Einfluss von Phonolith-Gesteinsmehl auf das Alkaliangebot für eine ...

Sachbericht
Einfluss von Phonolith-Gesteinsmehl auf das Alkaliangebot
für eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion
gefördert durch
das Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Württemberg
im Rahmen der
Innovationsgutscheine A & B für kleinere und mittlere Unternehmen
Laufzeit: 16.11.2010 – 30.09.2011
Problemstellung:
Eine Möglichkeit, um eine betonschädigende AKR zu vermeiden, ist der Einsatz
puzzolanischer Zusatzstoffe oder die Verwendung von Portlandpuzzolanzementen. Die
Verwendung von Phonolith-Gesteinsmehl als Hauptbestandteil in Portlandpuzzolanzementen
wird zur Vermeidung einer schadhaften AKR in Deutschland aber bisher
nicht in Betracht gezogen. Als ersten Grund sind die hohen Gesamtalkaligehalte von größer
8 M.-% des Phonolith-Gesteinsmehls als Hauptbestandteil in Portlandpuzzolanzementen
oder auch als Betonzusatzstoff zu nennen. Ein weiterer Grund ist, dass die
Leistungsfähigkeit von Phonolith- Gesteinsmehl mit den in Deutschland verfügbaren
Betonausgangsstoffen noch nicht systematisch untersucht wurde. Jedoch ist immer wieder in
der Diskussion die Frage, inwieweit der bereits erwähnte Alkalireichtum für den Phonolith
wirksame Alkalien für eine schädigende Alkalireaktion zur Verfügung stellt oder ob der
Phonolith zu einer Verringerung des Anteils wirksamer Alkalien entsprechend der
Zementaustauschrate führt (Verdünnungseffekt). Die wichtigste Voraussetzung für die „AKR-
Wirksamkeit“ von Phonolith-Gesteinsmehl ist demnach, dass kein wirksamer Alkalieintrag in
den Beton stattfindet. Das bedeutet aber durchaus, dass Phonolith-Gesteinsmehl einen
nennenswerten Alkaligehalt aufweisen darf. Der Nachweis für diese Behauptung wurde aber
bisher noch nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht.
Innovation:
Durch die Entwicklung vorhandener und adaptierter Schnellversuche ist es zukünftig
möglich, eine Vorauswahl von unterschiedlich in Frage kommenden Anteilen von Phonolith
als Zusatzstoff oder als Hauptbestandteil in Portlandpuzzolanzementen in Verbindung mit
konkreten Gesteinskörnungen zu treffen. Durch die gezielte Vorauswahl müssen zeit- und
kostenintensive Beton-Performance-Prüfungen nur mit aussichtsreichen Betonzusammensetzungen
durchgeführt werden.

Die Ergebnisse der Schnellversuche wurden mit einer systematischen Analyse von löslichen
Alkalien in Abhängigkeit des Aufschlussverfahrens wissenschaftlich untersucht.
Abschließend wurden die aus den Schnellversuchen und chemischen Analysen gewonnenen
Erkenntnisse mit ausgewählten Betonzusammensetzungen in acht Beton-Performance-
Prüfungen bestätigt.
Durch die Analyse von ausgepressten Porenlösungen und wasserlöslichen Alkalien wurde
der Einfluss auf eine schädigende AKR untersucht. Aus der Extraktion mit Wasser zeigte
sich, dass das Na2O-Äquivalent der Zemente sich durch die Phonolithbeimischung
verringert. Durch Variation des Aufschlusses mit 1 n NaOH bzw. KOH (pH-Wert = 14) konnte
der maximal wirksame Alkaligehalt des Phonolith-Gesteinsmehls zu 0,247 M.-% bestimmt
werden.
Die Analyse von ausgepressten Porenlösungen an 28 Tagen alten Zementsteinproben
zeigte, dass bei hohen Na2O-Äquivalenten der Portlandzemente sich das Phonolith mindernd
auf den OH - -Gehalt auswirkt, während bei geringeren Na2O-Äquivalenten der
Portlandzemente der OH - -Gehalt erhöht wird. Die Hydratation bei
Portlandpuzzolanzementen ist jedoch nach 28 Tagen noch nicht vollständig abgeschlossen.
Die Analyse von ausgepressten Porenlösungen an 365 Tage alten Zementsteinproben war
zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieses Abschlussberichtes noch nicht abgeschlossen und
wird gesondert veröffentlicht.
Des Weiteren zeigten die Analysen der Porenlösungen, dass der Kaliumgehalt in den
Porenlösungen bei Verwendung von Phonolith abgeschwächt wird, während die
Natriumgehalte leicht ansteigen, je mehr Phonolith den Portlandzementen beigemischt
wurde. Die Calciumgehalte sanken mit der Zeit, da sich bei der Hydratation das SiO2 mit dem
Calcium zu CSH verbindet. Die mit Phonolith gemischten Zemente benötigen durch den
erhöhten Anteil an SiO2 mehr Calcium gegenüber den Portlandzementen, um CSH-Phasen
zu bilden. Das bedeutet, dass weniger Calcium im Alkalikieselsäuregel gebunden werden
kann und somit der Quelldruck geringer wird. Somit besitzt Phonolith als Zusatzstoff einen
vorteilhaften Effekt hinsichtlich Dehnung und Rissbildung.
Zusammenfassend kann aus den Untersuchungen abgeleitet werden, dass Phonolith-
Gesteinsmehl als Zusatzstoff mit einer spezifischen Oberfläche von < 524 m²/kg eine
schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton, der während der Nutzung häufig oder
längere Zeit feucht ist (Feuchtigkeitsklasse WF), mindert.
Nationale und internationale Veröffentlichungen im Rahmen der geförderten
Innovationsgutscheine A & B für kleine und mittlere Unternehmen:
Kerschl, C. (2011): Beitrag zum Einfluss von getempertem Phonolith-Gesteinsmehl auf
das Alkaliangebot für eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Diplomarbeit an der
Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart in Kooperation mit dem Institut für Werkstoffe im
Bauwesen der Universität Stuttgart, Betreuer: Dr. Mielich

Mielich, O.; Reinhardt, H.-W. (2012): Influence of phonolite rock powder on the
mitigation at an alkali-silica reaction. 14 th International Conference on Alkali Aggregate
Reaction, Austin, Texas, USA, May 20-25, 2012, in Vorbereitung
Mielich, O.; Reinhardt, H.-W. (2012): Influence of phonolite rock powder on the alkali
availability for an alkali-silica reaction. International Congress on durability of concrete,
Trondheim, Norway, June 18-21, 2012, in Vorbereitung
Mielich, O.; Reinhardt, H.-W. (2012): The influence of phonolite rock powder as
supplementary cementitious material on ASR. 3 rd International Conference on Concrete
Repair, Rehabilitation and Retrofitting, Cape Town, South Africa, September 3-5 2012, in
Vorbereitung
Mielich, O.; Reinhardt, H.-W. (2012): Wirkungsweise von Phonolith-Gesteinsmehl als
Zusatzstoff zur Vermeidung einer AKR. 18. Internationale Baustofftagung, Weimar, 12. bis
15. September 2012, in Vorbereitung
Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Oliver Mielich
Telefon: 0711/685-62261
E-Mail: oliver.mielich@mpa.uni-stuttgart.de