Höher alkaliempfindliche Gesteinsarten ("Nord- und Südprovenienz") in fallender Tendenz
Opalsandstein (so auch Kieselkreide, Rasterelmi-Aufnahme Dr. A. Kühl, Freibg.1982), verkieselte planktonische Einzeller
Opalsandstein, durch Treiben herausgehoben und Dreisternriß bildend (Betonversuche 1979)
Kieselkreide-Ausplatzung (25.07.2005 aufgelesen auf Kappen BW 24A der A 14).
Schema zu linkem Bild.
Grauer Flint mit niedrig rohdichtem Rand und dichtem Kern und Gelausscheidung (Betonversuche 1979)
Grauwackenschiefer-Splittkorn mit rißbildender Schieferflächenweitung durch Gelbildung (Gutacht. 1982)
Kieselschiefergeröll mit Reaktionsprodukten (Gel), (Gutacht. Magdeburger Brücken, Elbekies unterhalb Saalemündung)
Ignimbrit mit Reaktionsprodukten (Gel) in Terrazzoplatte, treibbedingte Höhendifferenzierung (dritte Dimension)
Phonolith mit Reaktionsprodukten (Gel) in Terrazzoplatte, (Gutachten 1986)
Serpentinitkorn in Terrazzoplatte-Unterseite (rißbildend), (Gutachten 1986)
Gestresster Quarz (oben) und dichter, grauer Flint (unten), (Gutachten 1989)
Reaktiver Quarzit, (Gutachten 1991)
Die Beispiele können im Zuschlag vergesellschaftet vorkommen und haben verschiedene Reaktionsgrade. Die erste Gruppe von drei Komponenten (Opalsandstein, Kieselkreide (= Mischungsreihe zwischen Kreidekalk und Feuersteincristobalit; Kieselkreide oder Kieselkalk, polnisch "Opoka"), sandige, glaukonitische Kreide, ebenfalls mit opalinem Bindemittel, Flint) repräsentieren die Nordprovenienz, die weiteren die Südprovenienz (ab 1981 bis 1990 festgestellt). Die genannten Komponenten der Nordprovenienz sind die reaktivsten, diejenigen der Südprovenienz die weniger reaktiven (entsprechend den Moränentransporten können im Süden auch Flinte und Kieselkreide auftreten). Die genannten Komponenten der Südprovenienz können aber durch ihre oft höheren Mengenanteile (Grauwacke, Porphyre, Kieselschiefer) erhöhten Anteil an der Gesamtdehnung des Gemisches haben. Innerhalb der Gruppen gibt es wiederum Abstufungen: Im Norden erweisen sich Kieselkreide, Opalsandstein und sandige, glaukonitische Kreide als fünfmal reaktiver gegenüber niedrig rohdichtem Flint (und noch mehr gegenüber dichtem Flint), im Süden fällt die Reaktivität von Kieselschiefer (Lydit) über Grauwacke (und manche Quarzite) zu sauren Vulkaniten (Rhyolithen ("Porphyren"), spez. Ignimbriten) und manchen Quarzen ab [3, S. 310]. In Zuschlaggemischen bestimmen die Einzelreaktivitäten und der Anteil der Einzelkomponenten am Gesamtgemisch dessen Durchschnittsreaktivität; z.B.heben die mengenmäßig überwiegenden Grauwacken- und Porphyranteile im Nordhäuser Kies den rechnerischen Dehnwert auf Grenzwertniveau, der geringere Kieselschieferanteil erhöht dieses Niveau in den Gefährdungsbereich hinein an. Dies bestätigt auch der Gemischdehnwert [2]. Mit spezifischen Komponentendehnwerten von naturkörnigen Zuschlägen oder von gebrochenen Festgesteinen kann also über die Komponentenanteile das Gemischverhalten vorausbestimmt werden (Trockenmethode, "Feldmethode"). Man kann mit beiden Verfahrensarten arbeiten. Es gilt: nicht ob, sondern wie ein Zuschlag eingesetzt werden soll, entscheidet über seine Verwendung (äußere und innere Milieubedingungen; Reaktivitätsgrad). Korrekturfaktoren können die Absenkung eines kritischen Splittanteils oder - bei nicht korrigierbaren natürlichen Zusammensetzungen - der Austausch im Spezialfall sein. Verbote - z.B. für Verkehrsbauten/Fahrbahnen - werden nicht dem entwickelten Prüfverfahren für Zuschläge mit Komponenten aus z.T. komplexen Silikaten gerecht, da verschlechterte Zuschlagqualitäten suggeriert und die Verwendungen schematisch pauschalisiert werden.
