Untersuchungen zur Optimierung und Bewertung des Auslaugverhaltens versinterungsrelevanter Stoffe aus Spritzbetonen als Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit

Volltext

(1)

Untersuchungen zur Optimierung und Bewertung des

Auslaugverhaltens versinterungsrelevanter Stoffe aus

Spritzbetonen als Beitrag zur Verbesserung der

Umweltverträglichkeit

Dissertation

zur Erlangung des Grades

Doktor-Ingenieur

an der

Fakultät für Bauingenieurwesen

der Ruhr-Universität Bochum

von

Dipl.-Ing. Volker Stein

(2)
(3)

Untersuchungen zur Optimierung und Bewertung

des Auslaugverhaltens versinterungsrelevanter Stoffe

aus Spritzbetonen als Beitrag zur Verbesserung

der Umweltverträglichkeit

Dissertation

zur Erlangung des Grades

Doktor-Ingenieur der Fakultät für Bauingenieurwesen der Ruhr-Universität Bochum vorgelegt von Dipl.-Ing. Volker Stein

Referenten: o. Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. B. Maidl, Ruhr-Universität Bochum Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Breitenbücher, Ruhr-Universität Bochum Tag der Einreichung: 13. Juli 2004

(4)

Kurzfassung

(5)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1

1.1

Allgemeines

1

1.2

Problematik

1

1.3 Aufbau der Arbeit

2

2 Grundlagen

4

2.1 Einordnung in den Gesamtzusammenhang

4

2.2

Spritzbetonanforderungen

6

2.2.1 Baustofftechnische Anforderungen

7

2.2.2 Umweltrelevante Anforderungen

8

3 Theoretische Betrachtungen und Analysen zum Auslaugverhalten

versinterungsrelevanter Stoffe aus zementgebundenen Baustoffen

9

3.1

Allgemeines

9

3.2

Versinterungsentstehung

11

3.2.1 Das Kalk – Kohlensäure – Gleichgewicht

11

3.2.2

Einflussfaktoren

12

3.2.3

Ausfällungsvorgänge

18

3.2.4 Untersuchungsverfahren zur Abschätzung der Versinterungs-

gefährdung

von

Wässern

20

3.3 Herkunft der versinterungrelevanten Stoffe und deren Einbindung

in

die

Zementsteinmatrix

22

3.3.1

Zement

23

3.3.2

Gesteinskörnung

23

3.3.3

Zusätze

24

3.3.4

Zusatzmittel

27

3.3.5 Einfluss der verschiedenen Ausgangsstoffe auf die

Auslaugbarkeit

31

3.4

Auslaugmechanismen

32

3.4.1 Beschreibung der Freisetzungsprozesse löslicher Stoffe aus

einer

Zementsteinmatrix

32

3.4.2 Bestimmung der dominierenden Auslaugmechanismen

34

(6)

