T reibender Angriff

Bilden sich im Innem eines Betonbauteils durch chemische Reaktion zwischen einem ag – gressiven Medium und dem Zementstein bzw. der Gesteinskomung Produkte, die ein gro – Beres Volumen beanspruchen als die festen Ausgangsstoffe, kommt es zum sogenannten Treiben. Der durch die Neubildungen hervorgerufene Druck fuhrt zu Gefugespannungen, die ein Auftreiben des Betons bewirken. Als Folge dieser auch als Sprengkorrosion be – zeichneten Schadigung treten Risse und Abplatzungen auf, was mit einem Verlust der Fes­tigkeit verbunden ist. Treibvorgange wirken starker schadigend als Lose – bzw. Auslaugpro – zesse, in der Regel treten beide kombiniert auf. Treiberscheinungen sind deshalb so gefahr – lich, da sie zunachst auBerlich nicht erkennbar sind.

Die nachstehend beschriebenen Treibprozesse werden entweder durch den Angriff sulfat – haltiger bzw. Mg2+-haltiger Wasser auf den Zementstein, durch eine nicht sachgemaBe Rohstoffzusammensetzung des Zementklinkers oder durch Fehler in der Technologie des Zementbrennens verursacht.

Sulfattreiben. Das Sulfattreiben ist eine der haufigsten Ursachen der chemischen Zerset – zung von Beton. Sulfate gelangen auf unterschiedliche Weise in Oberflachen – und Grund – wasser. Die wichtigsten Sulfatquellen sind das SO2 der Luft (Saurer Regen), Gips (An – hydrit)- oder MgS04-haltige Bodenschichten, industrielle und gewerbliche Abwasser, landwirtschaftliche Aktivitaten (Mineraldiingung) und bakterielle Abbauprozesse schwe – felhaltiger organischer Stoffe.

Greifen sulfathaltige Wasser erharteten Beton oder Mortel an, so kann sich durch Auflosen des kristallisierten Calciumhydroxids bzw. anderer calciumhaltiger Phasen aus der Losung Gips ausscheiden (Gl. 9-43).

Ca(OH)2 + SO42" + 2 H20 ———— – CaS04 • 2 H20 + 2 OH“ (9-43)

T reibender Angriff Подпись: (-> 9-19a)

In Gegenwart von Tricalciumaluminat C3A (s. Gl. 9-19a) bzw. Calciumaluminathydraten wie z. B. C4AH13 (Gl. 9-44) bildet sich Trisulfat (Ettringit). Ettringit bildet stabchenfor – mige bis nadelige Kristalle (Abb. 9.19). Wegen ihrer zerstorenden Wirkung wurden diese Kristalle friiher als Zementbazillus bezeichnet.

4 CaO • A1203 • 13 H20 + 3 (CaS04 • 2 H20) + 14 H20 —– ►

(C4AH13)

3 CaO • AI2O3 • 3 CaS04 • 32 H20 + Ca(OH)2 (9-44) Ettringit

Подпись: Abbildung 9.35image158Schematische Darstellung des Sulfattreibens; Treibwirkung des auseiner Calciumaluminathydratphase (CAH) gebildeten Trisulfats.

Die Volumenzunahme bei der Ettringitbildung soil am Beispiel von Gl. (9-19a) gezeigt werden: Beim Ubergang vom C3A (p = 3,04 g/cm3) zum Trisulfat (p = 1,75 g/cm3) erhoht sich das Volumen von 89 cm3/mol auf einen Wert von 717 cm3/mol, also auf das Achtfache (genauer Wert: 8,06). Ettringit kristallisiert bevorzugt in den Mikroporen und an der Ober – flache der Gesteinskomung (Phasengrenze Zementstein/Gesteinskomung). Damit bewirkt die Ausfallung von Ettringit zunachst eine Verdichtung des Porengefuges und eine Festi – gungssteigerung des Betons. Bei der sich anschlieBenden VolumenvergroBerung und Deh – nung kommt es infolge der sich ausbildenden Mikrorisse und Gefugeveranderungen zu ei – nem starken Festigkeitsabfall. Eine schematische Darstellung der durch die Treibwirkung des gebildeten Ettringits hervorgerufenen Risse im Beton zeigt Abb. 9.35. Abb. 9.36 zeigt eine ESEM-Aufnahme der Ettringitbildung in einer Zementsteinpore.

Abbildung 9.36

image159EttringitbiIdung in einerZement – steinpore.

Quelle: F. A. Finger-lnstitut fQr Baustoffkunde, Bauhaus-Uni- versitat Weimar.

