Expansionsspannung beim Sulfatangriff auf Beton – Einfluss von aluminiumhaltigen Zusatzstoffen

Zur Prüfung des Widerstands eines Bindemittels gegen den externen Sulfatangriff existieren verschiedene, nicht genormte Prüfverfahren (SVA, Wittekindt, CEN, ASTM C1012). Diesen konventionellen Prüfverfahren ist gleich, dass die verwendeten Sulfatkonzentrationen der Prüflösungen deutlich höher sind als in der Praxis beobachtet. Mehrere Forscherinnen und Forscher sind daher der Ansicht, dass gegenwärtige Prüfverfahren einige Nachteile aufweisen und nur unzureichende Hinweise auf das Praxisverhalten der Bindemittel liefern.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll untersucht werden, wie der Ersatz von Portlandzement durch aluminiumhaltige Zusatzstoffe wie Hüttensand, Steinkohlenflugasche und Metakaolin die Entwicklung der Expansionsspannung - als Ursache der Schädigung - beim Sulfatangriff auf Betonbauteile beeinflusst. Dabei wird die Expansionsspannung mit Hilfe dünnwandiger Mörtel- bzw. Zementsteinhohlzylindern in einer geeigneten Spannvorrichtung gemessen. Das Ziel des geplanten Vorhabens ist vor allem die Beschreibung der Auswirkung des Aluminiumgehalts der Zusatzstoffe auf die Entwicklung der Expansionsspannung. Die Bestimmung der Expansionsspannung als Schädigungsursache bei dem Sulfatangriff ist eine neue Methode, die in den letzten Jahren am cbm entwickelt wurde. In der Literatur wird der Einfluss von z.B. Bindemittelmischungen und Lagerungsbedingungen fast ausschließlich durch die Bestimmung der freien Dehnung während der Lagerung in Sulfatlösungen erforscht. In diesem Fall wird die freie Dehnung von der Bildung von Kristallen in einem schon geschädigten Gefüge (Risse) erheblich beeinflusst. Sehr wahrscheinlich entstehen die Risse durch die Bildung von Ettringit in vor allem kleinen Poren (ca. 10 bis 100 nm). Bei hohen Sulfatkonzentrationen (z.B. 30 g/L, Prüfbedingungen) trägt auch die Bildung von Gips in z.B. Rissen zur Dehnung bei, so dass der Einfluss der Bindemittelzusammensetzung und der Sulfatwiderstand nicht durch die freie Dehnung zuverlässig charakterisiert werden können. Im Gegensatz dazu entsteht eine messbare Expansionsspannung durch Ettringitbildung vor der Überschreitung der Zugfestigkeit der Bindemittelmatrix. Zusammenhänge zwischen der Expansionsspannung und der Bindemittelzusammensetzung (Gehalte von Zusatzstoff, C3A und Al2O3), der Konzentration der Sulfatlösung (3,0 g/L SO42-, d.h. „Praxisbedingungen“) und 30 g/L SO42- („Prüfverfahren“) sowie dem Gefüge (Phasenanteile und Porosität) sollen eruiert werden. Dies soll auch durch Berechnungen der Phasenbestände mit hydrogeochemischen Modellierungsprogrammen (PHREEQC, GEMS) unterstützt werden.

Mit Hinblick auf die künftige Entwicklung eines besseren Prüfverfahrens für den Sulfatwiderstand des Betons ist eine stetige Zunahme (vgl. Abb. 1) der Expansionsspannung nach kurzen Lagerungszeiten bei einer Sulfatkonzentration von 3,0 g/L (XA2) von besonderem Interesse. Es ist auch zu klären, ob die Gipsbildung in den spannungsrelevanten Poren auch bei einer hohen Sulfatkonzentration (30 g/L) mechanisch unterdrückt wird, so dass auch hier systematische Beziehungen zwischen der Expansionsspannung durch Ettringitbildung und der Zusammensetzung des Bindemittels aufgestellt werden können. Die Forschungsergebnisse sollen das Grundwissen über den Verlauf des Sulfatangriffs auf Bauteile aus Beton mit aluminiumhaltigen Zusatzstoffen erweitern.

 

Ansprechpartner:

M. Wagner, M.Sc., Dr. R.E. Beddoe

Förderung:

DFG