3.4.4 Betontechnologische Einflussfaktoren auf das

Auslaugverhalten

39

3.5 Darstellung der Auslaugung einer Tunnelschale aus Spritzbeton

41

4

Prüfverfahren zur Bestimmung des Auslaugverhaltens

44

4.1

Allgemeines

44

4.2 Verfahrensbedingte Einflussgrößen

46

4.3 Darstellung der Prüfverfahren

47

4.3.1

Schüttelverfahren

49

4.3.2

Säulentests

52

4.3.3

Standtests

60

4.3.4

Spezielle

Verfahren

65

4.4 Beurteilung der Prüfverfahren

68

4.5

Zusammenfassung

75

5 Experimentelle Untersuchungen von

Spritzbetonmaterial-konzeptionen zur Optimierung des Auslaugverhaltens

80

5.1

Allgemeines

80

5.2 Erkenntnisse bisheriger Auslauguntersuchungen

80

5.2.1 Auslaugungsuntersuchungen mit der Durchströmungszelle

der TU München

81

5.2.2 Vergleichende Untersuchung mit dem Trogverfahren nach

ÖNORM, der Auslaugzelle und Durchströmungszelle

86

5.3 Experimentelle Untersuchungen zur Optimierung der

Materialkonzepte

90

5.3.1 Wahl geeigneter Ausgangsparameter

91

5.3.2 Wahl geeigneter Messverfahren und –geräte

93

5.4 Darstellung und Beurteilung der experimentellen

Versuchsergebnisse

95

5.4.1 Umströmungsversuche

95

5.4.2 Spritzversuche

101

5.4.3 Beurteilung der Versinterungsneigung

105

5.5 Zusammenfassung der Erkenntnisse

106

6 Experimentelle Untersuchungen zur Verbesserung der

Prüfmethodik bei Auslauguntersuchungen von Spritzbeton

108

(7)

6.2 Experimentelle Untersuchung

111

6.2.1 Grundlagen und Bewertungskriterien

115

6.2.2 Versuchsdurchführung

116

6.3 Darstellung der Versuchsergebnisse

119

6.3.1 Vorversuche

119

6.3.2 Hauptversuche

123

6.4 Diskussion der Versuchsergebnisse

128

7 Vorschläge zur Umsetzung der Untersuchungsergebnisse in die

Praxis

130

7.1

Ergebnisse

130

7.2 Modell zur Umsetzung in die Praxis

131

7.2.1 Untersuchungen in der Planungsphase

132

7.2.2 Klassifizierung der Versinterungsgefahr durch Bergwasser

134

7.2.3 Entwurf der Spritzbetonkonzepte

135

7.2.4 Bewertungsmöglichkeit der Auslaugungsneigung von

Spritzbeton 138

7.3 Bedeutung für die Praxis

141

8 Zusammenfassung

und

Ausblick

143

(8)

Formelzeichen und Indizes

25

χ

elektrische Leitfähigkeit bei 25°C

A Oberfläche 2 3

Al O

Aluminiumoxid

(

)

4

Al OH

Alkalialuminat

c

Stoffmengenkonzentration 2

(

)

Ca OH

Calciumhydroxid 2 Ca + Calciumion 3

CaCO

Calciumcarbonat (Calcit)

2( 3 2)

CaH CO Calciumbicarbonat

3 2

( )

Ca HCO Calciumhydrogencarbonat

CaO Calciumoxid (Kalk)

4

CaSO

Calciumsulfat (Gips)

Cl Chlor

2

CO

Kohlendioxid

x

D

freier/spezifischer Diffusionskoeffizient für die Komponente x

,

e x

D effektiver Diffusionskoeffizient für die Komponente x

grad c variables Konzentrationsgefälle

(9)

J Diffusionsstromdichte der Ionen 2 4

K SO

Alkalisulfat Ka+ Kaliumion 4,3 S K Säurekapazität bis pH = 4,3 2

Mg

+ Mangnesiumion 3

MgCO

Magnesiumcarbonat (Magnesit)

MgO Periklas

n

Anzahl der Variablen, Zyklen

Na+ Natriumion 2 3

Na CO

Alkalikcarbonat 3

NaHCO

Natriumhydrogenkarbonat

(

)

Na OH

Natriumaluminat 4

NH

+ Ammoniumion 3 NO− Nitration Ltb

pH

Sättigungs-pH-Wert nach Strohecker und Langelier

bei Bewertungstemperatur

t

pH

pH-Wert bei Messtemperatur t

tb

pH

pH-Wert bei Bewertungstemperatur

R Rückhaltekoeffizient a

S

mobilisierbare Konzentration 2 SSulfidion 2

(10)
(11)

Begriffsdefinitionen

Alkalien Natrium- und Kaliumionen

Auslaugverhalten chemische Veränderungen eines Stoffes/Materials in Kontakt mit einem wässerigen Medium sowie die Emission von Bestandteilen des Stoffes/Materials in das wässerige Medium

Auslaugrate pro Flächen- und Zeiteinheit eluierte Stoffmenge

Carbonatisierung Reaktion von Calciumhydroxid im Zementstein mit dem Kohlendioxid der Luft