Nachfolgend werden Zuschläge angeführt, sowohl rundkörnige als auch gebrochene, die seit 1979 untersucht wurden, darunter auch potentiell betonschädigend reaktive:
Am 09.06.1987 überbrachte Herr Dr.-Ing. Peter Heinze (Fa. Baumechanisierung Dresden) dem Autor zwei Bruchstücke der Trümmer der Frauenkirche mit der Bitte um Untersuchung in der Hoffnung auf einen Wiederaufbau nach einer eventuellen Wiedervereinigung (unter dem Siegel strengster Verschwiegenheit). Der Elbsandstein/Kreidesandstein hat die Kurzzeitprüfung bestanden (am 28.07.1987 mündlich mitgeteilt).
Nachfolgend wird erläuternd zuerst das unterschiedliche Reaktivitätsverhalten verschiedener Gesteine dargestellt (Konzentrate aus einer petrographischen Auslese aus einem Kies der reinen Südprovenienz (also südlich der Feuersteinlinie, der hellgelben Linie im ersten Bild unter dem Button "Alkalitreiben"), aus [3], ergänzt durch Kieselkreide und dichten Flint, beide aus einer petrographischen Analyse des Kieses Drosa gemäß Prüfzeugnis vom 23.11.1993 sowie durch Grauwacke des Steinbruches Kreuzberg (Lausitz) gemäß Prüfzeugnis vom 10.05.1996). Die Dehnwerte der Kleinprismenprüfung (Autoklav) gehören zu willkürlich ausgewählten Gemischkomponenten und sind nicht als Standards zu verstehen. Bei natürlicher Vergesellschaftung können sie eine Lokalprovenienz repräsentieren, und die Einzeldehnwerte können dann als Summe der masseanteiligen Komponenten den Gemischdehnwert näherungsweise bestimmen lassen (Feldmethode). Auch innerhalb einer Gesteinsart des lokalen Vorkommens hat aber der Petrograph ggf. die mögliche Variationsbreite zu bedenken und zur Festlegung einer Mindestprüfdichte zu nutzen (z. B. innerhalb rhyolithischer Gesteine diese Unterschiede: grundmassearmer Rhyolith ↔ grundmassereicher Rhyolith, Ignimbrit, vulkanisches Glas).
Die rechnerische Summe der masseanteiligen Einzeldehnwerte gem. obiger Tabelle beträgt 0,80 [mm/m], und der Gemischdehnwert, der gesondert bestimmt wurde, ergab ebenfalls 0,80 [mm/m]. Der Grenzdehnwert für betonverträgliche Alkalireaktivität beträgt nach [4] 0,60 mm/m.
Die rechnerische Summe der masseanteiligen Einzeldehnwerte gem. obiger Tabelle beträgt 0,613 [mm/m], und der Gemischdehnwert, der gesondert bestimmt wurde, ergab ebenfalls 0,613 [mm/m]. Der Grenzdehnwert für betonverträgliche Alkalireaktivität beträgt nach [4] 0,60 mm/m.
Gewinnungsorte von Zuschlägen im Gebiet der Nordprovenienz (Ostsee) aus Gerhard Katzung (Herausg.) et al. (2004): Geologie von Mecklenburg-Vorpommern.- Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller www.borntraeger-cramer.de), Abb. 6.1.1-2.(Anlandungsorte waren vorzugsweise Wittower Fähre, Dänhom und Ladebow).
(Eingefügt am 09.06.10): Kieselsäurequellen für die Verkieselung von Makro- und Mikrofossilien (letztere z. B. in Form der Coccolithen; in der Kreide auch für die Bildung verschiedner Flinte) in marinen Ablagerungsräumen der Kreide- und Tertiärzeit standen durch kieselgelhaltige Einschübe aus festländischen Randgebieten unter dem Einfluß warm-feuchter Verwitterungsbedingungen nach weiterem Abtransport der Kieselsäure aus hydrolytisch gespaltenen Silikaten (Feldspäten, Pyroxenen, Amphibolen, Glimmern und Gesteinsgläsern) unter Bedingungen vorwiegend basischer Bodenreaktion (infolge schnellen mikrobiellen Zersatzes organischer Substanz und damit Mangel an Huminsäure) zur Verfügung (etwa nach der Formel für Kalifeldspat: KAlSi3O8 + 4 H2O => K+ + OH- + Al+++ + 3 OH- + 4 H+ + Si3O8, aus Brinkmann, Roland (1950): Emanuel Kayser's Abriß der Geologie, Bd. 1, Allgemeine Geologie, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart). Das Diagramm aus Correns, Carl W. (1940): Über die Löslichkeit von Kieselsäure in schwach sauren und alkalischen Lösungen.- Chemie der Erde (Hrsg. F. Heide) 13, Jena, S. 92-96, oder (1949, Abb. 355): Einführung in die Mineralogie (Kristallographie und Petrologie), Springer-Verlag Berlin Göttingen Heidelberg, 414 S., zeigt die Wirkung steigender Alkalität. Nahe dem Verwitterungsort (z. B. in ästuaren Bereichen) versickernde Lösungen führten zu Einkieselungen sandiger (bis konglomeratischer) Verwitterungs- oder Ablagerungshorizonte (auch in sandigen Linsen oder Zwischenmitteln der Braunkohle oder wie z. B. beim Vortrieb des Leipziger City-Tunnels angefahrene Einlagerungen), wie in der Abbildung eines "Lesesteins" vor der Autobahnraststätte "Plötzetal" zu sehen (A14, Bernburg-Halle), oder es kam direkt zur Verbindung mit der Tonerde (z. B. zu Kaolin, s. auch Engelhardt, Wolf von (1940/41): Zerfall und Aufbau von Mineralen in norddeutschen Bleicherdewaldböden.- Chemie der Erde (Hrsg. F. Heide) 13, Jena, S. 1-49). Das Diagramm aus Correns (1949) zeigt sehr gut die steigende SiO2-Löslichkeit mit wachsendem pH-Wert und den Bereich bzw. die Chancen für eine gemeinsame Neuverbindung mit dem amphoteren Tonerdehydroxid (siallitische Verwitterung). Im Baustoff Beton greifen frei bewegliche Alkalien silikatische Komponenten am Kornrand und in sichtbaren und kristallographischen Fehlstellen an (erstere gut an den Bildbeispielen am Anfang des Kapitels "Reaktive Gesteine" zu erkennen). Nach der Bildung von Reaktionssäumen werden infolge des Verdünnungsbestrebens des Gels weiterhin Wassermoleküle vereinnahmt, den weiterhin gebildeten langkettigen Silikathydraten wird aber der Ausweg versperrt, so daß sich ein osmotischer Druck mit potentieller betonschädigender Wirkung aufbaut. Ein Wandern von Kieselsäure im Beton, z. B. von der Plattenfuge aus zum Platteninneren der Autobahn, gibt es nicht (!), wohl aber ein Durchdringen von "schützenden" Beschichtungen durch die Alkalien (z. B. aus Taumitteln) infolge ihres geringen Ionenradius.
In der Volksstimme (Wirtschaft) vom 19.07.10 suggerieren die Verfasser unter dem Titel "Baustelle Ost-Autobahn: Oft frißt sich Betonkrebs durch den Belag" "Dabei zersetzen Kieselsäuren in einem chemischen Prozeß die Stoffe im Zement" (in einer anderen Zeitung einer der beiden Autoren unter dem Titel "Der Betonfraß geht um"). Der Sachverhalt jedoch ist: Kieselsäure steht für "Anhydrit der Kieselsäure", also für Silikat, folglich für Zuschlagstoff (Kies, Splitt), dieser kann jedoch nicht wandern, und außerdem greifen wandernde Alkalien aus Zement und Taumitteln reaktive Anteile im Zuschlagstoff an (das Wandern ist also genau umgekehrt! Eingefügt am 30.07.10).
Ergebnisse mittels beschichteter und unbehandelter Bauteile aus einer rückgebauten, AKR-geschädigten (AAR-affected) Brücke wurden während "The 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete (27-31 July 1992), London", vorgestellt (Alexander, M. G. et al.: Pre-Demolition Tests on Structural Concrete Damaged by AAR, p. 1 - 8. Ebenfalls Verkehrsbau: Koichi, Ono et al. (1992): Effect of Coating to Inhibit AAR in Concrete Struture.- p. 766-773).
Tertiärquarzit, typische nierig-traubige Gelstruktur, A14-Raststätte Plötzetal (Bernburg-Halle), unten mit Negativen von Röhricht, im unteren Bereich Schichtungsrelikt. Wurde am 01.06.2011 auf der Seite liegend vorgefunden. Foto: G. Hempel, 10.05.2010.
Löslichkeit von SiO2 und Tonerde nach Correns (1949)
In tiefmeerischen Ablagerungen entstanden (z. B. im Gotlandium) aus dem vorhandenen marinen Kieselsäureangebot Radiolarite (Kieselschiefer, Lydite, s. oben); infolge metamorpher Überprägung und mikrokristallinen Gefüges sind sie weniger alkalireaktiv als die kretazischen und tertiären Reaktionsträger. Über die Bedeutung des Gefüges für die Löslichkeit s. Flörke, O. W. (1962): Untersuchungen an amorphem und kristallinem SiO2.- Chemie der Erde (Hrsg. F. Heide) 22, Fritz Heide zum 70. Geburtstag, Jena, S. 91-110, ferner bei Correns (1949, s. oben), ferner in Gunnar M. Idorn (1957) in einem Anhang zu Tovborg-Jensen et al. (1957): A classification of danish flints etc. based on X-ray diffractometry.- Dan. Nat. Inst. Build. Res. Akad. Techn. Sci. Comm. Alkali React. Congr. Progr. Rep. D1, Kopenhagen, sowie Hans-Joachim Blankenburg et. al. (1994): Quarzrohstoffe.- Dtsch. Verl. Grundstoffind. Leipzig, Stuttgart, 296 S. (1. Aufl. 1978). Über die Wirkung der Alkalien nach hydrolytischer Spaltung technischer Produkte s. Kapitel "Vorbeugung". In beiden Fällen der hydrolytischen Spaltung wird das auf Grund des Dipolcharakters des Wassermoleküls schwach dissoziierte Medium zur stark dissoziierten Seite hin verschoben, hier zur Seite der starken Basen (von Geheimrat Professor Dr. Linck in den 1930er Jahren in Jena in einem Ansatz von gemörsertem Feldspat und Aqua dest. nach ca. einer Woche nachgewiesen). Die als Beispiel gewählten schwachen, wenig dissoziierten Säuren sind Kieselsäure und organische Säuren (Freeway, Clearway).
