Bericht über den Stand der Untersuchungen
„Baustoffkreislauf im Massivbau"
Teilprojekt E 06

Verhalten von rezykliertem Zuschlag aus Beton, der durch eine Alkalireaktion gefährdet oder bereits geschädigt ist

Im Zwischenbericht 01/98 wurde bereits der Umfang der Untersuchungen dargestellt. Mit Stand vom 05.05.1998 sind alle Betone des Untersuchungsprogramms hergestellt (siehe Tabelle 2 des Zwischenberichts 01/98). Die Frisch- und Festbetoneigenschaften einschließlich der statischen Elastizitätsmoduli wurden ermittelt. Die Messungen der Dehnungen und des relativen dynamischen E-Moduls während der Einlagerung der Probekörper im Klima 40°C und 100 % rel. Luftfeuchte sind zu 95 % abgeschlossen. Die Messungen werden im Oktober 1998 beendet. Die Tabellen 1, 2, 3 und 4 geben einen Überblick über die Dehnungen der Betone nach 6 Monaten Lagerung gemessen an Balken 10 x 10 x 50 cm.

Weiterhin wurden von allen Betonen von jeweils einem Balken Abschnitte von ca. 2 cm hergestellt, die sowohl für Anschliffe als auch für Dünnschliffe (siehe Teilprojekt E 07) Verwendung finden. Durch Auflicht- und Durchlichtmikroskopie soll an diesen Proben der Ablauf der Alkali-Zuschlag-Reaktion und die Bildung der Reaktionsprodukte ausgehend von alkaliempfindlichen Gesteinen festgestellt werden. An diesen Platten werden weiterhin die Reaktionen der alkaliempfindlichen Zuschläge durch Anfärbemethoden beurteilt.

1. Eigenschaften der Referenz- und Vergleichsbetone

Entsprechend der Arbeitsanweisung für das "Prüfverfahren für die technologischen Untersuchungen" (TOP 4. Referenzbeton) und dem Protokoll der Sitzung AG 1 - AG 3 am 12. Juni 1996 FKZ 01 - ZB 9505 und 01 - ZB 9506 wurden ein Referenz- und ein Vergleichsbeton hergestellt. Die Zusammensetzung, die Frischbeton- und Festbetonwerte sind in den Tabellen 5, 6 und 7 dargestellt.

2. Teilauswertung der bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse

2.1 Ausgangsstoffe
Bei der Auswahl der Zuschläge für die Ausgangsbetone wurde grundsätzlich auf Zuschläge aus Schleswig-Holstein zurückgegriffen. Vor dem Betonieren wurden die Zuschläge nach der Richtlinie des DAfStb „Alkalireaktion im Beton" Ausgabe 12/86 untersucht. Die Tabellen 1 bis 4 enthalten den Anteil an Opalsandstein und Flint aufgrund der petrographischen Untersuchung. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Zuschlag der Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII (bedenklich, erhebliche Mengen an Opalsandstein) enthielt. Es handelte sich hierbei um einen Zuschlag aus einer Grube Ost-Holsteins, der nur für Innenbauteile Verwendung findet.
Die Zuschläge der Empfindlichkeitsklasse EI (unbedenklich) und EII (bedingt brauchbar) enthalten Opalsandstein sowie dichte und poröse Flinte in den jeweils für die Empfindlichkeitsklasse zulässigen Mengen.
Der für alle Betone verwendete Sand entsprach der Empfindlichkeitsklasse EI (unbedenklich) mit einem Anteil von 0,5 M-% Durchgang durch das Sieb 0,5 mm für die Kornklasse 1/2 mm.

Aus den vorgenannten Zuschlägen wurde eine Kornzusammensetzung entsprechend der Sieblinie A/B₃₂ für die Herstellung der Ausgangsbetone gewählt. Hierbei wurde davon ausgegangen, daß beim Herstellen der Zuschläge für die Sekundärbetone eine Zerkleinerung der weicheren alkaliempfindlichen Zuschläge stattfindet, so daß bei einem Größtkorn von 16 mm nur mit sehr verringerter Korngröße der alkaliempfindlichen Zuschläge zu rechnen ist.

Für die Sekundärbetone wurde eine Zuschlagzusammensetzung entsprechend der Sieblinie A/B₁₆ gewählt. Im Bereich 0-2 mm wurde der Brechsand durch einen Sand EI Lieferkörnung 0/2a ersetzt.

2.1 Frischbetoneigenschaften
Bei der Herstellung der Ausgangsbetone wurden der jeweilige w/z-Wert und die Zementmenge eingehalten (siehe Tabelle 8). Hierbei zeigte sich, daß die Betone der Gruppe BII mit Zuschlägen der Empfindlichkeitsklasse EIII im allgemeinen geringere Ausbreitmaße lieferten bei gleichzeitig etwas erhöhten Luftporengehalten.
Die aus dem rezyklierten Zuschlag der Ausgangsbetone hergestellten Sekundärbetone weisen generell niedrigere Frischbetonrohdichten auf. Die Luftporengehalte der Sekundärbetone liegen durchschnittlich um ca. 1 Vol.-% über denen der Ausgangsbetone.

2.3 Festbetoneigenschaften
Die Druckfestigkeiten und Spaltzugfestigkeiten der Ausgangsbetone und der Sekundärbetone weisen trotz etwas geringerer Festbetonrohdichten der Sekundärbetone vergleichbare Werte auf. Der statische E-Modul mit durchschnittlich 26500 N/mm² der Sekundärbetone liegt um ca. 15 % niedriger als der der Ausgangsbetone.