CSH-Phasen Calciumsilikathydratphasen–festigkeitsbildende Phasen im Zementstein

diffusionsbestimmte Emission durch Diffusionsprozesse zeitabhängige eluierte Stoffmenge

Eluat die nach dem Auslaugen eines Feststoffes/Probe-körpers erhaltene Lösung

Eluent das zur Auslaugung verwendete Lösungsmittel (z.B. entmineralisiertes Wasser)

eluieren herauslösen, auslaugen

Fixierung, Imobilisierung physikalisch oder chemische Bindung von Stoffen in/an die Zementsteinmatrix

Gesamtporösität Gesamtporenraum (offenen und geschlossene Poren) des trockenen Stoffes in Vol.-% bezogen auf dessen Gesamtvolumen

Grenzwerte Höchstwerte; im Zusammenhang mit dem Umwelt-schutz sind darunter Höchstwerte der Emissionen bzw. Immissionen an Schadstoffen, Lärm etc. zu verstehen

(12)

potentiell Eluierbarkeit unter sehr extremen Bedingungen eluierbare Stoff-mengen, wobei diese extremen Bedingungen in der Realität vermutlich nie eintreten werden

Löslichkeitsverhalten Einstellung des chemischen Gleichgewichts für ein Salz/eine Substanz in Abhängigkeit vom pH-Wert und der Lösungszusammensetzung

Mobilisierbarkeit unter den gegebenen Rand- und Umweltbedingungen eluierbare Stoffmenge

Porengrößenverteilung Volumenanteile der einzelnen Porengrößen an der Gesamtporosität

puzzolanische Reaktion Reaktion vom amorphem Siliciumdioxid (Kieselsäure) aus einem Puzzolan mit

Ca OH

(

)

2, das z.B. bei der Zementhydratation gebildet wird, zu CSH-Phasen

Schütteltest Auslaugverfahren für feines/gemahlenes Material; das Material wird in einem Eluenten durch Schütteln oder Rühren bewegt

Spurenelemente Elemente, die in der Lithosphäre in einer Konzentrati-on unter 100 mg/kg vorkommen

Standtest Auslaugverfahren in dem kompakte Probekörper mit Wasser/anderen Eluenten zeitabhängig eluiert werden

umweltrelevante Stoffe alle Stoffe, die in ein Ökosystem eingebracht werden und das Ökosystem selbst bzw. seine Ausnutzung in messbarem Umfang für Lebewesen schädigen können; bei vielen umweltrelevanten Stoffen ein Konzentrationsproblem

Umweltverträglichkeit Wechselwirkung eines Stoffes (bzw. Produktionsver-fahrens) mit den Schutzgütern Wasser, Boden, Luft

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1 Einleitung

1.1 Allgemeines

Im konventionellen Tunnelbau ist der Spritzbeton als Erstsicherung nach dem Ausbruch von unterirdischen Hohlräumen zu einem unverzichtbaren Baustoff geworden. In Verbin-dung mit Ankern, Stahlbögen und Bewehrungsmatten ist Spritzbeton als wichtigster Bestandteil der Spritzbetonbauweise zu sehen. Dabei muss der Spritzbeton schnelle und hohe Frühfestigkeiten aufweisen, es müssen zielsicher geforderte Endfestigkeiten erreicht werden und darüber hinaus werden u.a. Anforderungen an ein dichtes Gefüge, sowie an hohe Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit gestellt.

Das Erreichen einer hoher Frühfestigkeit ist zum Schutz der Mineure von besonderer Bedeutung. Diese wurde in der Regel unter Verwendung von Normalzementen und Zusatz von Erstarrungsbeschleunigern auch erreicht, oft ungeachtet der unterschiedlich hohen Dosiermengen und der damit verbundenen schwankenden Spritzbetongüten und -endfestigkeiten.