Auch bei Kalkputzen kann es durch Sulfatangriff zur Gipsbildung (Gl. 9-43) und damit zu Treibvorgangen kommen („Gipstreiben44, s. Abb. 9.37).

image160Abbildung 9.37

Putzschaden durch Sulfattrei – ben und kalklosenden Angriff.

Die Sulfatbestandigkeit eines Zements ist entscheidend vom СзА-Gehalt und von dessen Reaktionsfahigkeit abhangig. Calciumaluminatferrithydrate sind ebenfalls in der Lage, mit Sulfationen komplexe Calciumverbindungen zu bilden. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Umsetzung mit S042” im Vergleich zum C3A stark vermindert. Sulfattreiben kann bei Verwendung СзА-armer bzw. C3A -freier Zemente weitgehend vermieden werden. Liegt die Sulfatbelastung in angreifenden Wassem iiber 600 mg/1 (Tab. 6.8b) und in Boden iiber 3000 mg/kg (lufttrocken!), mussen Zemente mit hohem Sulfatwiderstand (HS-Zemente, Кар. 9.3.3.6) eingesetzt werden.

Ende der 90er Jahre wurde bei der Untersuchung von Sulfatschaden in GroBbritannien eine dritte Verbindung identifiziert, das Mineral Thaumasit CaSi03 • CaS04 • CaC03 • 15 H20. Thaumasit entsteht durch Reaktion der C-S-H-Phasen mit Sulfaten (Gips oder Sulfatlosun – gen) in Anwesenheit einer Carbonatquelle. Tiefe Temperaturen begiinstigen seine Bildung. Durch die Thaumasitbildung werden die festigkeitsbildenden C-S-H-Phasen ganz oder teilweise aufgelost und der Beton in eine breiige Masse umgewandelt. Baupraktisch kann dem gegenwartig begegnet werden, indem ein vollig CaC03-freier Zement und ein CaC03- freier Zuschlag verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Thaumasitbildung bei mo – deraten Konzentrationen an S042“-Ionen zuriickgedrangt werden kann, wenn bei der Beton – herstellung ausreichende Mengen an puzzolanischen oder latenthydraulischen Stoffen zu – gegeben werden [ AB 11].

Ettringitbildung im erharteten Beton (spate Ettringitbildung). Wie in den vorhergehen – den Kapiteln ausgeffihrt, ist normgerechtes Erstarren des Zementleims ohne die Bildung von Ettringit im Fruhstadium der Erhartung nicht moglich. In einem normal erharteten Be­ton liegen in der Regel sowohl Ettringit (Trisulfat) als auch Monosulfat vor, sie machen etwa 10… 15% der Hydratneubildungen aus. Ettringit ist demzufolge ein normales Reakti- onsprodukt der Zementhydratation eines Portlandzements. Seine Anwesenheit im Betonge – ffige muss nicht zwangslaufig Ausloser ftir betonschadigende Reaktionen sein. Entsteht Ettringit jedoch zu einem spateren Zeitpunkt im bereits erharteten Beton ohne Sulfatangriff von auBen, kann dies zu schweren Schadigungen fuhren {spate oder sekundare Ettringitbil­dung). Seit den 80iger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde die verspatete Ettringitbil­dung zunehmend an warmebehandelten Betonfertigteilen wie Spannbetonschwellen, Au – Benwandelementen und Treppenstufen beobachtet. Und zwar immer dann, wenn sie der freien Bewitterung mit haufiger Durchfeuchtung ausgesetzt waren. Inzwischen sind aller – dings auch einige wenige Beispiele bekannt, wo eine verspatete Ettringitbildung nicht als Folge der Warmebehandlung von Betonbauteilen, sondem durch ungunstige Bedingungen bei der Verarbeitung wie z. B. Temperaturen der Gesteinskomung von weit liber 30°C im Sommer sowie hohen Eigentemperaturen des verwendeten Zements ausgelost wurde.

Die haufig in der Fertigteilindustrie angewandte Warmebehandlung soil die Hydratations – geschwindigkeit des Zements erhohen und damit die Periode der Festigkeitsentwicklung verkiirzen. Das Problem ist, dass sich – neben einer schnelleren Festigkeitsentwicklung – bei zu hohen Temperaturen im Betonelement das Verhaltnis der Hydratphasen Monosulfat / Trisulfat stark zum Monosulfat verschiebt. Die thermodynamische Stabilitat von Ettringit nimmt im Bereich zwischen 70…90 °С deutlich zugunsten von Monosulfat ab. Der theoreti – sche Umwandlungspunkt Trisulfat -» Monosulfat liegt bei 90°C, er wird jedoch durch die in der Porenlosung immer vorhandenen Alkalien abgesenkt (bei entsprechendem Alkalige- halt bis auf 50…60°C!). Die Zersetzung von Ettringit in Monosulfat und Sulfat wird also be­reits bei niedrigeren Temperaturen ablaufen (Gl. 9-45).

