Alkalitreiben und seine Vermeidung

   


Alkalitreiben

Die am frühesten, gegen Ende der 1930er Jahre aufgeklärte Treibreaktion ist durch Alkali-Zuschlag-Reaktion bedingt, die erst vierzig Jahre danach erkannte Ursache einer Treibreaktion nach rüder Wärmebehandlung jedoch durch Volumenzunahmen in der Matrix infolge später bzw. sekundärer Ettringitbildung [1; 2]. Jeweils spielt Wasser die Rolle eines Reaktionsmediums und -partners. D.h., bei trockenen Umgebungsbedingungen und kleinster Querabmessung < 500 mm tritt keine Schadensreaktion ein. Bei feuchter Nutzung oder in massigen Bauteilen entscheiden bei der AKR der Gehalt an reaktiven Zuschlagkörnern, wirksamer Alkaligehalt (aus Zement und Zusätzen sowie durch Zufuhr oder migrationsbedingte Konzentration), bei der SEB vor allem die maximale Durchwärmung über den Aufbau und die Auslösung eines Schadensszenarios. Bei Ortbetonkonstruktionen sind Abläufe von drei bis zu dreißig Jahren und mehr bekannt, auch die Spätauslösung durch geringfügige Bedingungsänderungen. Dehnungsbeträge (in einaxialer Richtung gedacht oder in schlanken Prüfkörpern und Erzeugnissen) sind vom Verfasser während der reaktionsfördernden Nebelkammerlagerung bis 6 mm/m (bei AKR, ausnahmsweise bis 10mm/m) bzw. 25 mm/m (bei SEB, und hier bis zu vier Jahren im Feuchtraum bzw. in der Nebelkammer) gemessen worden [1; 9]. Diese wurden an Bauteil- bzw. Bauwerksproben bereits geschädigter Objekte als „Restdehnung“ gemessen, d.h., die Gesamtdehnung liegt in meist nur abschätzbarer Höhe darüber. Ferner kann man einen kleinen Anfangsbetrag (bei trockener Ausgangssituation) auf die Feuchtequellung anrechnen. Den Restbetrag bis zu 0,50 mm/m verträgt dann i.a. der Beton noch an bleibender, feststofflich bedingter Längenzunahme (also in einaxialer Richtung gedacht, s. auch [2]). Für rechnergestützte Auswertungen können die Dehnungen in Dehnungsklassen eingeteilt werden [9].

Die skizzierten Erfahrungen lassen grenzwertabhängige Schadensursachen erkennen. Diese gilt es nachzuweisen, zu wichten und auf ein praktisch vertretbares Maß zu begrenzen. Dabei spielen Rückblicke auf Zeiten mit niedrigeren primären, bilanzierbaren Alkaliquellen (Nassverfahren; kaum oder keine alkalihaltige Zusätze) und auf ettringitverträgliche Durchwärmbedingungen eine zentrale Rolle.

Die Preiswirksamkeit der Energie führt bei beiden Ursachenkomplexen zu unterschiedlichen Entwicklungen: bei der Zementherstellung zur Erhöhung der Alkalien, bei der Wärmebehandlung zu eher begrenzten Ettringitgefährdungen (was bei verstärktem betriebswirtschaftlichem Druck auf den Formenumschlag und den Energiepreisen der DDR natürlich nur begrenzt oder gar nicht galt).

Auch wegen der unterschiedlichen praktischen Mengenverhältnisse zwischen Ortbeton und Fertigteilerzeugnissen und wegen der verstärkt erneut auftretenden AKR-Schäden wird diese Treibreaktionsvariante bevorzugt behandelt (s. Beispielobjekte)

Schäden waren in Fülle im staatlichen Wohnungsbau der Bezirke Rostock, Schwerin und Neubrandenburg (kurz Nordbezirke) aufgetreten und von den örtlichen Bauaufsichtsbehörden (Rostock), vom Stadtbaudirektor Rostock und vom Kombinat Industrie- und Hafenbau Stralsund bereits fünf Jahre lang an zentraler Stelle reklamiert worden, zuletzt direkt beim Ministerium, nachdem das Zementkombinat Dessau geantwortet hatte, „wir fertigen Zement nach TGL, am Zement kann es nicht liegen“. Kurz danach wurden im Ortbeton von Verkehrsbauwerken (vor allem der Autobahn 19) sowie Stadtstraßenbrücken flächendeckend gleiche Schäden entdeckt, aber auch im Raum Berlin und Magdeburg. Eine statistische Bilanz der Ortbeton-Schadensobjekte ist in [1] enthalten, weitere naturerhärtete Erzeugnisse darüber hinaus auch in [2].

