AAR-Beständigkeit einer gegebenen Betonmischung. Da ein grosser Bedarf an einer solchen Prüfung besteht, sind in verschiedenen Ländern (USA, Kanada, Deutschland) Bestrebungen im Gange das Verfahren mit Langzeit-Feldversuchen und Bauwerksuntersuchungen zu validieren [12,13]. Im Moment ist der Performance-Test für Schweizer Betone nicht validiert.
Arbeiten der Forschungsstelle:
Die TFB hat in den neunziger Jahren als erstes Schweizer Labor Prüfungen der Alkalireaktivität an Gesteinskörnungen und Betonen eingeführt. Sie verfügt über die notwendige Laborinfrastruktur und Verfahrensbeherrschung dank langjähriger Erfahrung und Akkreditierung der Prüfverfahren. Die Microbarpüfung wurde 1998 im Rahmen eines Forschungsprojektes für das BWW teilweise validiert [5]. Die Beziehung zwischen Microbarwerten und der petrographischen Zusammensetzung von Gesteinskörnungen wurde anhand eines internen Forschungsprojektes untersucht. Die TFB führt eine Datenbank mit den Prüfergebnissen der Microbar-Tests und Performance-Tests, die mehrere hundert Prüfungen enthält. Die TFB ist Mitglied der RILEM Arbeitsgruppe TC ARP 106, welche die Ausarbeitung und Validierung von Prüfmethoden im Bereich AAR zur Aufgabe hat. Die TFB hat auch an den AAR 4 und AAR 5 Ringversuchen des RILEM teilgenommen und an deren Auswertung mitgewirkt [14]. In den letzten Jahren hatte die TFB Gelegenheit zahlreiche Bauwerke mit AAR-Schäden zu untersuchen [2]. Das vorhandene Probenmaterial und die Untersuchungsergebnisse können unter dem Aspekt der Validierung der Laborprüfungen für den Neubau neu ausgewertet werden. Die elektronenmikroskopischen Analysen werden von der EMPA übernommen, welche sich bereits an zahlreichen AAR-geschädigte Betonbauten mit der Identifikation reaktiver Mineralien in Gesteinskörnungen auseinandergesetzt hat [4,15]. Die petrographischen Analysen der Kiessande werden zwischen den beiden Labors aufgeteilt, zwecks Austausch der bisherigen Erfahrungen und Konsensfindung bei der petrographischen Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen.
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Projektziele
(Deutsch)
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1. Überprüfung der Anwendbarkeit der Microbarpüfung auf Schweizer Gesteine
2. Festlegung eines schweizerischen Grenzwertes der Microbarpüfung
3. Korrelation der Microbarwerte mit den Ergebnissen der Performance-Tests
4. Validierung am Bauwerk des Grenzwertes für den Performance-Test basierend auf der Korrelation mit Bauwerksbetonen Vorgaben für die petrographische Beurteilung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen gemäss VSS 670 115
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Projektziele
(Englisch)
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1. Verification of the practicability of the Microbar-test for Swiss aggregates.
2. Definition of a Swiss limit value for the Microbar-test.
3. Correlation of the Microbar-test values with the results of the Performance-tests.
4. Validation of the limit value of the Performance-test based on the comparison with concrete performance in real structures Guidelines for the petrographical evaluation of the reactivity of granulates after VSS 670 115
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die Untersuchungsergebnisse bilden eine Grundlage für die Ausarbeitung von Richtlinien und Empfehlungen zur Vermeidung von AAR-Schäden beim Neubau. Die Untersuchungen liefern bisher fehlende Ergänzungen zur Norm VSS 670 115
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Berichtsnummer
(Deutsch)
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648
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Literatur
(Deutsch)
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AFNOR P 18-454
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Norme AFNOR P 18-454 (2005) : Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction. Essai de performance
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AFNOR P 18-588
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Norme AFNOR P 18-588 (1991): Stabilité dimensionnelle en milieu alcalin. Essai accéléré sur mortier Microbar.
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AFNOR P 18-542
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Norme AFNOR P 18-452 (1994) : Critères de qualification des granulats vis-à-vis de l’alcali-réaction.
