Alkali-Aggregat-Reaktion - Erfassung und Prognose von Schäden

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2005/023
• Projekttitel Englisch: Alkali-aggregate-reaction - survey and prognosis of damages

Schlüsselwörter (Deutsch)

Alkali-Aggregat-Reaktion, Beton-Bauwerk, Schadenausmass, Restquellmass, Prognose

Schlüsselwörter (Englisch)

alkali-aggregate-reaction, concrete structure, extent of damage, residual core expansion, prognosis

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Es werden fünf Bauwerke aus verschiedenen Regionen der Schweiz ausgewählt. Als erstes wird das Schadensausmass systematisch erfasst. Dies beinhaltet eine visuelle Beurteilung am Bauwerk sowie eine vertiefte Charakterisierung der vorliegenden Eigenschaften des Betons und der Gesteinskörnung im Labor. In einem weiteren Schritt wird an Bohrkernen aus dem Bauwerk das Restquellmass bestimmt. Diese Untersuchungen werden bei jedem Bauwerk an einem stark und einem schwach geschädigten Bereich vorgenommen. Bei der Auswertung der Untersuchungsergebnisse wird versucht, die Auswirkung der Expansion auf die Betoneigenschaften abzuschätzen und über das Restquellmass unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen Hinweise auf das noch vorhandene Expansions- und Schadenspotentials des Bauwerkbetons zu geben. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen werden zwei Empfehlungen ausgearbeitet, die sich einerseits auf das Vorgehen bei der Schadenserfassung und andererseits auf die Bestimmung und Auswertung des Restquellmasses am Bauwerksbeton beziehen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Five structures covering the different regions of Switzerland are selected. First, the state of damage is analysed systematically. This includes a visual assessment and a characterization of the concrete properties in the laboratory. Furthermore, the residual expansion of concrete cores is measured. These investigations always include an area of the structure with low and a high degree of damage respectively. The effect of expansion on the concrete properties is assessed by bringing together all results. Moreover, the residual core expansion should permit to assess the remaining potential for expansion and damage present in the structure. Based on the gained findings two recommendations are prepared; one covers the steps necessary to characterize the state of damage in structures affected by AAR and the other covers the determination of residual core expansion and its analysis

Projektbeschreibung (Deutsch)

Aufgabenanalyse:

Nachdem sich die AAR als ein ernstzunehmender Schadensmechanismus in der Schweiz bestätigt hat, wurden im Rahmen eines cemsuisse-Projekts [1] und des ASTRA-Projekts AGB 2001/471 [2] erste Grundlagen bezüglich Prävention respektive Inventar betroffener Bauwerke erarbeitet. Seitens des ASTRA hat die AGB in den Schlussfolgerungen ihres AAR-Kolloquiums vom November 2005 den Handlungs- und Forschungsbedarf aus ihrer Sicht definiert. Dabei wurde die zentrale Bedeutung der Prognose der Schadensentwicklung von geschädigten Bauwerken herausgestrichen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich ein AAR-Schaden entwickelt, ist variabel. Ungefähr 10-20% der geschädigten Bauwerke in der Schweiz zeigen eine schnelle Schadensentwicklung, während der grössere Teil der Bauwerke einer eher langsam fortschreitenden AAR unterworfen ist [2]. Die Gründe für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Schadensentwicklung sind nicht offensichtlich und mehrere wichtige Einflussgrössen (Betonqualität, Gesteinskörnung, Exposition Bauteil, Bewehrung usw.) sind in Betracht zu ziehen. Auch das Ausmass der angetroffenen Schäden in der Schweiz ist variabel [2], ohne dass die Gründe hierfür offensichtlich sind. Es fehlen die Kenntnisse, um das Schadenausmass mit dem Stadium der Reaktion (Latenzphase, beginnende Ausdehnung, abklingende Ausdehnung, maximale Ausdehnungsraten, abgeschlossene Reaktion) in Verbindung zu bringen.