Ab 1982 tauchten zunehmend Schäden aus Betonen mit Zuschlägen aus mittleren und südlichen Regionen auf, also südlich einer Linie Unterelbe – Potsdam – Frankfurt (Oder) [5; 7], s. nachfolgende Karte.

Glazialmorphologische Übersicht über Ostdeutschland auf der Grundlage eines Fotos der Universitäts- und Forschungsbibliothek Erfurt/Gotha (Vorlage: Joachim Marcinek & Bernhard Nitz, Das Tiefland der DDR (1973).- Verlag: VEB Hermann Haack, Geographisch-Kartographische Anstalt Gotha/Leipzig, 1. Auflage); Abb. 62 daraus, vom Autor in den 1980er Jahren als Grundlage zur Veranschaulichung der Lokalisierung glazifluviatiler Lagerstätten verwendet: N-Provenienz (von Norden bis Dunkelrot), S-Provenienz mit nach S abnehmendem Einfluß glazigener Anteile (von abgestufter Mischprovenienz zwischen Dunkelrot und Hellgelb bis zur reinen S-Provenienz südlich der elsterkaltzeitlichen Feuersteinlinie (gelb)). Nördliche Mischprovenienz s. z. B. Diashow bzw. "Beispielobjekte", Serie 5, letztes Bild. Weiterhin farblich ergänzt. (rot): saale- und weichselkaltzeitliche Stapelstruktur des eozänen Kieselgesteins im Bereich des Hohen Ufers von Heiligenhafen/Fehmarn (Heiligenhafener Gestein) und der (saale-und) weichselkaltzeitlich/pommernstadial geformten Kühlung (Diedrichshäger Berge/nordwestliche Ivendorfer Höhen, mit "Scherbelstein"-Schuppen und -schollen in den Diedrichshäger Bergen). - Wird weiter ausgestaltet. Farbliche Markierungen durch Autor.
Differenzierende Erläuterungen zu Herkunft und Verteilung glazifluviatiler Ablagerungen an Hand geeigneter Abbildungen aus geologischer und physisch-geographischer Literatur (für Flint keine gesonderte Darstellung). Grundelemente dazu sind: 1. Ablagerungsräume der höher reaktiven Gesteine, 2. Transportbahnen in die westliche baltische Depression, z.B. beidseits der Mecklenburgischen Eisscheide (Jasmund – Bergen – Stralsund – Krakow) und 3. die Exarationstiefe:
Die nordischen Vereisungen Mitteleuropas, aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004, S. 9): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Stuttgart. dunkel = Altmoräne; hell = Jungmoräne,

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Gesamtübersicht über die nordischen Vereisungen Mitteleuropas nach Herbert Liedtke (1981): Die nordischen Vereisungen Mitteleuropas. - in: Forschungen zur deutschen Landeskunde, 204, Bonn-Bad Godesberg, Paulinus-Verlag Trier, 307 S. Besonders belastet mit Komponenten der klassischen AKR: Ablagerungen der Jungmoräne (Weichselkaltzeit), hier wiederum des Pommerschen Stadiums. Weniger belastet ist die Altmoräne (Elster, Saale); südlich der „Feuersteinlinie“ (also vorwiegend südlich der elsterkaltzeitlichen Ablagerungen) beginnt die reine Südprovenienz der Zuschläge.

Ablagerungsgebiet der Kieselkreide aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004, S. 174): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Stuttgart. Markierung durch Autor (2008).Unter dem Button "Reaktive Gesteine" ist der submikroskopische Aufbau von Kieselkreide/Opalsandstein abgebildet unter Hervorhebung der gesteinsbildenden Mikrofossilien; Schwammnadeln, Seeigelstacheln und andere Makrofossilien sind untergeordnet beteiligt. Allein für Kreide am Kieler Bach, Jasmund, Rügen, hat E. Muenzberger in seiner Diplomarbeit 1958 (Die Coccolithen der Rügenschen Schreibkreide) einen Anteil von 72 M-% Coccolithen am Gesteinsaufbau beschrieben. Natürlich gibt es einen Unterschied zwischen beiden Gesteinen im Karbonatanteil, nach K. Lemcke (1937) auch gegenüber dem eozänen Kalksandstein der Kühlung, was hier aber nicht weiter erörtert wird.

Stratigraphische Einordnung der Kieselkreide aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004, S. 177): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Stuttgart. Markierung durch Autor (2008).

Ablagerungsgebiet des Mittel- bis Obereozäns aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004, S. 204, hierzu: Opalsandstein (Scherbelstein) bzw. -schluffsteins/-siltsteins des Mittleren Eozäns): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Stuttgart. Markierung durch Autor (2008).

Normalprofil des Paläogens und stratigraphische Einordnung des Mitteleozäns (Draguner Schichten) mit Opalsandstein/-siltstein/-schluffstein (Scherbelstein) aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004, S. 178): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u.Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Stuttgart. Markierung durch Autor (2008).

Karte der Verbreitung der paläozoischen, mesozoischen und tertiären Sedimentgesteine im Untergrund der Ostsee nach J. Ehlers (1990): Untersuchungen zur Morphodynamik der Vereisungen Norddeutschlands.- Bremer Beiträge zur Geographie und Raumplanung, Heft 19, Abb. 17, Univ. Bremen, 166 Seiten.


Fließlinien der Eisausbreitung in die westliche baltische Depression während des Zeitschnittes des Jungbaltischen Gletschers der Weichselkaltzeit (W3) in die Pommersche Bucht, die Mecklenburger Bucht, Kieler Bucht und dänische Ablagerungsgebiete bis zur Ostjütischen Randlage nach H.-J. Stephan (2001): The Young Baltic advance in the Western Baltc depression.- Geological Quarterly 45, 4, S. 359 bis 363, Warscawa. Die Mecklenburger Eisscheide (nächstes Bild) ist die nach SW abzweigende Transportbahn über Rügen.

Die Eisscheide in Mecklenburg aus Reinhard, H. und Richter, G. (1961): Beiträge zur Kenntnis der Eisscheide in Mecklenburg.- Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie, Abhandlungen 113, 1, E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung Nägele u. Obermiller, Stuttgart, S. 55-67, Abb. 3, S. 65. Auch in [6, Seite 38, Bild 1, und Seite 47, Bild 6] und im Tätigkeitsbericht des Vereins Deutscher Zementwerke e. V. von 1969 - 1971, Seite 90, Bild 24, wird der Einfluß der Transportrichtung des Eisstroms auf die Verteilung der Betonzuschlagstoffe dargestellt (dem Beltsee-Gletscherstrom zuzuordnen). So werden von Fehmarn/Heiligenhafen opalsandsteinbelastete Kiessande nach SSW über Eutin, Neumünster, Bad Seegeberg bis Lübeck verfrachtet (ostholsteinische Provenienz). Die Provenienz von Schleswig liegt außerhalb dieses Lieferfächers.

Nachfolgend wird die Eozänverbreitung und -lagerung im regionalen und lokalen Maßstab bildlich veranschaulicht. Die Aufschlussverhältnisse sind, im Gegensatz zum Hohen Ufer von Heiligenhafen, völlig verändert bzw. „historisch“ (wird weiter ausgestaltet, auch bezüglich Heiligenhafen). Fließlinien widerspiegeln von Leitgeschieben begleitete Gesellschaften aus Fern- und Nahgeschieben, wie in [6], ferner im zitierten Tätigkeitsbericht des VDZ von 1969 und im nachfolgend zitierten Exkursionsführer der 72. Tagung der Norddeutschen Geologen in der Hansestadt Lübeck (2005) nachzuvollziehen.

Eozänverbreitung in der Kühlung und Lage der Bohrungen (Abb. 1, S. 920, aus: Heerdt, Siegfried, und Ulrich, Axel (1968): Zur Frage der Herkunft des Eozäns in der Stauchmoräne Kühlung.- Geologie 17, H. 8, Seite 920 bis 929).

Lagerungsschema der Eozänschuppen im Bereich der Bohrung BD 4/63 Kühlungsborn (Abb. 2, S. 923, aus: Heerdt, Siegfried, und Ulrich, Axel (1968): Zur Frage der Herkunft des Eozäns in der Stauchmoräne Kühlung.- Geologie 17, H. 8, Seite 920 bis 929), ET = Endteufe der Bohrung. Von vier Eozänschuppen, die im Ausstrichbereich von maximal 100 m mächtigem Pleistozän getrennt werden, liegen die unteren drei in der Tiefe der Bohrung BD 4/63 unmittelbar übereinander und bei 205 m Teufe auf gleichartigem eozänem Untergrund (= Quartärbasis 137,1 m unter NN). Nach Müller, Ulrich (2007): Die Kühlung - ein Eiszeitphänomen.- Neubrandenburger Geol. Beitr. 7, S. 42 bis 47, wurde diese Stapelung saalekaltzeitlich im Untergrund vorbereitet. Hochweichselkaltzeitlich ist dann die gesamte Stirnstauchmoräne der heutigen Kühlung (Diedrichshäger Berge, nordwestliche Ivendorfer Höhen) aufgestaucht und zu einem Hindernis (Nunatak) des weiteren Vorstoßes aufgetürmt worden (Heerdt, Siegfried (1965): Zur Stratigraphie des Jungpleistozäns im mittleren N-Mecklenburg.- Geologie 14, H. 5/6, Seite 604 f.). Im Hintergrund der Pommerschen Haupteisrandlage (I in der Karte "Eisscheide ..."), etwa der Linie 2 (in der Karte "Eisscheide ...") folgend, hat sich nach Rühberg, Nils (1987): Die Grundmoräne des jüngsten Weichselvorstoßes im Gebiet der DDR.- Zs. Geol. Wiss. 15, H. 6, S. 759 bis 767, noch ein letzter Weichselvorstoß gegen die Stauchwallsysteme gepreßt (W3), der inzwischen als Mecklenburger Vorstoß bezeichnet und nach Rühberg (1987) mit dem Fehmarn-Vorstoß in Schleswig-Holstein paralellisiert wird (auch mit den Ablagerungen im östlichen Odermündungsgebiet). Dieser junge Vorstoß wird in Anlehnung an Schleswig-Holstein "Jungbaltischer Gletscherstrom" genannt (Stephan, Hans-Jürgen (2001): The Young Baltic advance in the western Baltic depression.- Geological Quaterly 45, 4, p. 359 bis 363, Warsaw).

Die Aufeinanderfolge des Basisreliefs und der Ablagerungen der Eiszeiten (Elster, Saale, Weichsel) zeigt für diese Region ein schematischer Schnitt aus der Geologischen Karte von Mecklenburg-Vorpommern (Übersichtskarte 1 : 500 000).- Geologisches Landesamt Mecklenburg-Vorpommern, 1. Aufl., Schwerin 1994.

Die mächtigsten Moränen hat der Gletscher der Pommerschen Hauptrandlage geliefert (Warnkenhagen - Grevesmühlen - Moltow - Zurow - Zusow - Satow - Glasin - Groß Raden - Zahna - Langhagen - Waren - Kargow - Hohenzieritz - Goldenbaum - Neuhof - Feldberg).

Aus Lobenkerben mit Hauptgletschertoren sind bedeutende glazifluviatile Kiessandablagerungen geschüttet worden, die baustofflich genutzt werden (Langhagen östl. von Krakow, Krassow, Neukloster/Perniek, Jesendorf, Roggenstorf östlich von Dassow, Rethwisch östl. von Waren/Müritz). In bezug auf die Nährgebiete sind die Ablagerungen von Jesendorf, Krassow, Perniek/Neukloster besonders opalsandsteinhaltig (in der auflässigen Grube Uhlenkrug bei Neukloster mit regelrechten Blöcken von Scherbelstein). Der Bereich von Rethwisch konnte weder aus tertiärem Untergrund noch aus dem Hinterland der Kühlung mit Opalsandstein/-siltstein/-schluffstein "beliefert" werden, aber z.B. mit sandiger, glaukonitischer Kreide, Kieselkreide und Flint. http://de.wikipedia.org/wiki/Nunatak