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AFNOR FD P
18-456
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Fascicule de documentation AFNOR FD P 18-456 (2004) : Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction. Critères d’interprétation des résultats de l’essai de performance
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ASTM C 1293-01
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ASTM C 1293-01 : Standard Test method for Determination of length change of concrete due to Alkali-Silica-Reaction
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CSA A23.1-00/
CSA A23.2-00
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Kanadische Norm A23.1-00/A23.2-00: Concrete Materials and Methods of concrete construction/methods of test for concrete.
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CSA A23.2-27A
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Kanadische Norm A23.2-27A: Standard Practice to Identify Degree of Alkali-Reactivity of Aggregates and to Identify Measures to Avoid Deleterious Expansion in Concrete
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SN EN 670 115
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Norm SN EN 670 115 (2005):Quantitative Petrographie und Mineralogie von Gesteinskörnungen
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[1]
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Paul Wüst (2006): Alkali-Aggregat-Reaktion in Beton – Wie weiter? Handlungs- und Forschungsbedarf, Kolloquium des ASTRA vom 16. Nov. 2005, Schlussfolgerungen, Handlungs- und Forschungsbedarf, , 31. Mai 2006.
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[2]
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Merz, Ch., Griesser A., Hunkeler F. (2006): Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion an Betonbauten in der Schweiz. ASTRA Forschungsprojekt AGB 2000/471, Bericht VSS
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[3]
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Frenzer G., Hammerschlag J.G., Henoch Th. at al. (2005): Alkali-Aggregat-Reaktion in der Schweiz. Herausgeber: cemsuisse: pp.55
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[4]
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Leemann, A., Thalmann, C., et al. (2004): AAR in Underground Structures of Switzerland – A Survey. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 1071-1077
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[5]
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Forschungsauftrag BWW 804.3180.002, Nr. EPA 217.596: Caractérisation des réactions alcalis-granulats dans des bétons de barrages suisses incorporant des granulats de roches métamorphiques alpines. J-G. Hammerschlag und S. Cuchet, Bericht TFB Nr. 938316/968001, 3.7.98
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|
[6]
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Du-you, L., Fournier, B., et al. (2004): A Comparative Study on Accelerated Test Methods for Determining Alkali-Silica Reactivity of Concrete Aggregates. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 377-385
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|
[7]
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Fournier, B., Chevrier, R., et al. (2004): The Accelerated Concrete Prism Test (60°C): Variability of the Test Method and Proposed Expansion Limits. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 314-323
|
|
[8]
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Grattan-Bellew, P.E., Du-you, L., et al. (2004): Comparison of Expansions in the Concrete Prism and Concrete Microbar Tests of an Assorted Suite of Aggregates from Several Countries. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers.
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|
[9]
|
Grattan-Bellew, P.E., Du-you, L., et al. (2004): Mass Change, Petrography and Damage Ratings of Bars at the Completion of the Concrete Microbar Test. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers.
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|
[10]
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Hünger, K.-J., Hill, S., et al. (2004): The Self-Inhibition Mechanism of Certain Greywackes. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 125-134
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|
[11]
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Lorenzi, G., Guédon-Dubied S., Antenucci, D. (2001): The status of the reactive silica in the limestones susceptible to the Alkali-silica reaction (ASR): contribution of petrographic and SEM techniques. Proceedings of the 8th Euroseminar on microscopy applied to the building material: 205-212.
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|
[12]
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Bokern, J. and Siebel, E. (2004): Alkali-Silica Reaction in Germany - Transfer from Laboratory Results to Practice. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 490-498
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|
[13]
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Fournier B., Nkinamubanzi P.-C., Chévrier R. (2004): Comparative field and laboratory investigations on the use of supplementary cementing materials to control alkali-silica reaction in concrete. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 528-537
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[14]
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Sommer, H., Grattan-Bellew, P.E., Katayama T., Tang M. (2004): Development and Inter-Laboratory Trial of the RILEM AAR-5 Rapid Preliminary Screening Test for Carbonate Aggregates. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 407-412.
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[15]
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Leemann A., Holzer L. (2005): Alkali-aggregate reaction - identifying reactive silicates in complex aggregates by ESEM observation of dissolution features, Cement and Concrete Composites 27: 796 - 801.
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