2.4 Verhalten der Betone bei Lagerung im Klima 40/100 und Außenlagerung
Nach einer Erhärtungszeit der Betone von ca. 24 h wurden die Balken 10 x 10 x 50 cm sowie 1 Würfel mit 30 cm Kantenlänge in die Nebelkammer eingelagert. Vor der Einlagerung erfolgte bei den Balken die 1. Längenmessung. Dementsprechend beinhalten alle Dehnungsmessungen die Temperatur- und eine mögliche Feuchtigkeitsdehnung. Dehnungen, die unter diesen Bedingungen 0,50 mm/m überschreiten, führen erfahrungsgemäß an Bauteilen zu Schädigungen in Form von Rißbildungen.

Betone, hergestellt aus Zuschlag der Alkaliempfindlichkeitsklasse EIII (bedenklich), enthielten derart hohe Anteile an Opalsandstein, daß hier das Pessimum weit überschritten war. Selbst bei den Sekundärbetonen wurde der kritische Wert von 0,50 mm/m nicht überschritten. Sekundärbetone, die aus Ausgangsbetonen mit mindestens 4 Monate Nebelkammer-Vorlagerung hergestellt wurden, weisen deutliche Dehnungen über den vorgenannten Grenzwert auf. Darüber hinaus sind Rißbildungen an den Balken 10 cm x 10 cm x 50 cm aufgetreten.
Bei ausreichend hohem Alkaligehalt neigen alle Sekundärbetone aus Zuschlägen der Alkaliempfindlichkeitsklassen EI und EII zu Dehnungen über 0,50 mm/m. Lediglich Sekundärbetone (S1) aus Ausgangsbetonen mit CEM III A oder Sekundärbetone (S2) mit NA-Zement sind hiervon ausgenommen.
Neben den Dehnungsmessungen an Balken wurden Würfel von 30 cm Kantenlänge aus diesen Betonen auf Rißbildungen untersucht. Die Aussagen der Dehnungsmessungen wurden durch Rißbildungen an den Würfeln bestätigt Die Rißbildungen an den Würfeln bei Lagerung 40/100 treten bei der Außenlagerung um ca. 3 bis 6 Monate zeitversetzt auf. In der Tabelle 9 sind die an den Würfeln beobachteten Schäden zusammengestellt.

3. Gegenwärtiger Erkenntnisstand

Die bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse zeigen, daß eine deutliche Abhängigkeit zwischen dem Alkaligehalt im Beton und einer schädigenden Alkalireaktion besteht. Selbst bei Zuschlägen der Alkaliempfindlichkeitsklasse EI (unbedenklich) treten bei ausreichend hohem Alkaligehalt im Sekundärbeton (S1) Dehnungen auf, die den Grenzwert 0,50 mm/m überschreiten und an Würfeln mit 30 cm Kantenlänge zu Rißbildungen führen. Bei Verwendung von NA-Zement auch bei hohen Zementgehalten von 400 kg/m³ im Sekundärbeton (S2) wurden keine Schäden beobachtet, die Dehnungen überschreiten den vorgenannten Grenzwert in keinem Fall.
Sekundärbetone, bei denen der Ausgangsbeton unter Verwendung von CEM III A hergestellt wurde, weisen weder Schäden auf, noch liegen die Dehnungen über den Vergleichsbeton (S2) mit NA-Zement. Um eine generelle Aussage darüber treffen zu können, ob in allen Fällen der Hüttensand der CEM III eine schädigende Alkalireaktion verhindert, bedarf es zur Absicherung eines größeren Untersuchungsumfangs.

Tabelle 1:

Ausgangsbetone BII (w/z = 0,45 Zementgehalt 400 kg/m³)

A – Ausgangsbeton
S1- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 32,5 R Na₂O-Äquivalent > 1,20 M-%
S2- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 42,5 NA Na₂O-Äquivalent < 0,60 M-%

Tabelle 2:

Ausgangsbetone BI (w/z = 0,60 Zementgehalt 300 kg/m³)

A – Ausgangsbeton
S1- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 32,5 R Na₂O-Äquivalent > 1,20 M-%
S2- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 42,5 NA Na₂O-Äquivalent < 0,60 M-%

Tabelle 3:

Ausgangsbetone mit mindestens 4 Monate Nebelkammer-Vorlagerung BII (w/z = 0,45 Zementgehalt 400 kg/m³)

A – Ausgangsbeton
S1- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 32,5 R Na₂O-Äquivalent > 1,20 M-%
S2- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 42,5 NA Na₂O-Äquivalent < 0,60 M-%

Tabelle 4:

Ausgangsbetone mit mindestens 4 Monate Nebelkammer-Vorlagerung BI (w/z = 0,60 Zementgehalt 300 kg/m³)

A – Ausgangsbeton
S1- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 32,5 R Na₂O-Äquivalent > 1,20 M-%
S2- Sekundärbeton aus Ausgangsbeton; CEM I 42,5 NA Na₂O-Äquivalent < 0,60 M-%

Tabelle 5:

Zusammensetzung Referenzbeton und Vergleichsbeton

Tabelle 6:

Frischbetonwerte Referenzbeton und Vergleichsbeton

Tabelle 7:

Festbetonwerte Referenzbeton und Vergleichsbeton

Tabelle 8:

Bezeichnung der Betone

Tabelle 9:

Beurteilung der Würfel 30 cm Kantenlänge bei Lagerung 40/100 und Außenlagerung

*) Lagerung < 6 Monate