Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Überblick

Schädigung eines Sperrwerks infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (Betonkrebs)Schädigung eines Sperrwerks infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) reagieren alkaliempfindliche SiO2-Bestandteile der Gesteinskörnung mit den Alkali- und Hydroxid-Ionen (K+, Na+ und OH-) der Porenlösung im Beton zu einem Alkali-Kieselgel, das bestrebt ist, Wasser aufzunehmen. Unter ungünstigen Umständen vergrößert sich dabei das Volumen des Alkali-Kieselgels mit der Zeit so stark, dass lokal Quelldrücke auftreten, die das Betongefüge schädigen und äußerlich zu Netzrissbildung, Ausblühungen und Abplatzungen führen können. Fachleute sprechen dann von einer "schädigenden AKR", die in Medienberichten häufig als "Betonkrebs" bezeichnet wird. Die Dauerhaftigkeit des Betons kann dadurch beeinträchtigt werden. Die Standsicherheit betroffener Bauteile ist jedoch in der Regel nicht gefährdet. Die Schadensbilder treten normalerweise erst nach einem Zeitraum von 5 bis 10 Jahren und mehr auf. Voraussetzung für eine schädigende AKR im Beton (Betonkrebs) ist:

  • ausreichende Feuchtigkeit
  • hoher wirksamer Alkaligehalt in der Porenlösung des Betons
  • alkaliempfindliche Gesteinskörnung

Regelwerke bezüglich AKR

Pop-out an der Oberfläche eines BetonprobekörpersPop-out an der Oberfläche eines Betonprobekörpers

In Deutschland regelt die "Alkali-Richtlinie" des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton e.V. (DAfStb) die Maßnahmen zur Vermeidung einer schädigenden AKR. Um Maßnahmen zur Vermeidung festlegen zu können, müssen die Umgebungsbedingungen des Betons in Form der Feuchtigkeitsklasse und die Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung in Form der Alkaliempfindlichkeitsklasse beschrieben werden. Hierzu ist jede Gesteinskörnung nach DIN EN 12620, die in Deutschland für Beton nach EN 206-1/DIN 1045-2 verwendet werden soll, in eine Alkaliempfindlichkeitsklasse einzustufen. Bei bestimmten Kombinationen aus Feuchtigkeitsklasse, Alkaliempfindlichkeitsklasse und ggf. Zementgehalt des Betons sind vorbeugende Maßnahmen anzuwenden. Die Alkali-Richtlinie gibt sowohl die Prüfmethoden und Kriterien zur Einstufung von Gesteinskörnungen in eine der Alkaliempfindlichkeitsklassen als auch die vorbeugenden betontechnologischen Maßnahmen an. Eine schädigende AKR kann im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen vermieden werden:

  • Austausch der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung
  • Reduzierung des Alkaligehaltes der Porenlösung des Betons

Letzteres kann durch die Verwendung spezieller Zemente mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt erreicht werden. In Deutschland sind diese Zemente, die auch als NA-Zemente bezeichnet werden, in der DIN 1164-10 genormt. Hierzu gehören Portlandzemente, Portlandhüttenzemente und Hochofenzemente. Prinzipiell ist auch die Verwendung von Puzzolanen als Hauptbestandteil von Zementen oder Betonzusatzstoff zu diesem Zweck geeignet. Regelungen hierzu wurden in Deutschland bisher noch nicht getroffen.

In vielen Fällen können auch alkaliempfindliche Gesteinskörnungen im Beton für Bauwerke des Hoch- und Ingenieurbaus ohne besondere Maßnahmen verwendet werden. Dies hängt von der Betonzusammensetzung (Zementgehalt) und den Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeitsklasse) ab.

Bei Betonfahrbahndecken nach ZTV Beton-StB der Belastungsklassen Bk 100 bis Bk 1,8 gemäß RStO (z. B. Autobahnen) werden auf Grund der hohen dynamischen Beanspruchung und der Alkalizufuhr von außen durch Streusalze die Anforderungen durch die TL Beton-StB 07 und durch das Allgemeine Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 04/2013 des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS) festgelegt.