Anhand des beantragten Projektes sollen diese vorhandenen Wissenslücken gefüllt werden. Dabei wird das Vorgehen bei den Bauwerksuntersuchungen als auch die Auswahl der verwendeten Labormethoden aus dem aktuellen internationalen Stand des Wissens abgeleitet. Insbesondere werden die bisherigen Erfahrungen aus Frankreich und Kanada berücksichtigt.

Es werden die folgenden Projektziele verfolgt:

- Definition praktischer Kriterien zur Identifikation von AAR-Schäden und zur Beurteilung des vorhandenen Schadenausmasses des Bauwerkbetons infolge AAR. Erarbeiten einer Empfehlung für das Vorgehen bei der Zustandsuntersuchung von AAR-geschädigten Bauwerken.

- Zusammenhang zwischen der potentiellen Reaktivität der Gesteinskörnung und der tatsächlichen Schadensentwicklung im Bauwerk.

- Überprüfung der Anwendbarkeit des Restquellmasses zur Bestimmung und Beurteilung des verbleibenden Ausdehnungspotentials von alkalireaktiven Bauwerksbetonen. Empfehlung für die Anwendung dieser Methode und die Auswertung der Resultate.

Arbeitsprogramm:

Aufgrund der bestehenden Kenntnisse über die Reaktivität der Schweizer Gesteinskörnungen und die regionale Verteilung der geschädigten Bauwerke in der Schweiz werden fünf Objekte ausgesucht, die eine geeignete Bandbreite von verschiedenen Schädigungsgraden und klar definierte Expositionsbedingungen aufweisen. Anhand der visuellen Schadensbeurteilung werden verschiedene Schädigungsgrade unterschieden und vertieft über eine Kombination von Methoden charakterisiert (physikalische, chemische und mikrostrukturelle Charakterisierung des Betons). Eine wichtige Rolle spielt dabei auch die Bestimmung der potentiellen Reaktivität der Gesteinskörnung. Des Weiteren wird die Bedeutung der erfassten Schäden für die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks beurteilt. Nach dieser Projektphase (s. Forschungsplan) wird ein Zwischenbericht erstellt.

Bauwerksproben werden so ausgelagert, dass die AAR beschleunigt wird und das so genannte Restquellmass gemessen werden kann. Das Restquellmass von Proben aus ungeschädigten sowie geschädigten Bereichen wird bestimmt und mit der bisher erreichten „natürlichen“ Ausdehnung am Bauwerk (über Rissbreitenmessungen bestimmt) verglichen. Die Aussagekraft des Versuches wird kontrolliert, indem die im Labor künstlich erzeugten und am Bauwerk natürlich auftretenden Reaktivitäten der Gesteinskörner verglichen werden. Zudem werden die mit der beschleunigten Ausdehnung verbundenen Änderungen der Betoneigenschaften mit denjenigen an geschädigten Teilen des Bauwerkes verglichen. Das zentrale Bindeglied zwischen der potentiellen Reaktivität der Gesteinskörnung, der tatsächlichen Schädigung am Bauwerk und dem Restquellmass ist die Identifikation der reaktiven Mineralien, die mittels Elektronenmikroskopie vorgenommen wird. Aus den Untersuchungsresultaten (Betonqualität, potentielle Reaktivität der Gesteinskörnung, Schädigungsgrad, Restquellmass) und Bauwerksinformationen (Feuchtigkeit, Exposition, Bewehrungsgrad, Alter) werden einerseits die geeigneten Kriterien zur Bestimmung des Schadenausmasses des Betons infolge AAR und andererseits das Vorgehen bei der Beurteilung des verbleibenden Ausdehnungspotentials des Betons erarbeitet. Die Erkenntnisse werden in Form von zwei Empfehlungen aufbereitet.

Methoden (Deutsch)

Physikalische Prüfungen: Druckfestigkeit, E-Modul, Spaltzugfestigkeit, Porosität

Chemische Prüfungen: Alkaligehalt und Zementgehalt des Betons

Mikroskopie: Licht- und Elektronenmikroskopie

AAR-Prüfung: Restquellmass in Anlehnung an LCPC 44

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Bei der Alkali-Aggregat-Problematik spielt sowohl bei der Zustandsuntersuchung als auch bei der Interpretation des Restquellmasses die Identifizierung der reaktiven Gesteinskörner und Mineralien eine zentrale Rolle. Dies wird durch die an der Empa vorhandene Infrastruktur im Bereich der Licht- und Elektronenmikroskopie abgedeckt.

