Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonfahrbahnen

Ursache und Wirkung

Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) reagieren Alkalien in der Porenlösung mit löslichem Quarz (Silikat) unter Bildung eines expandierenden Gels. Voraussetzung ist die ausreichende Verfügbarkeit von Alkalien, löslichem Quarz und Wasser, da diese Reaktion ebenfalls, wie die Hydratation des Zements über Lösungsprozesse stattfindet.

Abbildung 1: Verdichtungspore in Betondecke mit randlichen Anhaftungen von AKR-Gel und von der Pore ausgehendem Risssystem

Die Verfügbarkeit von Alkalien ist in den meisten Fällen über den Zement reglementiert, wo eine bekannte Menge an Alkalien in Form des Natrium-Äquivalents (Naequ=Na2O + 0,658*K2O) angegeben wird. Eine Ausnahme bildet die direkte und indirekte Beaufschlagung von Tausalzen im Straßen- und Flughafenbetrieb, sowie in Parkhäusern und auf Parkplätzen, da es hier durch die Enteisungsmittel zu einem zusätzlichen Eintrag von Alkalien in die Porenlösung des Betons kommt.

Ein weiterer Faktor ist die Verfügbarkeit von leicht löslichem Quarz, welcher mitunter die Anfälligkeit und Geschwindigkeit einer AKR bestimmt. Dabei ist die kristalline Struktur des Quarzes ausschlaggebend, welche durch die Entstehung der jeweiligen Gesteine stark variieren kann. Magmatisch kristalline Quarze aus Graniten sind als schwer löslich einzustufen, wohingegen Quarze aus Sedimentgesteinen wie Hornstein, Sandsteinen und Grauwacken aber auch silikatische Einschlüsse in Karbonatgesteinen, eine deutlich höhere Löslichkeit aufweisen.

Neben den chemischen und mineralogischen Voraussetzungen ist die Verfügbarkeit von Wasser elementar für die die Bildung von AKR. Diese ist maßgeblich von der Dichtheit und Beschaffenheit des Betonmikrogefüges abhängig. Neben der verwendeten Zementsorte und dem W/B-Wert spielt hier der richtige Einbau (Verdichtung, Homogenität, Nachbehandlung) des Betons eine tragende Rolle. Selbst kleine Unachtsamkeiten beim Einbau, wie eine mangelnde Nachbehandlung können das Mikrogefüge durch eine signifikante Erhöhung der Kapillarporosität durchgängiger machen, und in weiterer Folge durch zusätzlichen Taumitteleinsatz zu einer betonschädigenden AKR führen. Ebenfalls können Fehler in der Verdichtung zu nicht idealen Luftporensystemen oder Inhomogenitäten führen, welche die Durchgängigkeit des Wassers begünstigen und dadurch erst eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion ermöglichen.

Bei auftretenden Schäden wie Rissbildung und Abplatzungen auf Betondecken und -oberflächen ist es immer ratsam den tatsächlichen Schadensmechanismus ausfindig zu machen, da durch dieses Wissen enorme Kosten in der Instandsetzungs- und Sanierungsplanung, aber auch bei der Schadensvermeidung bei zukünftigen Projekten eingespart werden können. Eine eindeutige Diagnose der Schadensursache ist nur über die Mikroskopie (Polarisationsmikroskopie und/oder Rasterelektronenmikroskopie) des Betongefüges möglich.

Die Abbildung 1 zeigt ein Beispiel einer betonschädigenden AKR, wo das Zusammenspiel von leicht löslichem Quarz (Hornstein und Sandstein) und Taumitteln, in Kombination mit einer mangelnden Nachbehandlung der Betonoberfläche zu einer betonschädigenden AKR mit makroskopischer Netzrissbildung geführt hat.

...Beton vergisst nicht!

Dieser sehr wichtige Grundsatz ist für die Community der Beton Petrographen keine Neuigkeit, aber die Bedeutung absolut unterschätzt. Durch die Möglichkeit die Vergangenheit des Betons, vom Einbau bis zur IST-Zustandsbewertung zu rekonstruieren, können Schadensursachen klar identifiziert oder auch ausgeschlossen werden. Dies ermöglicht den Erhaltern von Infrastruktur bessere Planungssicherheit, Prognosen von Schadensverläufen, Umsetzung von Sanierungs- und Instandsetzungsmaßnahmen sowie Kenntnisse zur Schadensvermeidung.