In den letzten Jahren wurden sogenannte AKR-Performance-Prüfverfahren entwickelt, mit denen untersucht wird, ob für eine bestimmte Betonzusammensetzung eine schädigende AKR ausgeschlossen werden kann. Der Vorteil besteht darin, dass die einzelnen Komponenten des Betons in ihrem Zusammenwirken beurteilt werden und nicht einzelne Bestandteile. Bei neuen Betonfahrbahndecken können Betonkrebs bzw. AKR-Schäden heute sehr viel zielsicherer vermieden werden, in dem das AKR-Schädigungspotenzial von Betonzusammensetzungen vor dem Einbau in AKR-Performance-Prüfungen untersucht wird.

Gemäß dem ARS Nr. 04/2013 kann die Alkaliunbedenklichkeit einer groben Gesteinskörnung für Beton der Feuchtigkeitsklasse WS in einer WS-Grundprüfung nachgewiesen werden. Die Grundprüfung beinhaltet zunächst die Prüfung der Alkaliempfindlichkeit aller zur Verwendung in Fahrbahndecken aus Beton vorgesehenen Korngruppen der Gewinnungsstätte mit einem Schnelltest (Referenz- oder Alternativverfahren) nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie. Zur Berücksichtigung von natürlichen Schwankungen geschieht dies an Proben von drei Probennahmen. Auf diesen Ergebnissen aufbauend erfolgen die mineralogische/petrographische Charakterisierung sowie die Prüfung mittels WS-Betonversuch für ausgewählte Korngruppen. Je nach verwendeter Betonzusammensetzung wird zwischen einer WS-Grundprüfung für Beton mit einem Größtkorn der zu verwendenden Korngruppe von 8 mm (Oberbeton (0/8)) und für Beton mit einem Größtkorn > 8 mm (Oberbeton (D>8) und Unterbeton) unterschieden. 

Besteht ein Beton die AKR-Performance-Prüfung bzw. besteht eine Gesteinskörnungen die WS-Grundprüfung, dann können zu späteren Zeitpunkten der Beton oder die Gesteinskörnung kurzfristig in einer Bestätigungsprüfung beurteilt und bei ausreichender Übereinstimmung mit den Ausgangswerten für den Bau von Fahrbahndecken eingesetzt werden. Zur Beurteilung der Übereinstimmung werden aktuelle Proben der Gesteinskörnung mittels Schnelltest und mineralogisch/petrographisch untersucht. Die Eignung kann entweder regelmäßig durch die Fremdüberwachung oder einmalig vor Betonierbeginn eines Bauvorhabens bestätigt werden. Bei Betonen sind auch die weiteren Ausgangsstoffe zu überprüfen.

AKR-Schäden an einer Betonfahrbahndecke können durch Bildung von Rissen und Ausbrücken zur Gefahr werden.
Bei einer schädigenden AKR vergrößert sich das Volumen des Alkali-Kieselgels so stark, dass der Beton reißt.
Auch Bauwerke können durch eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Mitleidenschaft gezogen werden.
400-fache Vergrößerung einer Luftpore in Beton, die mit Alkali-Kieselgel ausgefüllt ist, dass schollenartig gerissen ist.
Ansammlung von Alkali-Kieselgel in einer Verdichtungspore eine Betons neben einem Kieskorn.
Herstellung eines Prüfkörpers im VDZ-Betonlabor zur Untersuchung des Widerstands gegen Alkali-Kieselsäure-Reaktion eines Betons.

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VDZ-Leistungsangebot Beton & Mörtel

Übersicht aller VDZ-Leistungen im Bereich Beton und Mörtel.

Information Betontechnik

VDZ-Information Betontechnik zur Lieferung von Beton der Feuchtigkeitsklasse WS für Fahrbahndecken

Information Betontechnik

VDZ-Information Betontechnik zu NA-Zementen: Kein Allheilmittel zur Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken