Schadensrisiko und Schadensentwicklung in Betonfahrbahndecken als Folge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald S. Müller
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 165295427

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des hier vorgestellten Teilprojekts TP6 konnte mittels experimenteller Untersuchungen die zeitliche Veränderung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Betonen unter AKR-Einwirkung bestimmt werden. Hierfür wurden zahlreiche (bruch-)mechanische Materialkennwerte (Druck- und Zugfestigkeit, statischer und dynamischer E-Modul sowie Nettozugfestigkeit und Bruchenergie) an Probekörpern unterschiedlicher Größe und Form zweier typischer Straßenbetone ermittelt. Diese waren unter Verwendung von slow/late Gesteinskörnungen (Granodiorit in Kombination mit Oberrheinkies sowie Sauerländer Grauwacke) hergestellt worden und sowohl einem hohen internen AKR-Schädigungspotential als auch einer externen Alkalizufuhr unterworfen. Im Rahmen der Untersuchungen konnten erstmals die Auswirkungen einer schädigenden AKR auf das Nachbruchverhalten bzw. die Nettozugfestigkeit quantifiziert werden. Sowohl an zeitraffend beanspruchten Laborproben als auch an Probekörpern eines Autobahnabschnitts mit AKR-Schäden war eine signifikante Reduzierung der Nettozugfestigkeit zu beobachten. Aus den experimentellen Untersuchungen konnten Materialgesetze für AKR-geschädigte Betone (Spannungs-Rissöffnungsbeziehung unter AKR-Einfluss) und somit realistische Eingangsgrößen in Bezug auf den Widerstand von Beton gegenüber einer Rissbildung und -ausbreitung für numerische Berechnungen hergeleitet werden. Mit Hilfe der theoretisch-analytischen Untersuchungen am numerisch modellierten Schichtsystem Betonfahrbahn wurden zunächst die komplexen Beanspruchungen bzw. die aus den Einwirkungen Temperatur, Feuchte, Verkehr und AKR resultierenden Spannungsverläufe einzeln und nach Überlagerung, quantitativ beschrieben. Erstmalig konnte dabei ein realistischer AKR-Dehnungsverlauf über die Betonplattenhöhe implementiert werden. Unter thermischer und hygrischer Beanspruchung konnte gezeigt werden, ob überhaupt, in welchem Umfang und in welchen Bereichen der Betondecke die Voraussetzungen für eine AKR gegeben sind. Während durch ein hohes Feuchteangebot an der Unterseite der Betondecke („schlechte“ Entwässerung) über das Jahr betrachtet, ab einer Tiefe von 2 cm stets ein ausreichender Feuchetgehalt vorhanden ist, werden bei reduziertem Feuchteangebot („gute“ Entwässerung) an der Unterseite der Betondecke ausschließlich in der unteren Hälfte die Feuchtebedingungen für die AKR über das ganze Jahr erfüllt. Die durchgeführten numerischen Untersuchungen ergaben ein erhöhtes Schadensrisiko im oberflächennahen Bereich der Betonfahrbahndecke (bis zu einer Tiefe von 3 cm) durch die resultierenden hohen Zugspannungen infolge der kombinierten Beanspruchung aus thermisch-hygrischer Belastung und gleichzeitiger AKR-Einwirkung, welche maßgeblich vom Feuchteangebot an der Unterseite der Betondecke (Entwässerung) beeinflusst werden. Durch ein reduziertes Feuchteangebot setzt die Rissbildung sehr viel später und in geringerem Umfang ein, so dass eine Schadensentwicklung infolge AKR unter den Randbedingungen einer guten Entwässerung als deutlich unkritischer als bei schlechter Entwässerung einzustufen ist. Zur Eindämmung der Schadensentwicklung bieten sich gezielt durchgeführte Fugenschnitte an, die je nach Größe der vorliegenden Dehnungen im oberflächennahen Bereich der Betondecke in unterschiedlicher Lage, Breite und Tiefe zum Abbau der systembedingten Spannungen infolge AKR ausgeführt werden müssen. Insgesamt lässt sich bedingt durch die Eindämmung der Schadensentwicklung die Lebensdauer von Fahrbahnen aus Beton verlängern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Schadensrisiko und Schadensentwicklung in Betonfahrbahndecken als Folge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion. 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium, Ruhr-Universität, Bochum, 2013, S. 165-170
  Wiedmann, A.
  
• AKR unter kombinierten Einwirkungen – Schadensentwicklung in Betonfahrbahnen. In: Tagungsbericht 19. Internationale Baustofftagung ibausil, Band 1, Weimar, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig (Hrsg.), 2015, S. 1485-1492
  Wiedmann, A.; Kotan, E.; Müller, H. S.
  
• Auswirkungen von Ermüdungsbeanspruchungen auf Struktur und Eigenschaften von Fahrbahndeckenbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau (01/2015), S. 22-33
  Weise, F.; Wiedmann, A.; Voland, K.; Kotan, E.; Ehrig, K.; Müller, H. S.
  
• Damage risk and development in concrete pavements caused by an Alkali-Silica Reaction. In: Proceedings of the 4th Intl. Conference Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting IV (ICCRRR 2015), Leipzig, Dehn, F.; Beushausen, H.-D.; Alexander, M.G.; Moyo, P. (Eds.), 2015, S. 91-98 (CD-ROM)
  Wiedmann, A.; Kotan, E.; Müller, H. S.
  
• Auswirkungen einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonfahrbahndecken. 5. DAfStb-Jahrestagung mit 58. Forschungskolloquium, TU Kaiserslautern, Kaiserslautern, 2017, S. 98-109 (Band 1)
  Wiedmann, A.
  
• Effects of fatigue loading and alkali-silica reaction on the mechanical behavior of pavement concrete. In: Structural Concrete, Volume 18 (2017), Issue 4, S. 539-549
  Wiedmann, A.; Weise, F.; Kotan, E.; Müller, H. S.; Meng, B.
  
• AKR unter kombinierten Einwirkungen – Schadensrisiko und Schadensentwicklung in Betonfahrbahnen. In: Tagungsbericht 20. Internationale Baustofftagung ibausil, Band 2, Weimar, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Prof. Dr.-Ing. H.-M. Ludwig (Hrsg.), 2018, S. 107-114
  Wiedmann, A.; Kotan, E.; Müller, H. S.
  
• Multiscale Modelling of ASR induced Deterioration in Concrete Pavements. In: 13th International Symposium on Concrete Roads, Berlin, 2018
  Wiedmann, A.; Iskhakov, T.; Kotan, E.; Timothy, J. J.; Müller, H. S.; Meschke,. G.