Bei vielen dränierten Tunneln wurden jedoch schon nach kurzer Zeit Auslaugungserschei-nungen der Spritzbetonschale, verursacht durch anstehendes Bergwasser, festgestellt. Diese Auslaugungen können zu Ausfällungen, Versinterungen und letztlich zur Verstopfung des Entwässerungssystems führen, die eine enorme Steigerung des Wartungsaufwandes bewirkt [76]. Die Mengen an herausgelösten versinterungsrelevanten Stoffen können bei großen Durchmessern und Tunnellängen aufgrund der großen Berührungsflächen enorm sein.

Darüber hinaus konnten erhöhte Alkali-Ionen-Konzentrationen (Na, Ka) aus den zum Einsatz gekommenen alkalihaltigen Erstarrungsbeschleuniger festgestellt werden. Ökolo-gen sehen in der OH--Anreicherung bzw. pH-Wert Steigerung ein mögliches

Verunreini-gungspotential des Grundwassers. Im Zuge der allgemeinen Sensibilisierung gegenüber Baustoffen und Bauverfahren wurde auch beim Spritzbeton der Ruf nach einer verbesser-ten Umweltverträglichkeit immer lauter. Zusätzlich wird von Seiverbesser-ten der TBG im Zuge des Gesundheitsschutzes der Arbeiter für die verwendeten Beschleuniger eine deutliche Reduzierung der Alkalität gefordert [12].

1.2 Problematik

(14)

Für das Gesamtpotential der Auslaugungen spielt die Wahl des Bindemittels, der Gesteins-körnung und des erforderlichen BE-Mittels eine genauso große Rolle wie die genaue Abstimmung der einzelnen Spritzbetonkomponenten aufeinander. Über die tatsächlichen Auslaugungen aus dem Spritzbeton entscheidet aber erst das Zusammenspiel des verwendeten Spritzbetons mit dem vorhandenen Bergwasser.

Bisher standen hauptsächlich die baustofftechnischen Anforderungen und Eigenschaften des Spritzbetons im Vordergrund. Hierzu gibt es umfangreiche Prüfmethoden und Prüf-techniken. Anders sieht es jedoch bei den umweltrelevanten Anforderungen und Eigen-schaften des Spritzbetons aus. So existiert bislang kein genormtes Verfahren zur Prüfung und Bewertung des Auslaugverhaltens von Spritzbeton. Eine Bewertungsmöglichkeit wird aber im Hinblick auf die Einführung neuer Produkte zur Minimierung der Auslaugungen immer wichtiger, da Ausschreibungen zu Tunnelbauwerken inzwischen Auflagen zur Umweltverträglichkeit von Spritzbeton enthalten. Zwar existieren verschiedene Prüfverfah-ren zur Untersuchung des Elutionsverhaltens, der Planer steht jedoch vor dem Problem, die Anforderungen in Bezug auf die umweltrelevanten Aspekte nicht quantitativ und verfah-rensneutral formulieren zu können. Der Spritzbetonanwender weiß wiederum nicht, mit welchen Prüfverfahren der Nachweis zu erbringen ist. Weiterhin fehlen Grenzwerte, die eine konkrete Aussage zum Elutionsverhalten des untersuchten Spritzbetons zulassen.

1.3 Aufbau

der

Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von Untersuchungen Vorgaben zum Einsatz von auslaug-armen Spritzbetonkonzepten zu erarbeiten. Aufbauend auf Mindestanforderungen an Mate-rialkonzepte und mit Hilfe eines neuen Auslaugungsprüfverfahren sollen Vorgaben erarbeitet werden, die nicht nur eine mögliche Umweltgefährdung und Versinterungs-neigung durch Spritzbetonarbeiten minimieren können, sondern auch eine Bewertungs-möglichkeit des Auslaugverhaltens von Spritzbetonen für Planer, Prüfer und Anwender schaffen.

Im ersten Schritt werden in Kapitel 2 die Grundlagen der Thematik dargestellt. Dabei werden die bestehenden baustofftechnischen und umweltrelevanten Anforderungen an den Spritzbeton herausgearbeitet.

