Verhalten verschiedener Gesteine unter beschleunigenden Bedingungen in AKR-Prüfverfahren

Im März 2016 wurde ein Fortsetzungsantrag zum Thema: „Verhalten verschiedener Gesteine unter beschleunigenden Bedingungen in AKR-Prüfverfahren“ durch die AiF bewilligt.

Fahrbahndecken aus Beton werden aufgrund des Eintrags von Alkalien aus Taumitteln bei gleichzeitig hoher dynamischer Belastung durch den Verkehr der Feuchtigkeitsklasse WS zugeordnet. Im Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS 04/2013) wird gefordert, alle Betonrezepturen bzw. Gesteinskörnungen (> 2 mm) für Neubauten und Erneuerungen von Fahrbahndecken (Bk 100 bis 1,8 nach RStO 12) hinsichtlich ihrer Eignung für die Feuchtigkeitsklasse WS gutachterlich zu bewerten. Mit Hilfe der dabei genutzten Performance-Test-Verfahren bzw. WS-Grundprüfungen ist eine sichere Bewertung von reaktiven Gesteinskörnungen in den von Schäden betroffenen Regionen möglich, so dass der Einsatz dieser Materialien in Fahrbahndecken aus Beton und somit eine schädigende AKR vermieden werden kann. Mit Einführung des ARS sind die zuvor genannten Nachweisinstrumente nun auch in Regionen anzuwenden, aus denen nach Aussage der Länderverwaltungen keine Schäden bekannt sind. In einigen Fällen bestehen daher Diskrepanzen zwischen der Aussage der Länderverwaltungen und den Ergebnissen in den nun zu verwendenden Prüfungen (vgl. Abbildung 1, rechts). Einige Gesteine aus derartigen Vorkommen überschreiten z. B. den bisher verwendeten Grenzwert von 0,5 mm/m nach 10 Zyklen Wechsellagerung im 60 °C Betonversuch mit Alkalizufuhr von außen mit einer 10 %igen NaCl-Lösung bzw. bei der entsprechenden FIB-Klimawechsellagerung. Auch die Abstufung der Ergebnisse aus dem Schnelltests nach ARS 04/2013 entsprechen nicht immer den Ergebnissen der Betonversuche (60 °C Betonversuch mit Wechsellagerung: siehe Abbildung 1, z.B. Granit 1). Aufgrund derartiger Prüfergebnisse laufender Untersuchungen wurden oben genannte Gesteinsarten als nicht geeignet für den Einsatz in Fahrbahndeckenbetonen eingestuft, obwohl dies nach Aussage einiger Länderverwaltungen nicht notwendig wäre.

Für eine wirtschaftliche Nutzung von Gesteinsvorkommen gilt es einerseits, Schäden und Mängel an Bauwerken infolge unzureichender Qualität der Baustoffe zu vermeiden, jedoch andererseits keine überhöhten Anforderungen zu stellen, durch die brauchbare, preisgünstige Rohstoffe ausgeschlossen würden.

Vor diesem Hintergrund soll das Projekt grundlegende Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Gesteine unter den beschleunigenden Bedingungen innerhalb der AKR-Prüfverfahren generieren.

Aufgrund der Vielfalt an natürlich vorkommenden Gesteinstypen mit stark variierender chemischer und mineralogischer Zusammensetzung, auch innerhalb definierter Gesteinstypen und unterschiedlichem Gefüge, ist es nicht möglich, pauschale Aussagen zur Alkali-Reaktivität einzelner Gesteinsvorkommen ohne eine nähere Prüfung zu treffen. Die Vielfalt naturgegebener Variationen von Gesteinen gleichen Typs stellt für die Gutachter eine nicht zu unterschätzende Erschwernis dar, da zusätzlich zu den ingenieurtechnischen Aspekten auch geomaterialwissenschaftliche Fakten zu beachten sind. So kann es bei der Prüfung unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Prüfverfahren in Einzelfällen zu scheinbar widersprüchlichen Ergebnissen kommen. Unklar ist in diesem Zusammenhang, wie solche Ergebnisse zu interpretieren sind, insbesondere vor dem Hintergrund noch begrenzter Erfahrungswerte.

Weiterhin gilt es zu bewerten, inwiefern die beobachteten Effekte für die Praxis von Bedeutung sind oder ob diese ausschließlich auf die beschleunigenden Prüfverfahren zurückzuführen sind. Einerseits können könnte es sich um untersuchungsbegleitende Prüfartefakte handeln, die durch Besonderheiten der Gesteinskörnung (chemische und mineralogische Zusammensetzung, Korngefüge, Freisetzung von Alkalien aus der Gesteinskörnung) unter diesen Prüfbedingungen verstärkte Dehnungen am Probekörper auftreten ausgelöst werden. Diese müssen jedoch nicht zwangsläufig einer im Prüfkörper ablaufenden AKR zugeordnet werden. Andererseits kann auch ein tatsächliches AKR-Schädigungspotential vorhanden sein, welches durch die Prüfung erkannt und hinreichend bewertet werden muss.

Genau hier soll das geplante Forschungsvorhaben ansetzen. Es soll zu einem besseren Verständnis der Prüfmethoden führen und Antworten zu folgenden Fragen finden:

• Sind die derzeit genutzten Prüfverfahren für die Beurteilung der Alkaliunempfindlichkeit von Gesteinskörnungen innerhalb einer WS-Grundprüfung geeignet oder müssen einzelne Prüfparameter modifiziert werden?
   
• Welchen Einfluss üben die im Sinne einer Beschleunigung der Schadreaktion erhöhten Lösungskonzentrationen und Temperaturen aus? Wird der Schadmechanismus durch die gewählten Parameter lediglich beschleunigt oder wird der Mechanismus der Schädigung grundlegend verändert?
   
• Welche anderen nicht AKR-bedingten Mechanismen führen während der Prüfung ggf. ebenfalls zu Dehnungserscheinungen?
   
• Wie lassen sich die teilweise stark unterschiedlichen Dehnungsergebnisse von Gesteinskörnungen gleichen petrographischen Typs erklären?
   
• Welche Rolle spielt der Sand für die Schädigung?

Die durch das Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse sollen bei der zukünftigen Bewertung der Alkaliunempfindlichkeit von Gesteinskörnungen berücksichtigt werden und in geltende Regelwerke eingehen. Es soll gewährleistet werden, dass das bislang erreichte Sicherheitsniveau nicht verlassen wird ohne dabei jedoch brauchbare, lokal verfügbare Gesteinskörnungen auszuschließen.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Anne Heisig, Kai Fischer, M. Sc.

Förderer:

AiF