Zur Bestimmung des Restquellmasses des Bauwerksbetons sind neben speziellen Reaktoren auch umfangreiche Erfahrungen im Umgang mit der Methode notwendig. Infrastruktur und entsprechende Erfahrungen sind an der TFB vorhanden.

Des weiteren Verfügen beide Institute über eine ausgezeichnete Infrastruktur und erfahrene Mitarbeiter, auf die in diesem Projekt zurückgegriffen werden kann

Stand der eigenen Forschung (Deutsch)

Das Schadenausmass durch AAR an Bauwerken kann mit verschiedenen Methoden quantifiziert werden [z. Bsp. 3-6], über die makroskopische Bestimmung der Rissbreiten an der Oberfläche des Bauwerksbetons, über das Erfassen von mikroskopischen Gefügeschäden oder Rissbildern, über die Abschätzung des Verlustes an Druck- und/oder Zugfestigkeit oder aber über die Menge des reagierten Quarzes. Systematische Anwendungen, die verschiedenen Ansätze kombinieren und damit ein besseres Gesamtbild sowie eine Abschätzung der Aussagekraft einzelner Methoden erlauben würden, sind bisher nicht vorhanden.

Die Entwicklung der AAR kann über Langzeitmonitoring der geschädigten Bauwerke überwacht werden. Die Erfahrung zeigt, dass solche Überwachungen über Jahre bis Jahrzehnte angelegt werden müssen, um echte Ausdehnungstendenzen erkennen zu können [7-13]. Sie sind deshalb sehr kostspielig und zeitaufwendig. Vom planerischen Standpunkt her sind beschleunigte Laborprüfungen interessanter. Sie sind aber vom methodischen Ansatz, der Durchführung und der Interpretation her sehr anspruchsvoll; die Simulation der Bauwerksbedingungen soll so realitätsnah wie möglich sein und trotzdem eine Beschleunigung der Ausdehnungsrate bewirken, ohne dass dies auf Kosten des Endquellmasses geschieht. Die Möglichkeiten einer Prognose der Schadensentwicklung am Bauwerk anhand des so genannten Restquellmasses mittels Laborversuche wurden verschiedentlich angewandt [14-16]. Aufgrund der Ergebnisse werden heute verschiedene Verfahren empfohlen, die sich vorab bei der Auswertung unterscheiden. Gemeinsam sind die möglichst schonenden Lagerungsbedingungen, die sich von den AAR-Prüfungen für jungen Beton im Hinblick auf die Prävention von Schäden bei Neubauten unterscheiden (z.B. Beton-Performance-Test nach AFNOR 18-454). In Frankreich wurde ein Prüfverfahren vom LCPC publiziert und ist Bestandteil des Leitfadens des LCPC für die Untersuchung und Überwachung von AAR-geschädigten Bauwerken [17]. Dieses Verfahren, wie auch die Empfehlungen in [18] entsprechen dem heutigen Stand der Kenntnisse und bilden eine gute Grundlage für die Bestimmungen des Restquellmasses im Labor.

Bei einzelnen der erwähnten Methoden sind bezüglich Anwendung und Aussagekraft international sehr unterschiedliche praktische Erfahrungen gemacht worden. Im Moment fehlt einerseits bei der Bestimmung des Schadenausmasses eine Kombination verschiedener Ansätze und andererseits fehlt eine allgemein gültige Grundlage für die Auswertung des Restquellmasses. Eine grosse Rolle spielen dabei auch die jeweiligen nationalen Verhältnisse in Bezug auf das Klima (Exposition), die Bauweise, die Betonzusammensetzung und vor allem die Reaktivität der verwendeten Gesteinskörnung. Bei letzterem Punkt ist es unerlässlich, dass die spezifischen Eigenschaften der Gesteinskörnung respektive ihre Stabilität (Thermodynamik und Kinetik) im Bauwerk sowie bei den beschleunigten Prüfverfahren berücksichtigt werden. Ein Forschungsprojekt, das sich mit der Erfassung von Schäden durch AAR und der Prognose des weiteren Schadensverlaufs unter Berücksichtigung der spezifischen Schweizer Verhältnisse beschäftigt ist sinnvoll und notwendig.

Eigene Arbeiten der Forschungsstellen:

Die Empa hat zahlreiche AAR-geschädigte Betonbauten untersucht [z. Bsp. 19]. Neben physikalischen Prüfungen wurden Analysen des geschädigten Betongefüges mittels Licht- und Elektronenmikroskopie durchgeführt, um den Grad der Schädigung erfassen zu können. Im Bereich der Forschung hat sich die Empa mit der Schadenerfassung, der Identifikation reaktiver Mineralien in Gesteinskörnungen sowie dem Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Porenlösung im Beton und dessen Expansion auseinandergesetzt [19-23].

Praktische Lösungen zur Abschätzung des Schadenausmasses und des Reaktionsstadiums konnten im Rahmen von Bauwerksuntersuchungen teilweise erarbeitet werden. Die dazu notwendigen Prüfmethoden sind im Labor TFB verfügbar und teilweise akkreditiert. Die TFB hat seit den neunziger Jahren regelmässig Zustandsuntersuchungen an zahl­reichen AAR-geschädigten Bauwerken durchgeführt. Im Rahmen von bauwerksübergreifenden Untersuchungen oder aber auch als Einzelaufträge hat das Labor TFB Restquellmassbestimmungen nach unterschiedlichen Verfahren durchgeführt. Das Labor TFB verfügt deshalb über Erfahrung auf diesem Gebiet sowie über die entsprechende Infrastruktur und Verfahrensbeherrschung. Im Moment laufen neben Drittaufträgen zur Bestimmung des Restquellmasses auch interne Versuche zu methodischen und messtechnischen Fragen, um die Auswertung zu optimieren.

Projektziele (Deutsch)

 

1. Definition praktischer Kriterien zur Identifikation von AAR-Schäden und zur Beurteilung des vorhandenen Schadenausmasses des Bauwerkbetons. Erarbeiten einer Empfehlung für das Vorgehen bei der Zustandsuntersuchung von AAR-geschädigten Bauwerken.

2. Zusammenhang zwischen der potentiellen Reaktivität der Gesteinskörnung und der tatsächlichen Schadensentwicklung im Bauwerk.

3. Überprüfung der Anwendbarkeit des Restquellmasses zur Bestimmung und Beurteilung des verbleibenden Ausdehnungspotentials von alkalireaktiven Bauwerksbetonen. Empfehlung für die Anwendung dieser Methode und die Auswertung der Resultate.

Projektziele (Englisch)

1. Definition of practical criteria to identify AAR and to assess the extent of damages on concrete structures. Development of recommendations to appropriately characterize the condition of structures damaged by AAR.

2. Relation between the potential reactivity of the aggregates and the development of damage present in structures.

3. Examination of the usability of residual expansion measurements for quantifying the remaining potential reactivity of concrete from structures. Recommendations for carrying out these measurements and for the analysis of the results.

Forschungsplan (Deutsch)

siehe Tabelle unten.

Zugehörige Dokumente

• Tabelle.pdf [PDF] 13 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Basierend auf den im Projekt gewonnen Erkenntnissen werden zwei Empfehlungen erstellt:

· Alkali-Aggregat-Reaktion: Vorgehen zur Bestimmung und Auswertung des Restquellmasses in Hinblick auf die Beurteilung des verbleibenden Ausdehnungspotentials des Betons

· Alkali-Aggregat-Reaktion: Vorgehen bei der Bestimmung des Schadensausmasses von betroffenen Bauwerken

Des Weiteren werden die Resultate des Projekts durch Artikel in nationalen Fachzeitschriften verbreitet

Berichtsnummer (Deutsch)

648

Literatur (Deutsch)

[1] Frenzer G., Hammerschlag J.G., Henoch Th. at al. (2005): Alkali-Aggregat-Reaktion in der Schweiz. Herausgeber: cemsuisse, : pp.55

[2] Merz Ch., Griesser A., Hunkeler F. (2006): Schäden durch Alkali-Aggregat­-Reaktion an Betonbauten in der Schweiz. ASTRA Forschungs-Projekt AGB 2001/471, Bericht VSS

[3] Bulteel D., Garcia-Diaz E., et al. (2002): Alkali-silica reaction: A method to quantify the reaction degree. Cement and Concrete Research 32(8): 1199-1206.

