Untersuchungsmethoden am FIB

AKR-Diagnoseuntersuchungen für Bestandsbetone unter AKR-Verdacht erfolgen je nach Bauteilsituation und Fragestellung an einem oder mehreren Bohrkernen (∅ 50-150 mm). Folgende Methoden werden angewandt.

• Augenscheinliche Bemusterung der Bohrkerne

Mit der augenscheinlichen Bemusterung der Bohrkerne wird der Anlieferungs- bzw. Entnahmezustand makroskopisch dokumentiert. Neben der Aufnahme rein geometrischer Kennwerte (z. B. Durchmesser, Länge sowie Art und Ausbildung erkennbarer Schichten), steht vor allem die Fotodokumentation makroskopischer Merkmale und Besonderheiten wie Risse und deren Verlauf, Hinweise auf Phasenneubildungen, mögliche Aus- und Abplatzungen, Aussagen zur eingesetzten Gesteinskörnung und zum allgemeinen Gefügezustand sowie zu ggf. enthaltenen Bewehrungsanteilen im Vordergrund.

• Uranylacetat-Fluoreszenz-Schnelltest

Der Uranylacetat-Fluoreszenz-Schnelltest (UF-Schnelltest) ist eine unterstützende Methode zum Nachweis von i. W. Na-haltigem AKR-Gel im erhärteten Beton und ist nur dann erfolgversprechend, wenn der Beton während der Nutzung Na-haltigen Enteisungsmitteln ausgesetzt war. Das Prinzip des UF-Schnelltests beruht darauf, dass eine Uranylacetatlösung mit den im AKR-Gel befindlichen Na-Ionen eine unlösliche Verbindung bildet, die bei Anregung mit kurzwelligem (λ = 254 nm) UV-Licht grünlich fluoreszierend leuchtet. Der UF-Schnelltest wird an einer Sägefläche des Diagnosebohrkerns durchgeführt, indem diese für 30 Minuten ca. 3-5 mm tief in die Uranylacetatlösung getaucht und anschließend mit entionisiertem Wasser gespült wird. Die anschließende Bemusterung inkl. Fotodokumentation erfolgt in einer Dunkelkammer unter Normal- bzw. UV-Licht.

• Stereomikroskopie an Betonproben (Bruch- u./o. Schnittflächen)

Im Stereo-Lichtmikroskop (STEMI SV 6, ZEISS und VHX-600, Keyence) können bereits erste Details zum Zustand des Betons (z. B. zur Rissbildung), zu den verwendeten Gesteinskörnungen sowie zu möglichen Phasenneubildungen erkannt werden. Im Gegensatz zur Polarisationsmikroskopie kann eine insgesamt größere Fläche bemustert werden, so dass sich ein besserer Gesamteindruck ergibt. Zusätzlich können bei Bedarf interessierende Bereiche, insbesondere mit fraglichen Phasenneubildungen, gezielt für eine nachfolgende rasterelektronenmikroskopische Untersuchung ausgewählt werden.

• Rasterelektronenmikroskopie an Betonproben

Im Rasterelektronenmikroskop (REM) wurden zuvor im Stereo-Lichtmikroskop ausgewählte Betonproben mit einer Größe von ca. 5 - 10 mm genauer untersucht, um einzelne Phasenbestandteile identifizieren zu können. Das verwendete REM (Philips, XL 30) erreicht eine Auflösung von ca. 2 nm und verfügt zudem über ein energiedispersives Röntgenspektrometer (EDX), mit dem es möglich ist, die elementar-chemische Zusammensetzung einzelner Phasenbestandteile zu analysieren.

