Entwicklung einer Referenzkörnung für die Alkali-Kieselsäure - GBV

2 GRUNDLAGEN DER ALKALI-KIESELSÄURE-REAKTION
Gegenwart von Ca(OH)2 weiter reagieren. Dabei entstehen CSH-Phasen und die bereits
gebundenen Alkalien werden zum Teil wieder freigesetzt:
K2SiO3 • nH2O + Ca(OH)2 + nH2O → CaSiO3 • nH2O + 2KOH (2.5)
Na2SiO3 • nH2O + Ca(OH)2 + nH2O → CaSiO3 • nH2O + 2NaOH (2.6)
Bei Zufuhr von Feuchtigkeit können die so wieder mobilisierten Alkaliionen in tiefere
Schichten des reaktiven Zuschlagkorns eindringen, um dort ebenfalls zu betonschädigendem
Alkali-Kieselsäure-Gel zu reagieren.
Der Mechanismus, der zum Quellen des Gels führt, wird in der Literatur teils widersprüchlich
diskutiert. Nach STARK [Sta01] nimmt das entstehende Alkali-Kieselsäure-
Gel Wasser aus der Porenlösung auf und vergrößert so sein Volumen durch Quellen.
Demnach soll sich das Gel wie eine semipermeable Wand verhalten, so dass OH - , K +
und Na + in Richtung des reaktiven Korns eindringen, während die Reaktionsprodukte
nicht nach außen wandern können. Nach IDORN und TAYLOR [Ido97, Tay90] ist die
Existenz einer semipermeablen Membran jedoch nicht eindeutig beweisbar.
Das entstehende Alkali-Gel füllt zunächst den umgebenden Porenraum aus und baut
dann einen Quelldruck auf, der bis zu 11 N/mm² nach LOCHER [Loc01] bzw. lt. STARK
[Sta01] sogar bis zu 20 N/mm² erreichen kann. Dies führt zunächst zur Volumenzunahme
des Betons selbst. Wenn die Zugfestigkeit des Betons, die normalerweise bei 3 bis 6
N/mm² liegt, durch den Quelldruck jedoch überschritten wird, führt dies zur Rissbildung
in der Zementsteinmatrix. Auch die Zugfestigkeit des Gesteinskorns kann durch den
Quelldruck überschritten werden, welches dann ebenfalls reißt [Sta01].
Wesentlich für den Quellvorgang ist das Lösen der reaktiven Kieselsäure [Sch04]. Generell
gilt, je höher der pH-Wert der Lösung, desto größer die Löslichkeit der Kieselsäure.
Untersuchungen [Pik55, Nis89, Wie99] zeigen aber, dass sich die Art der Alkalien in
der Porenlösung unterschiedlich auf die Löslichkeit der Kieselsäure auswirkt. So wird
in NaOH-haltigen Lösungen die Kieselsäure schneller gelöst als in gleich stark konzentrierten
KOH-haltigen Lösungen. Natriumhaltiges Alkali-Silikat-Gel scheint daher stärker
quellfähig zu sein als kaliumhaltiges Gel [Hüb99, Sta01].
Nach STARK [Sta01] spielt aber auch der Calcium-Gehalt des Alkali-Silikat-Gels für
dessen Quellfähigkeit eine Rolle. Durch Kontakt mit der Betonmatrix nimmt das Gel
Ca 2+ durch Ionenaustausch (2Na + bzw. 2K + ↔ Ca 2+ ) auf, so dass aus Na2SiO3 • nH2O
bzw. K2SiO3 • nH2O ein calciumreiches Gel (Calcium-Silikat-Hydrat, siehe Gleichung
2.5 und 2.6) entsteht [Wie89]. Je höher der Gehalt an Calcium im Gel, desto zähflüssiger
wird es und desto geringer ist seine Quellfähigkeit [Sta01].
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