50…80 °С

C3A(Cs)3H32 + 4 OH~ > ~ C3A(Cs)H12 + 2 S042′ (9-45)

0 ^ Monosulfat

+ 2 Ca(OH)2 + 20 H20

Ein Teil des freigesetzten Sulfats liegt entweder frei in der Porenlosung oder adsorptiv an die C-S-H-Phasen gebunden vor. Im erharteten Zustand kann nun das Monosulfat unter feuchten Nutzungsbedingungen mit dem Sulfat wiederum zu Ettringit reagieren (Gl. 9-45, Rtickreaktion). Die Folge ist eine VolumenvergroBerung. Im Vergleich zur fnihen Ettrin­gitbildung bei der СзА-Hydratation verlaufit diese Reaktion sehr langsam. Die spate Ettrin­gitbildung kann zu Treiberscheinungen fuhren, die erst nach Monaten, meist erst nach Jah­ren zu einem Zerfall von warmebehandelten Betonen fuhren konnen.

Treibwirkung durch angreifende Magnesiumsalze. Dringen Mg2+-haltige Wasser, z. B. Magnesiumchlorid MgCl2 und Magnesiumacetat (CH3COO)2Mg als Bestandteile von Tau – mitteln, in Beton ein, losen sie aufgrund des um Zehnerpotenzen kleineren Loslichkeitspro – dukts von Mg(OH)2 (Tab. 6.5) das Calciumhydroxid gemaB Gl. (9-46a) auf.

Mg2+ + 2 СГ + Ca(OH)2 —————- ► Mg(OH)2 + Ca2+ + 2 СГ (9-46a)

Das entstehende weiche, gallertartige Mg(OH)2 kann die verfestigende Funktion des Calci – umhydroxids nicht ubemehmen und aufgrund von Quellprozessen unter Umstanden zu Treibwirkungen fuhren. Eine besondere Rolle spielt in diesem Zusammenhang das Magne- siumsulfat. MgS04-haltige Losungen bewirken nicht nur die Bildung von Mg(OH)2, die Sulfationen fuhren zusatzlieh zur Gipsbildung (Gl. 9-46b). Die damit verbundene Volu – menzunahme kann Sprengwirkungen hervorrufen.

Mg2+ + S042~ + Ca(OH)2 + 2 H20 ———— ► CaS04 • 2 H20 + Mg(OH)2 (9-46b)

Kalk – und Magnesiatreiben. Portlandzemente diirfen maximal 2% CaO (Freikalk, Freier

Kalk) und 5% MgO enthalten. Infolge der Bedingungen bei der Zementherstellung (1400 …1500°C) fallt der Kalk dicht gesintert an. Da die Reaktionsfahigkeit des CaO mit steigen – den Brenntemperaturen abnimmt, ist es gegenuber Wasser wenig reaktionsfahig. Es hydra – tisiert bei der Erhartung des Zements sehr langsam. Enthalt ein Zement iiber 2% ffeien, nicht an Si02 und A1203 gebundenen Kalk, kann eindringende Feuchtigkeit ebenfalls zum Treiben fuhren (Kalktreiben). Das Kalktreiben beruht auf der Volumenzunahme des Kalks bei der Wasseraufnahme. Man beobachtet beim Ubergang vom CaO (16,7 cm3/mol) zum Ca(OH)2 (35,6 cm3/mol) eine Volumenzunahme um das 2,1-fache, die mit einer Abnahme der Dichte von p = 3,35 g/em3 auf p = 2,08 g/cm3 (alle Werte fur 20°C) verbunden ist.

Ein zu hoher Gehalt an Magnesiumoxid MgO (.Magnesia) kann ebenfalls zum Treiben ftih – ren (Magnesiatreiben). Diese Art der Treibwirkung tritt ein, wenn der Zementklinker mehr als 5% MgO enthalt. Wahrend etwa 2…2,5% des Magnesiumoxids in die Klinkerphasen eingebaut werden konnen, reagiert das freie, als Periklas vorliegende, grobkristalline Mag­nesiumoxid langsam unter Bildung von Magnesiumhydroxid Mg(OH)2. In Analogie zum Kalktreiben ist mit der Dichteabnahme beim Ubergang vom MgO (p = 3,58 g/cm3, 20°C) zum Mg(OH)2 (p = 2,36 g/cm3, 20°C) eine 2,2-fache Volumenzunahme verkniipft. Sie ist die Ursache fur die aufitretenden Treiberscheinungen. Das Magnesiatreiben ist problemati – scher als das Kalktreiben, da die Schaden zum Teil erst nach Jahren zu beobachten sind.