• Polarisationsmikroskopie an Betondünnschliffen

Für lichtmikroskopische Untersuchungen am Dünnschliff wurden Dünnschliffe im Großformat (60×100 mm) mit einer Dicke von 25 µm hergestellt. Poren und Risse im Beton werden durch die dem Schleifvorgang vorangehende Vakuumtränkung mit einem gelben Harz gefüllt und erscheinen daher im parallel polarisierten Licht gelb. Die Bemusterung der Dünnschliffe erfolgte im Polarisationsmikroskop (Gerät POLMI JENALAB, ZEISS). Neben Aussagen zum Gefügezustand ist hierbei vor allem die petrographische Charakterisierung der eingesetzten Gesteinskörnungen und der Nachweis bzw. der Ausschluss möglicher Schadensmechanismen, insbesondere der Alkali-Kieselsäure-Reaktion, von Bedeutung. Die repräsentativen, d. h. die gehäuft angetroffenen und damit für den Befund relevanten Erscheinungen werden fotodokumentarisch belegt.

• Rissanalyse an Betondünnschliffen

Die Dünnschliffe können über die konventionelle Bemusterung hinaus mittels einer neuartigen computergestützten Bildanalyse ausgewertet werden. Mit diesem Verfahren werden die im Dünnschliff befindlichen Risse mit Breiten ≥ 3 µm halbautomatisch erfasst und daraus eine Rissdichte ermittelt. Die Rissdichte soll zukünftig helfen, den Schädigungsgrad von Betonen quantitativ und damit direkt vergleichbar bestimmen zu können. Das Verfahren wird aktuell sowohl unterstützend zu den übrigen Diagnoseuntersuchungen als auch zur Erfahrungssammlung und Weiterentwicklung angewandt.

• AKR-Performance-Prüfung (Klimawechsellagerung, TP B-StB, Teil 1.1.10) an Probekörpern aus Bestandsbetonen

Zur Prognose des zu erwartenden Schadensverlaufes für Bestandsbetone erfolgt die AKR-Performance-Prüfung mittels Klimawechsellagerung je nach Bauteilsituation und Fragestellung an Serien von mindestens 3 Probekörpern aus Bohrkernen (∅ 100-350 mm, ohne Bewehrung) eines Entnahmebereiches.

Zur AKR-Vermeidung für Neubaumaßnahmen bzw. Fertigteilbetone erfolgt ein mehrstufiges Vorgehen:

1. Schritt: Vorbeurteilung der Alkaliempfindlichkeit aller vorgesehenen Gesteinskörnungen

Schnelltests

• Mörtelschnelltest

Der Mörtelschnelltest dient einer ersten Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit langsam und spät reagierender Gesteinskörnungen. Eine Beschreibung des Mörtelschnelltests ist in der Alkali-Richtlinie (Ausgabe 2007) vorhanden. Das Grundkonzept besteht darin, dass aus der zu prüfenden Gesteinskörnung, einem alkalireichen Zement und unter Zugabe von NaOH Mörtelprismen (4×4×16 cm³) hergestellt und für 28 Tage bei 70 °C über Wasser gelagert werden. Anhand der Höhe der ermittelten Dehnung ist eine erste, orientierende Aussage zur Alkaliempfindlichkeit der geprüften Gesteinskörnung möglich. Die im Ergebnis des Mörtelschnelltests orientierend als potentiell alkaliempfindlich bzw. als alkaliempfindlich eingestuften Gesteinskörnungen müssen jedoch nicht grundsätzlich von einer Verwendung in Betonen ausgeschlossen werden. Der Mörtelschnelltest liefert wie andere Schnelltests auch lediglich eine Voreinschätzung des AKR-Potentials der untersuchten Gesteinskörnung.

• Natronlaugetest

Für Gesteinskörnungen, die dem Anwendungsbereich für Opalsandstein und Flint sowie dem angrenzenden Bereich nach Definition der Alkali-Richtlinie entstammen und die Anteile von Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint enthalten oder enthalten könnten, muss zusätzlich der Natronlaugetest nach Alkali-Richtlinie durchgeführt werden. Die Bestimmung des Gehaltes an Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint wurde für die feine Gesteinskörnung mit dem Natronlaugetest (4 %) nach Anhang A der Alkali-Richtlinie (Ausgabe 2013) durchgeführt. Dazu wird eine Probe der Gesteinskörnung für 60 min in einer 90 °C heißen 4 %-igen NaOH-Lösung gelagert und danach deren Masseverlust bestimmt. Im Ergebnis des Natronlaugetests kann eine feine Gesteinskörnung als unbedenklich (E I-O bzw. E I-OF) hinsichtlich Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und Flint eingestuft werden, wenn der ermittelte Masseverlust bei ≤ 0,5 M.-% liegt.

• Petrographische Charakterisierung (AG Mineralogie)

Für eine petrographische Charakterisierung wird i.A. ein Dünnschliff mit Körnern aus der Korngruppe 16/22 (nur für Festgesteinskörnungen) hergestellt und im Polarisationsmikroskop (POLMI JENALAB, ZEISS) bemustert. Die Gesteinskörner werden dazu vor dem Schleifen auf eine Dicke von ca. 25 µm mit gelbem Kunstharz vakuumgetränkt. Bei der Abbildung im parallel polarisierten Licht erscheinen daher alle Hohlräume (Poren, Risse) gelb.

• Mineralogische Charakterisierung (AG Mineralogie)

Im Rahmen der mineralogischen Charakterisierung wird der modale Mineralphasenbestand der Gesteinskörnung mittels Röntgenphasenanalyse (XRD) an Pulverpräparaten ≤ 40 µm (Diffraktometer D 5000, SIEMENS) und anschließender quantitativer Analyse mittels Rietveld-Verfeinerung (Programm TOPAS, BRUKER AXS) bestimmt.

Die Einschätzung der Alkaliempfindlichkeit der untersuchten Gesteinskörnung anhand der petrographischen und mineralogischen Charakterisierung erfolgt unter Berücksichtigung der dazu am FIB vorhandenen Erfahrungen in Anlehnung an die RILEM-Empfehlung AAR-1

2. Schritt: AKR-Performance-Prüfung

Zur Beurteilung der AKR-Potentials und der Dauerhaftigkeit einer vorgesehenen Betonzusammensetzung wird die Klimawechsellagerung (TP B-StB, Teil 1.1.10) im Vorfeld von Neubaumaßnahmen, z.B. beim Vorgehen nach ARS 04/2013 des BMVS oder Anhang G des DBS 918 143 angewandt.

Mit der Klimawechsellagerung werden für jedes Enteisungsmittel, das bei der späteren Nutzung des Betons vorgesehen ist, eine Serie von drei Betonprobekörpern (100 × 100 × 400 mm) und zusätzlich eine Referenzserie (weitere drei Betonprobekörper), die nur mit destilliertem Wasser beaufschlagt wird, untersucht.

Zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Beton für Außenbauteile werden am F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB) Klimawechsellagerungen zur zeitraffenden Simulation mitteleuropäischer Klimabedingungen angewandt. Speziell für das Problem der AKR wurde ein Klimawechsellagerungsprogramm entwickelt, bei dem ein Zyklus aus Trocknungsphase, Nebelphase und Frost-Tau-Wechselphase besteht und 21 Tage dauert (Bild 1-Bild 4). Durch den zyklischen Wechsel von Austrocknung und Befeuchtung bzw. Auftrag von Enteisungsmittellösungen werden im Betongefüge wie in der Praxis Transportvorgänge begünstigt und verstärkt.

Es sind nach bisherigen Erfahrungen mit Untersuchungen an Fahrbahndeckenbetonen 8 Zyklen (6 Monate) erforderlich, um die Dauerhaftigkeit eines Betons hinsichtlich einer AKR beurteilen zu können. Für Bauwerke bzw. Fertigteile mit einer konzipierten Nutzungsdauer > 30 Jahren wird die Anzahl der erforderlichen Zyklen im Einzelfall anhand der vorliegenden Erfahrungen festgelegt.

Nach jedem Zyklus werden Dehnung und Masse der Probekörper bestimmt und es erfolgt flankierend eine augenscheinliche Beurteilung der Probekörper (Risse, Ausplatzungen etc.). Für die Messungen werden die Betonprobekörper immer auf 20 °C temperiert, um den Einfluss der Temperatur auf die Dehnungsmessung zu eliminieren. Jeweils drei Betonprobekörper (100×100×400 mm³) werden in Anlehnung an den schwedischen „Slab test“ nach präpariert und mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall festgelegten Prüflösung (Wasser, NaCl-Lösung etc.) beaufschlagt (Bild 5, Bild 6). Nach jedem Zyklus wird aus den Einzelmessungen an jeweils drei Probekörpern die Dehnung als arithmetischer Mittelwert für die jeweilige Prüflösung bestimmt.