[4] Marzouk H., Langdon S. (2003): The effect of alkali-aggregate reactivity on the mechanical properties of high and normal strength concrete. Cement and Concrete Composites 25, 549-556.

[5] Smaoui N., Bérubé M.-A. et al. (2004): Evaluation of Expansion Attained to Date by ASR-Affected Concrete. 12^th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers:1005-1015

[6] Rivard P, Ballivy G. (2005): Assessment of the expansion related to alkali-silica reaction by the Damage Rating Index method. Construction and Building Materials 19, 83-90.

[7] Baillemont G., Delaby J.B., Brouxel M., Rémy P. (2000): Treatment and monitoring of a bridge damaged by AAR. 11^th international Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Quebec, Centre de Recherche Interuniversitaire sur le Béton (CRIB): 1099-1108

[8] Bakker, J. (2004): Monitoring of ASR Expansion and Moisture in Concrete. 12^th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 1202-1209

[9] Delaby J.-B., Brouxel M., Remy P. (2004): Monitoring of nine repaired bridges affected by AAR. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers:1215-1218

[10] Durand B. (2000): Long-term monitoring results of concrete electrical tower foundations affected by ASR and repaired with different products and repair methods. 11th international Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Quebec, Centre de Recherche Interuniversitaire sur le Béton (CRIB) :1049-1058

[11] Durand B., Marchand B., Larivère R., Bergeron J.-M., Pelletier G., Ouimet M., Bérard J. Katayama T. (2004): Special history case about severe damages due to freezing and thawing combines with sulphate migration and ASR at Rapides-des-Quinzes hydraulic structures, Québec, Canada. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 1043-1054

[12] Jensen V. (2004): Measurements of cracks, relative humidity and effects of surface treatment on concrete structures damaged by alkali silica reaction. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 1245-1253

[13] Wood J. G.M. (2004): When does AAR stop: in the laboratory and in the field? 12^th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers:1016-1024

[14] Bérubé M.-A., Smaoui N. et al. (2004): Expansion Tests on Cores from ASR-Affected Structures. 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers: 821-832

[15] Multon S., Barin F.X., Godart B., Toutlemonde F. (2004): Estimation of the residual expansion of concrete damaged by ASR: 12th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers:956-963

[16] Bérubé M.A., Frenette J., Pedneault A., Rivest M. (2002): Laboratory assessment of the potential rate of ASR expansion of field concrete. Cement, Concrete and Aggregates 24/1: 13-19.

[17] LCPC (1997): Alcali-réaction du béton: Essais d'expansion résiduelle sur béton durci, LCPC: pp.12.

[18] Godart B., Mahut B., Fasseu P., Michel M. (2004): The guide for aiding to the management of structures damaged by concrete expansion in France. 12^th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Peking, International Academic Publishers:1219-1228

[19] Leemann A., Thalmann C., Studer W (2005): Alkali aggregate reaction in Swiss tunnels, Materials & Structures 38: 381 - 386.

[20] 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.

[21] Leemann A., Hammerschlag JG., Thalmann C. (eingereicht): Inconsistencies between different accelerated methods used to assess alkali-aggregate reactivity. 13th ICAAR, Trondheim, Norway, 2008.

[22] Leemann A., Lothenbach B. (eingereicht): The influence of potassium-sodium ratio in cement on

concrete expansion due to alkali-aggregate reaction. Cement and Concrete Research.

[23] Leemann A., Lothenbach B., Thalmann C. (eingereicht) Influence of superplasticizers on pore solution composition and on expansion of concrete due to alkali-aggregate reaction. Cement and Concrete Research.