(15)

Bewertungskriterien bezüglich ihrer Praxistauglichkeit und Aussagekraft für Auslaugunter-suchungen von Spritzbetonen beurteilt.

Neben der Bergwasserzusammensetzung ist die materialtechnologische Konzeption des Spritzbetons maßgebend für das Auslaugverhalten verantwortlich. Aus diesem Grund werden in Kapitel 5 die Erkenntnisse von bisher durchgeführten experimentellen Untersu-chungen zur Verbesserung des Auslaugverhaltens von Spritzbetonen dargestellt und analysiert. Anhand der Versuchsergebnisse werden Ansätze zur Verbesserung zukünftiger Materialkonzepte von Spritzbetonen hinsichtlich der Auslaugbarkeit versinterungsrelevanter Stoffe hergeleitet und abschließend in einer experimentellen Untersuchung mit der Umströmungsanlage der Ruhr-Universität Bochum überprüft. Mit Hilfe der Ergebnisse können abschließend Vorgaben für zukünftige Materialkonzepten gemacht werden, die eine Verringerung der Auslaugungen erwarten lassen.

Da der Versuchsaufwand bei den bisher speziell für den Spritzbeton vorhandenen Aus-laugprüfverfahren enorm und nur schwer reproduzierbar ist, soll die Optimierung eines Prüfverfahrens zur Beurteilung des Auslaugverhaltens von Spritzbetonen in der Praxis Gegenstand der experimentellen Untersuchung in Kapitel 6 sein. Dazu wird, aufbauend auf den Erkenntnissen von Kapitel 4, ein bestehendes Prüfverfahren modifiziert und unter Praxisbedingungen angewendet. Ziel ist es, ein einfach anzuwendendes Prüfverfahren mit hinreichend genauen Versuchsergebnissen herzuleiten.

Auf Grundlage der theoretischen Betrachtungen, Analysen und experimentellen Untersu-chungen werden in Kapitel 7 Vorschläge zur Umsetzung der Untersuchungsergebnisse in die Praxis erarbeitet.

(16)

2 Grundlagen

2.1 Einordnung in den Gesamtzusammenhang

Bei der Herstellung von bergmännisch aufgefahrenen Tunnelbauwerken ist der Beherr-schung des anstehenden Grundwassers im Betriebszustand besondere Aufmerksamkeit zu schenken, da diese die konstruktive Auslegung der Tunnelbauwerke und damit die Herstellungs- und Betriebskosten maßgebend beeinflusst. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten, wie dem oberhalb des Bauwerks anstehenden Bergwasser begegnet werden kann:

- Die sogenannte freie Entwässerung, bei der das anstehende Bergwasser über ein Entwässerungssystem gefasst und drucklos abgeleitet wird und

- Das Prinzip ohne Entwässerung, d.h. das anstehende Bergwasser wird durch ein druckwasserhaltendes Abdichtungssystem vom Tunnelquerschnitt ferngehalten. Ein Entwässerungssystem ist hier nicht vorhanden.

Der Einsatz einer freien Entwässerung ist mit geringeren Herstellungskosten verbunden, da auf eine aufwändige Abdichtung und eine auf Wasserdruck bemessene Innenschale verzichtet werden kann. Zudem sind derart konstruierte Tunnelbauwerke relativ funktions-sicher. Als Nachteile haben sich im Rahmen der umfangreichen Tunnelbauaktivitäten der letzten Jahre hauptsächlich der dauerhafte Eingriff in den natürlichen Wasserhaushalt und die kostenintensive Instandhaltung der Dränagen auf Grund von Versinterungen heraus-gestellt. Je nach Planung, Ausführung und geologischen Randbedingungen kann der versinterungsbedingte Wartungsaufwand für die Reinigung der Dränagen ein erhebliches Ausmaß annehmen [77].