Ausgehend von 0,6 mm/m für den Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 °C nach Alkali-Richtlinie des DAfStb, wurde der Dehnungsgrenzwert für die Klimawechsellagerung auf 0,4 mm/m festgelegt . In den Beton eingebrachte Salze (z. B. unter Einwirkung von NaCl-Lösung) sind z. T. stark hygroskopisch, wodurch die Probekörper auch mehr Wasser aufnehmen. Das hat eine höhere hygrische Dehnung zur Folge, so dass der Dehnungsgrenzwert im Fall einer Enteisungsmitteleinwirkung auf 0,5 mm/m angehoben wurde.

Ausgehend vom Dehnungsgrenzwert für den Betonversuch mit Nebelkammerlagerung bei 40 °C nach Alkali-Richtlinie des DAfStb von 0,6 mm/m, bei dem die Dehnung an 40 °C warmen Proben gemessen wird, wurde der Dehnungsgrenzwert für die Klimawechsellagerung auf 0,4 mm/m festgelegt. Da bei der Klimawechsellagerung die Dehnungsmessung an Probekörpern erfolgt, die auf 20 °C temperiert wurden, ist hier keine thermisch bedingte Dehnung in den Dehnungsmesswerten enthalten. Mit der Wärmedehnzahl für Beton von αT = 0,01 mm/m·K und εT = αT·ΔT ergibt sich eine thermisch bedingte Dehnung von εT = 0,2 mm/m durch die Temperaturdifferenz ΔT = 20 K zwischen 20 °C und 40 °C. Im Fall einer Enteisungsmitteleinwirkung tritt eine höhere hygrische Dehnung auf, weshalb der Dehnungsgrenzwert für diesen Fall auf 0,5 mm/m angehoben wurde. Ursache dafür ist, dass die in den Beton eingebrachten Salze (z. B. unter Einwirkung von NaCl-Lösung) meist stark hygroskopisch sind, wodurch die Probekörper auch mehr Wasser aufnehmen.

Nach Abschluss der Klimawechsellagerung werden von ausgewählten Betonprobekörpern Dünnschliffe im Großformat (6×10 cm) für verifizierende Untersuchung mit dem im Polarisationsmikroskop (POLMI JENALAB, ZEISS) hergestellt. Als zusätzlicher, mechanischer Kennwert kann, basierend auf neuen Erkenntnissen in [18, 19] außerdem vergleichend der statische E-Modul nach DIN 1048-5 [20] im Anschluss an die Klimawechsellagerung bestimmt werden.

Weitere Details und Hintergründe zur Klimawechsellagerung können u. a. [1-17] entnommen werden.

[1] TL FGSV (AG Betonbauweisen): TP B-StB – Teil 1.1.10, AKR-Potential und Dauerhaftigkeit von Beton (Klimawechsellagerung), 2018.

[2] Seyfarth, K., Giebson, C.: Beurteilung des AKR-Schädigungspotentials von Betonen mittels Klimawechsellagerung. Tagungsband Doktorandensymposium 45. Forschungskolloquium des DAfStb, Beton- und Stahlbetonbau 100, Wien, Österreich (2005), S. 189-192.

[3] Stark, J., Seyfarth, K.: Performance testing method for durability of concrete using climate simulation. In: Malhotra, V.M. (ed.): Proceedings of the 7th CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Montreal, Canada (2006), pp. 305-326.

[4] Stark, J., Giebson, C.: Assessing the durability of concrete regarding ASR. In: Malhotra, V.M. (ed.): Proceedings of the 7th CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Montreal, Canada (2006), pp. 225-238.

[5] Stark, J., Seyfarth, K., Giebson, C.: Beurteilung der Alkali-Reaktivität von Gesteinskörnungen und AKR-Performance-Prüfung Beton. 16. Internationale Baustofftagung (ibausil), Weimar, Tagungsbericht, Band 2 (2006), S. 399-426.

