AAR: Empa und EPFL der Betonkrankheit auf der Spur
Risse in Brücken, Staumauern oder Betonfundamenten werden oft von einer Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) verursacht. Sie lässt den Beton quellen und macht Sanierungen oder gar Neubauten nötig.
Quelle: Empa
Durch AAR geschädigte Betonbauten zeigen solche typischen Rissbilder. Die Rissflanken werden durch die austretenden AAR-Produkte dunkel verfärbt.
Quelle: Empa
Verantwortlich für das Bersten des Betons ist ein Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat, dessen Struktur 2015 mit Hilfe der Empa erstmals aufgeklärt werden konnte. (Visualisierung)
Diese „Betonkrankheit“ kann alle Betonbauten unter freiem Himmel betreffen, egal ob stahlbewehrte Konstruktion oder Bauwerk ohne Bewehrung. Ausgelöst wird die AAR von den Bestandteilen des Betons: Zement enthält Alkalimetalle wie Natrium und Kalium, die Feuchtigkeit im Beton wird dadurch zur Lauge. Da die Betonhauptbestandteile Sand und Kies sind und deshalb wiederum unter anderem aus Silikaten, wie Quarz oder Feldspat bestehen, reagiert nun die Lauge oder vielmehr das alkalische Wasser: Es führt zur Bildung von Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat. Weil dieses mehr und mehr Wassermoleküle einlagert, dehnt es sich aus und sprengt den Beton mit der Zeit von innen heraus.
Das Bemerkenswerte daran: In zahlreichen, im Beton befindlichen Kieskörnern läuft die gleiche Reaktion ab, die Steinchen werden einzeln gesprengt. Der Druck, der durch diese Mikroreaktion auf ein ganzes Bauwerk ausgeübt werden kann, ist gewaltig: So kann sich im Zuge dessen beispielsweise eine Staumauer mehrere Dezimeter ausdehnen, was zu Schäden an den seitlichen Anschlusspunkten am Fels oder zu Verformungen im Bereich der Schleusen führen kann. Meist verläuft dieser Prozess langsam: In der Regel dauert es jeweils zwischen zehn und fünfzehn Jahren, bis erste Schäden bemerkt werden. Allerdings kann die Lebensdauer durch das kontinuierliche Quellen des Betons von Bauwerken stark verkürzt werden.
Vor rund drei Jahren gelang es einem Team von Wissenschaftlern der Empa und des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) nun die Struktur des wasserhaltigen Kristalls, der das Quellen im Beton verursacht, erstmals zu identifizieren. Diese Entdeckung war der Auslöser für ein interdisziplinäres Forschungsprojekt, an dem sich neben der Empa und dem PSI zwei Institute der ETH Lausanne (EPFL) beteiligen. „Wir wollen die AAR in allen Dimensionen untersuchen und verstehen“, sagt Empa-Forscher Andreas Leemann, der die Forschungsaktivitäten koordiniert. „Von der Atom-Ebene und der Längenskala im Angström-Bereich bis hin zu den Auswirkungen auf ganze Bauwerke in der Zentimeter- und Meterskala.“
Alle Dimensionen der AAR
Zu diesem Zweck wurden sechs Teilprojekte definiert: Das PSI untersucht mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die Struktur der Reaktionsprodukte, um ihr Quellen erklären zu können. An der EPFL werden die massgebenden Rahmenbedingungen für das Auflösen der Silikate und die Zusammensetzung der anfänglich gebildeten Reaktionsprodukte untersucht; zudem werden mit Computersimulationen die Auswirkungen des Quellens auf Bauwerke erforscht. Derweil wird an der Empa einerseits die Entstehung der Risse im Beton räumlich und zeitaufgelöst mit Computer-Tomografie im Empa-Röntgenzentrum erfasst, andererseits werden die wasserhaltigen Kristalle im Labor synthetisiert. So können die Forscher grössere Mengen des Stoffs erhalten, der gewöhnlich in nano- bis mikrometerkleinen Rissen der Kieskörner steckt. Nur mit grösseren Mengen der fraglichen Substanz lassen sich jedoch physikalische Eigenschaften genau bestimmen.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, die AAR besser zu verstehen und gleichzeitig Wege aufzeigen, wie sich Schäden – und dadurch Kosten – vermeiden lassen. „Wir sind bereits mittendrin, das bislang nur in Teilen bekannte Phänomen zu entschlüsseln“, so Leemann. Im Mai 2017 startete das vierjährige Forschungsprojekt. Erste Ergebnisse liegen schon vor. An Ende soll ein vollständiges Bild der AAR entstehen, das es ermöglicht, Zustand und Gefährdung von Beton-Bauwerken besser abzuschätzen und laut den Forschern „das Schicksal der angegriffenen Bauten“ wissenschaftlich fundiert zu begleiten. (mai/mgt)