Die Versinterungen in den Dränagen bestehen zu 95 % aus Calciumcarbonat (CaCO3)

und daneben noch aus geringen Mengen von Magnesiumverbindungen [44]. Das CaCO3

der Versinterungen stammt entweder aus dem anstehenden Gebirge oder aus den verwendeten Baustoffen und wird vom Bergwasser auf seinem Weg von der Oberfläche in die Tunneldränage herausgelöst und abtransportiert.

(17)

für Bauverfahrenstechnik, Tunnelbau und Baubetrieb der Ruhr-Universität untersucht und beantwortet worden [55].

Spezielles Augenmerk wurde dabei neben den versinterungstechnischen Aspekten auf die Praxistauglichkeit und die Wirtschaftlichkeit der untersuchten Komponenten gelegt. Dadurch sollte eine schnelle Umsetzung der Untersuchungsergebnisse in die Praxis ermöglicht werden.

Bild 2-1: Wasserfassende und –ableitende Einzelkomponenten [55]

Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen [1] konnten folgende Mindestanforde-rungen an ein versinterungsarmes Grundsystem zur Ausbildung der wasserfassenden und –ableitenden Einzelkomponenten aufgestellt werden (Bild 2-1):

1. Für die Felssicherung ist ein auslaugarmer Spritzbeton zu fordern. Dazu ist bei der Herstellung des Spritzbetons generell eine Minimierung des Alkaligehaltes anzustre-ben. Beim Nassspritzbeton dürfen auch unter Berücksichtigung der arbeitshygieni-schen Vorteile nur noch alkalifreie Erstarrungsbeschleuniger eingesetzt werden. Beim Trockenspritzbeton sind zukünftig entweder alkalifreie Beschleuniger oder Spritzze-mente anzuwenden. Es sollte dabei keine Gesteinskörnung aus Kalkstein oder Dolomit verwendet werden, der nicht auf sein Auslaugverhalten untersucht und zugelassen ist. 2. Sämtliche Dränageleitungen, die zur Fassung und Ableitung des Bergwassers ange-ordnet werden, sind mit einer glatten Innenfläche, einem Mindestdurchmesser von DN 200 und mit Schlitzbreiten von 5 bis 6 mm auszubilden.

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4. Zur Gewährleistung der Wasserwegigkeit der Flächendränagen im Ringspalt ist mindestens ein Filamentvlies mit 1000 g/m² Flächengewicht und einer Transmissivität von 1x10-5 m³/m*s einzusetzen.

Die dargestellten Grundanforderungen sind mittlerweile auch Bestandteil der neuen ZTV-ING, Teil 5 [85] geworden. Während die Punkte 2-4 kaum noch Verbessserungspo-tential beinhalten, sind zu Punkt 1 sowohl weitere materialtechnologische als auch verfahrenstechnische Fragestellungen offen, die zur Verbesserung der aufgezeigten Versinterungsproblematik beitragen könnten. Hierzu zählen Fragestellungen zur Verringe-rung der Auslaugung durch eine weitere VerbesseVerringe-rung der Spritzbetonmaterialkonzeptio-nen und insbesondere die Möglichkeit der Prüfung und Bewertung des Spritzbetonauslaugverhaltens in wasserführendem Gebirge. Neben Aussagen über das Auslaugungspotential verschiedener Spritzbetonrezepturen ist eine Bewertungsmöglich-keit auch deshalb besonders dringend notwendig, um in Zukunft auch die Einführung neuer Produkte zur Minimierung der Auslaugungen zu erleichtern, da Ausschreibungen zu Tunnelbauwerken inzwischen Auflagen zur Umweltverträglichkeit von Spritzbeton enthalten.

2.2 Spritzbetonanforderungen

Laut DIN 18551 [21] versteht man unter Spritzbeton einen Normalbeton, der in einer geschlossenen, überdruckfesten Schlauch- und/oder Rohrleitung zur Einbaustelle gefördert wird und dort durch Spritzen aufgetragen und dabei verdichtet wird. Er dient vorwiegend zur vorübergehenden Sicherung, zur Versiegelung, zur Randverstärkung des Gebirges und Glättung der Ausbruchlaibung und zur Abdichtung; kann aber auch zur endgültigen Sicherung verwendet werden.