Die Südostwand des Aufschlusses „Steineiche“ östlich des Cubanzebaches (Kühlung; aus: Heerdt, Siegfried (1963, Abb. 2, S. 30, umgezeichnet nach Lemcke, Kurt, (1937): Geologie und Tektonik der Diedrichshäger Berge bei Arendsee-Brunshaupten i. M., Diss. Jena, 86 S., 8 Taf, 1 Kartenbeilage; Abb. 1, S. 8): Strukturuntersuchungen am Pleistozän zwischen der Wismarer Bucht und unteren Warnow und ihre Deutung.- Diss. Rostock). In Lemcke (1937, S. 7) sind auch die weiteren Lokalnamen des Scherbelsteins aufgeführt: "Schewelsteen", "Schieferstein" (irreführend wegen fehlender Schieferungstextur). Angeregt durch K. Lemcke und dessen persönliche Führung zu zwei Aufschlüssen bei Bastorf/Kühlungsborn hat H. Schumann, Göttingen, besonders diesen "Scherbelstein" petrographisch untersucht und - mit Nachweis des Opalanteils - beschrieben: Ein mecklenburgischer Glaukonitsandstein.- Chemie der Erde (Hrsg. C. W. Correns u. G. Linck) 13, Jena 1940/41 (eingefügt: 07.04.2011), Seiten 336 bis 350. Dies ist die petrographische Originalbeschreibung des sog. Opalsandsteins. Jene Originalbezeichnung hat auch C. Kabel (1982) verwendet (s. nächsten Textblock).

Heiligenhafener Kliff (Hohes Ufer, 200 m langer Ausschnitt aus 1800 m langem, maximal 16 m hohem Kliff, aus Abb. 19 in: Stephan, H.-J.: Zur weichselzeitlichen Landschaftsentwicklung der Wagrischen Halbinsel.- 72. Tagung der Norddeutschen Geologen in der Hansestadt Lübeck, 17. – 20. Mai 2005, Tagungsband und Exkursionsfürer, S. 129-140, Flintbek (LANU), darin, auf S. 135, 29 Feinkiesanalysen von Geschiebemergeln, aufbauend auf Kabel, C. (1982): Geschiebestratigraphische Untersuchungen im Pleistozän Schleswig-Holsteins und angrenzender Gebiete.- Diss. Univ. Kiel, 213 S., sowie auf Stephan, H.-J. (1985): Exkursionsführer Heiligenhafener „Hohes Ufer“.- Der Geschiebesammler 18, H. 3, S. 83-99, Hamburg, darin auch "kretazischer Kalk" mit der Differenzierung "vorwiegend Kreide und Kieselkreide"(!, Hervorhebung durch Autor der Homepage). Eine weiterführende Schrift zum Jungbaltischen Gletscherstrom verfaßte ebenfalls Stephan, H.-J. (1994): Der jungbaltische Gletschervorstoß in Norddeutschland.- Schrift. Naturwiss. Ver. Schlesw.-Holst. 64, S. 1-15). Mauersignatur: Eozänes Heiligenhafener Kieselgestein, pleistozän verlagert bzw. aufgearbeitet.

Wie in der Kühlung bauen Geschiebemergel aller Eiszeiten und verkieselter eozäner Schluffstein (Heiligenhafener Kieselgestein) das Kliff auf. Es sind vorwiegend der Mittlere (mM) und untere Mergel (uM), beide saalezeitlich (Saalezeit ist am vollständigsten belegt), ferner sind beteiligt Elsterkaltzeit (unterer Teil des Untersten Mergels (utM)) sowie Weichselkaltzeit (oM). Im mittleren Abschnitt ist vom 40 bis 50 m tiefer anstehenden Eozän aus eine große eiszeitliche Stauchschuppe aufgepreßt worden. Die von E nach W zusammengestauchte Schichtenfolge aus eiszeitlichen und tertiären Gesteinen wird von weichselzeitlichm Mergel (oM) diskordant überdeckt. In der Mitte des Steilufers liegt bereits uM auf Schmelzwasserkies mit hohem Anteil an aufgearbeitetem eozänem Heiligenhafener Kieselgestein. Die mindestens zweimalige glazigene Prägung hat saale- und weichselkaltzeitlich stattgefunden (einschl. des Jungbaltischen Vorstoßes = Oberweichsel, s. Stephan (2005), S. 57; der Altbaltische Vorstoß ist ein Mittelweichselstadial und könnte dem Ellundstadial entsprechen).

Eine methodische, regional weitgehend unabhängige und vorwiegend an amerikanischen Verfahren orientierte Übersicht über häufig gestellte Fragen erarbeiteten Farny u. Kerkhoff (2007). Einige dort aufgeführte Standards lieferten auch Ansätze für die Verfahrensentwicklung des Autors und seines Teams von 1982 bis 1985 (ASTM 227; ASTM 289; ASTM 294).