Alkali-Kieselsaure-Reaktion (AKR): Korrosive Schadigungen durch Reaktionen der Gesteinskornung. Im Jahre 1965 wurde in Deutschland erstmalig ein Schadensfall groberen Ausmabes bekannt (LachswehrbrUcke in Schleswig-Hohlstein), der auf die so ge – nannte Alkali-Kieselsaure-Reaktion zurUckzufiihren war. Inzwischen sind zahlreiche wei – tere Schaden an Plattenbauten, an Spannbetonschwellen der Bundesbahn sowie an Fahr – bahnbetonen aufgetreten. Alkali-Kieselsaure-Reaktionen (im praktischen Sprachgebrauch oft als,,Betonkrebs“ bezeichnet) verursachen Bauschaden in volkswirtschaftlichen Dimen- sionen, sie treten in der Regel innerhalb einiger Jahre auf.

Подпись: andererseits (Gl. 9-47). 2 MOH H ^ Si02 H20 { M2Si03 }aq АІкаїіІаиде (M = Na, K) reaktive Gesteinskornung (Opal, Flint) Alkalimetallsilicatgel voluminos, treibend

Unter der Alkali-Kieselsaure-Reaktion versteht man die chemische Reaktion zwischen re – aktiven kieselsaurehaltigen Bestandteilen der Gesteinskornung einerseits und Alkalimetall – hydroxiden der Porenlosung des erharteten Betons bzw. von auben eindringenden Alkalien

Das gebildete Alkalimetallsilicat (Gl. 9-47) geht bei Wasserzutritt unter Quellung in Alka – limetallsilicatgel (Alkali-Kieselsaure-Gel, "Alkalikieselgel") iiber. Diese Gelbildung ist mit einer VolumenvergroBerung verbunden, weshalb es zu Quelldruckspannungen und Rissbil- dungen im verfestigten Beton kommen kann (Abb. 9.38).

Der Ablauf der Reaktion lasst sich vereinfacht in folgende Stufen unterteilen [AB 7]:

– Mit fortschreitender Hydratation des Zements reichem sich in der Porenlosung Alkali – metall – und OPT-Ionen an, die sukzessive an die Komgrenzen der kieselsaurehaltigen Gesteinskomung wandem.

– Reaktion mit der Kieselsaure unter Bildung von quellfahigem Alkalimetallsilicatgel.

– Das Alkalimetallsilicatgel kann sich teilweise mit Ca(OH)2 umsetzen und festes, kri – stallines Calciumsilicathydrat bilden. CSH wirkt als semipermeable Schicht und lasst bevorzugt Na+- und K+-Ionen sowie H20 in Richtung reaktives Korn durch. Die im Inneren der Gesteinskomung gebildeten Produkte (Alkalimetallsilicate) konnen jedoch nicht nach auBen wandem.

– Gel fullt zunachst den zur Verfugung stehenden Porenraum aus. Durch fortschrei – tende Reaktion und H20-Aufnahme baut sich ein Quelldruck auf. Ubersteigt der In – nendmck (Quelldmck) die Zugfestigkeit der Gesteinskomung und des Zementsteins, bilden sich Risse durch die das Gel ausflielien kann.

Aufierliche erkennbare Merkmale einer schadigenden AKR sind feine netzartig verzweigte Risse auf Betonoberflachen, Abplatzungen sowie aus Rissen an der Oberflache austretende Geltropfen. Das dickflussige, anfanglich klare Alkali-Kieselsaure-Gel reagiert mit dem C02 der Luft zu М2СОз (M = Na, K) und Si02 (Gl. 9-50) und trocknet zu weiB-grauen Belagen aus. Durch Auswaschen des Alkalicarbonats bleibt amorphes Kieselgel zuriick.

Подпись:Подпись:Подпись:Подпись: Alkalimetall silicatgel image161"Zementste (mit Alkali

(schematisch).

Die Ursachen fur das Auftreten der AKR sind recht vielschichtig, z. B.

• Hoher Alkaligehalt des eingesetzten Zements

• Verwendung von reaktiver kieselsaurehaltiger Gesteinskomung

• Standige bzw. haufige Durchfeuchtung des Betons

• Exteme Alkalibelastungen durch Streusalzlosungen, durch sulfathaltige Wasser so­wie durch Gmnd – und Bergwasser.