[6] Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C.: AKR-Prüfverfahren zur Beurteilung von Gesteinskörnungen und projektspezifischen Betonen. Beton – Die Fachzeitschrift für Bau+Technik, Verlag Bau+Technik GmbH, Nr. 12 (2006), S. 574-581.

[7] Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C., Erfurt, D.: Bewertung der Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen. Beton- und Stahlbetonbau 102 (2007), S. 500-510.

[8] Stark, J., Seyfarth, K.: Assessment of specific pavement concrete mixtures by using an ASR performance-test. In: Broekmans, M.A.T.M. and Wigum, B.J. (eds.): Proceedings of the 13th ICAAR, Trondheim, Norway (2008), pp. 320-329.

[9] Stark, J., Giebson, C.: Influence of acetate and formate based deicers on ASR in airfield concrete pavements. In: Broekmans, M.A.T.M. and Wigum, B.J. (eds.): Proceedings of the 13th ICAAR, Trondheim, Norway (2008), pp. 686-695.

[10] Seyfarth, K., Giebson, C., Stark, J.: Prevention of deleterious ASR by assessing aggregates and specific concrete mixtures. In: Tasnimi, A.A. (ed.): Proceedings of the 3rd International Conference on Concrete and Development, Tehran, Iran (2009), pp. 159-169.

[11] Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C., Erfurt, D.: 70 Jahre AKR und kein Ende in Sicht? 17. Internationale Baustofftagung (ibausil), Weimar, Tagungsbericht, Band 1 (2009), S. 37-55.

[12] Seyfarth, K., Giebson, C., Stark, J.: AKR-Performance-Prüfung für Fahrbahndecken aus Beton: Erfahrungen aus Labor und Praxis im Vergleich. 17. Internationale Baustofftagung (ibausil), Weimar, Tagungsbericht Band 2 (2009), S. 255-260.

[13] Giebson, C., Stark, J.: Einfluss von Bewegungsflächenenteisern auf die AKR in Betonen für Flugbetriebsflächen. 17. Internationale Baustofftagung (ibausil), Weimar, Tagungsbericht Band 2 (2009), S. 241-246.

[14] Giebson, C., Seyfarth, K., Stark, J.: Influence of acetate and formate-based deicers on ASR in airfield concrete pavements. Cement and Concrete Research 40 (2010), pp. 537-545.

[15] Giebson, C., Seyfarth, K., Stark, J.: Effectiveness of ground granulated blast furnace slag in preventing deleterious ASR in concretes exposed to alkali-containing deicer solutions. In: Brameshuber, W. (ed.): Proceedings of the International RILEM Conference on Material Science (PRO 77), Vol. III, Aachen, Germany (2010), pp. 221-230.

[16] Stark, J., Freyburg, E., Seyfarth, K., Giebson, C., Erfurt, D.: 70 Years of ASR with No End in Sight?, ZKG International, No. 4-2010, pp. 86-95 (part 1) and No. 5-2010, pp. 55-70 (part 2).

[17] Giebson, C.: Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Beton für Fahrbahndecken und Flugbetriebsflächen unter Einwirkung alkalihaltiger Enteisungsmittel. Dissertation, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar (2013). nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20131217-20916

[18] Mielich, O., Reinhardt, H.W., Garrecht, H., Giebson, C., Seyfarth, K., Ludwig, H.M.: Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Beton als Bewertungskriterien von AKR-Performance-Prüfungen. Beton- und Stahlbetonbau 110, Heft 8 (2015), S. 554-563.

[19] Mielich, O., Reinhardt, H.W., Garrecht, H., Giebson, C., Seyfarth, K., Ludwig, H.M.: Mechanische Betoneigenschaften als weiteres Bewertungskriterium bei AKR-Performance-Prüfungen. In: Ludwig, H.M. (hrsg.): Tagungsbericht 19. ibausil, Band 1, Weimar, Deutschland (2015): S. 1445-1452.

[20] Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 1048-5, Prüfverfahren für Beton – Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper. Beuth Verlag GmbH, Berlin, Vertr.-Nr. 0006 (1991).