Es lag nahe, reaktionsstarke Kieselsäureträger als Modellsubstanzen zu verwenden, z. B. Flint, Opalsandstein, Opal und Borosilikatglas (insbes. Natriumwasserglas). Die Zielstellungen konzentrieren sich auf verschiedene Schwerpunkte: 1. auf chemische Reaktionsvorgänge zwischen Alkalien und Kieselsäure (in Gegenwart von Wasser) und zwischen Gel und Wasser (physikalischer Prozeß der Zerstörung am Kornrand oder von innen heraus) bis zur Verdünnung mit Übergang zur echten Lösung. 2. auf unterschiedliche oder ähnliche Wirkung der üblichen Hauptvertreter alkalischen Angriffs aus der Porenlösung (entweder aus Inhaltstoffen der primären Porenlösung oder durch äußere Zufuhr), wie kritisches Me2O/SiO2C-Verhältnis, Penetrationsverhalten, kritischer Wassergehalt, Wirkungsgeschwindigkeit, Wirkungsausmaß. 3. als Reaktionsträger in einer pessimal zusammengesetzten Zuschlagmodellmischung mit „Inertkies“ zwecks Überprüfung löslicher Alkaliquellen im Beton bzw. auch zur Entwicklungskontrolle alkaligepufferter Zemente oder Betongemenge.
Für Einführungen eignen sich z. B.: Struble, L. u. Diamond, S., in Dodson, Vance H. (1986): Alkalies in Concrete, STP 930, ASTM, Katalog-Nr. 86-20564, Baltimore (Oktober 1986; 2. Aufl. Februar 1988, 92 S.; darin die Nennung der Erstbeschreibung von Opal durch Barneyback), ferner: Jones, Trevor, N. (1989): Mechanism of Reactions Involving British Chert and Flint Aggregates.- 8th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Kyoto, S. 135-140. Der Verfasser weist in seiner Publikation auf die eingeschränkte Verwendbarkeit von Beltaneopal hin, da er trotz seines strukturlosen Anteils von 46% auch noch 26 bis 30% Cristobalit und Tridymit enthalten kann, die ebenfalls reaktiv sind. Schließlich beschreibt er die Mikrogefügeunterschiede von verschiedenen Opalen einerseits gegenüber der Kieselkreide und dem Flint andererseits und die darauf beruhenden unterschiedlichen Angriffsmechanismen alkalischer Lösungen (S. 136). In der einschlägigen Fachliteratur wird auch auf den metamorphosierten biogenen Hornstein Novaculit (mit einer relativ einheitlichen Durchschnitts-Kristallitgröße von 10µm) aus den Ouachita Mountains von Arkansas und Oklahoma als Modellsubstanz eingegangen.
Der Autor hat mit seinem Team ab 1980 Rasothermglas (Rasothermglasfritte) der Fa. Schott Jena verwendet; dieses garantiert wegen der weltweit engen stofflichen Grenzen dieses Borosilikatglases (bzw. Duran- oder Pyrexglases) eine überregionale Vergleichbarkeit der Ergebnisse (78 bis 81 M-% SiO2; 10 bis 13 M-% B2O3; 1 bis 3 M-% Al2O3; 3 bis 7 M-% Na2O; 0 bis 1 M-% K2O). Dazu wurde zunächst die pessimale Zusammensetzung nach Anteil und Korngruppe im Gemisch mit einem spättertiär-frühpleistozänen Zersatzkiessand (0,08/2 mm) ermittelt: 0,08/0,2 mm = 20 M-% Sand; 0,2/0,5 mm = 15 M% Sand + 10 M-% Rasothermglas; 0,5/1 mm = 15 M-% Sand + 10 M-% Rasothermglas; 1/2 mm = 18 M-% Sand + 12 M-% Rasothermglas. Danach sind dann alle Gemische mit alkalispendenden Komponenten und mit alkaliabpuffernden Zusätzen geprüft worden.
Rasothermglas (Fritte; Fa. Schott, Jena; Fortführung der Produktion s. Knipping, L. (2014): "Zurück zu den Wurzeln, Schott feiert 20 Jahre Borosilicatglas ..." (TLZ 12.04.)
Beltaneopal, ded. Herr Dr.-Ing. Roland Herr, Grünheide