Zu den alkaliempfmdlichen Gesteinskornungen zahlen Opalsandstein, Flint, kieseliger Kalkstein und Kieselkreide, Kieselschiefer, Homstein, Rhyolith (Quarzporphyr) und Grau – wacken. Opalsandsteine, Flinte und Kieselkreiden kommen vor allem im Ostseekustenraum und den angrenzenden norddeutschen Gebieten vor. Die Gewinnungsgebiete prakambri – seher Grauwacken liegen in der Lausitz (Gorlitz, Boxberg, Cottbus).

Reaktivitat der Gesteinskornung. Zwisehen Kieselsaure (bzw. Quarz) und stark basi – schen Losungen erfolgt generell eine chemische Reaktion. Allerdings hangt ihre Geschwin – digkeit in empflndlicher Weise sowohl vom kristallinen Zustand des SiC>2 als auch von der Konzentration an OH”-Ionen in der Porenlosung ab. Enthalten die Gesteinskornungen An – teile an amorpher bzw. stark gittergestorter kristalliner Kieselsaure, verlauft die Re­aktion mit merklicher Geschwindigkeit. Man spricht von reaktiver Kieselsaure. In der Folge kann es zu Betonschadigungen kommen. Grobkristalline und nicht gittergestorte Quarze werden vom alkalischen Milieu des Porenwassers nur sehr schwer angegriffen. Hier bleiben die chemisehen Reaktionen auf die Oberflache des Quarzkoms beschrankt. Die Komoberflachen werden angeatzt bzw. aufgeraut, was den Verbund mit dem Zementstein sogar verbessert [AB 4].

Die MaBnahmen zur Verhinderung der AKR miissen sich je nach Umweltbedingungen auf die Auswahl der Zemente und der Gesteinskornung erstrecken. Hauptquelle fur die Al – kalien ist der Zement – wenngleich gerade in den letzten Jahren deutlich wurde, dass die exteme Zufuhr von Alkalien, vor allem durch Taumittel auf Fahrbahnbeton, nicht unter – schatzt werden darf.

Alkalien beeinflussen gemeinsam mit den Sulfaten das Erstarrungs- und Erhartungsvermo – gen eines Zements. Deshalb kann ihr Anteil im Zement nicht unbegrenzt reduziert werden (NA-Zemente, Кар. 9.3.3.6). NA-Zemente weisen einen niedrigen wirksamen Alkaligehalt auf. Unter der wirksamen Alkalitat versteht man den Alkalianteil eines Zements, der in wirksamer Form als Alkalimetallhydroxid in der Porenlosung eines Zementleims gelost ist und die Ursache fur eine betonschadigende AKR sein kann.

Bei Anwesenheit von kieselsaurereichen Puzzolanen (Trass, Mikrosilica, Flugaschen) tritt eine AKR in der Regel schon im Frischbeton ein, so dass bei normalen niedrigen Do – sierungen spatere Schadigungen im Beton nahezu ausgeschlossen werden konnen. Insbe – sondere Silicastaub (Mikrosilica) bietet die Moglichkeit, die AKR ganz oder teilweise zu unterbinden. Der Silicastaub verringert den Alkaligehalt von Porenlosungen, indem bereits im Frischbeton ein groBer Teil der ffeien Alkalien gebunden werden. Zudem reduziert er die Durchlassigkeit im Beton – und damit die Aufnahme und den Transport von Wasser und Salzlosungen. SchlieBlich ermoglicht die Verwendung von Silicastaub die Reduzierung des Zementgehalts pro m3, was ebenfalls mit einer Verringerung der freien Alkalien einher – geht.

Die DAfStb-Richtlinie (kurz Alkali-Richtlinie) "Vorbeugende MaBnahmen gegen schadi – gende Alkalireaktion im Beton" wurde im Januar 2007 vom Deutschen Ausschuss fur Stahlbeton (DAfStb) neu gefasst [KS 11]. Aus aktuellem Anlass (zunehmende Schaden durch AKR an Fahrbahnbetonen!) wurde neben den Feuchtigkeitsklassen WO, WF und WA die Klasse WS – fffeucht + Alkalizufuhr + starke dynamische Beanspruchung” eingefuhrt. Ftir diese Feuchtigkeitsklasse wurden an die anzuwendenden Zemente zusatzli – che Anforderungen bzgl. des Alkaligehalts festgeschrieben. Die PrUfung der Alkaliemp – findlichkeit der Gesteinskornung (Teil 3) wurde um SchnellprufVerfahren erweitert (Refe – renzverfahren: DAfStb-Mortelschnelltest; Altematiwerfahren: LMPA-Mortelschnelltest).