Durch die Art der Verarbeitung werden bestimmte Eigenschaften von dem Beton gefor-dert. Bedingt durch die teilweise lange Wartezeit auf der Baustelle muss er bis zur Auftragung lange Standzeiten aufweisen, d.h. er muss lange fließfähig bleiben, um ein späteres Pumpen zur Auftragungsstelle zu ermöglichen. Einmal verspritzt muss er schnell erhärten, um ein Haften in größeren Schichtdicken an der Auftragsfläche zu gewährleisten und um einen schnellen Verbund mit dem Gebirge einzugehen.

In der Vergangenheit wurde zum Schutz der Mineure primär auf Frühfestigkeiten geach-tet. Diese wurden unter Verwendung von Normzementen und verschiedenen Beschleuni-gern i.d.R. auch erreicht, oft ungeachtet der unterschiedlich hohen Beschleunigermengen und der damit verbundenen schwankenden Spritzbetongüten und -endfestigkeiten.

Bei verschiedenen dränierten Tunneln wurden jedoch nach kurzer Zeit Auslaugungser-scheinungen der Spritzbetonschale, verursacht durch anstehendes Bergwasser, festge-stellt. Diese Auslaugungen traten in den Drainagen zu Tage und führten zu einer enormen Steigerung des Wartungsaufwandes [77].

Des Weiteren konnten erhöhte Alkali-lonen-Konzentrationen (Na u. Ka) in den eingesetz-ten alkalihaltigen Erstarrungsbeschleunigern nachgewiesen werden. In der damit verbun-denen OH--Ionen Anreicherung bzw. pH-Wert Steigerung sehen einige Ökologen ein

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Sensibilisierung gegenüber Baustoffen und Bauverfahren wurde u.a. auch beim Spritzbe-ton der Ruf nach Umweltverträglichkeit immer lauter. Daneben wurde von Seiten der TBG im Zuge des Gesundheitsschutzes für die Beschleunigertypen eine deutliche Reduzierung der Alkalität (ph-Wert < 11.5) gefordert [12].

Dies bedeutet, dass neben rein baustofftechnischen Eigenschaften auch umweltrelevante Eigenschaften nachzuweisen sind, um oben genannte und weitere Begleiterscheinungen auf ein umweltverträgliches Maß zu minimieren. Die Anforderungen werden in den entsprechenden Ausschreibungen bzw. Vorschriften wie Rili 853 [67] und ZTV-ING [85] vorgeschrieben. Tabelle 2-1 fasst die wesentlichen Anforderungen an den Spritzbeton zusammen.

Tabelle 2-1: Wesentliche Anforderungen an den Spritzbeton

Baustofftechnische Anforderungen Umweltrelevante Anforderungen

- Frühfestigkeit - Druckfestigkeit - E-Modul - Dichtigkeit - Dauerhaftigkeit - Auslaugbarkeit - Staubentwicklung - Rückprall

2.2.1 Baustofftechnische Anforderungen

Die baustofftechnischen Anforderungen eines Spritzbetons ergeben sich aus den konstruktiven Aufgaben, die der Beton später zu erfüllen hat. Entsprechend dieser Aufgaben ist der Spritzbeton mit den geforderten Betonfestigkeiten nach bestehenden Normen und Richtlinien herzustellen. Zu den wichtigsten baustofftechnische Anforderun-gen gehören:

Frühfestigkeit. Die Festigkeitsentwicklung beim Spritzbeton ist durch relativ hohe

Frühfestigkeiten in den ersten Stunden gekennzeichnet. Die Absolutwerte sind – bei gleichem Wasserzementwert – vor allem von der Zementart und der Art und Menge des Beschleunigers abhängig [54].

Druckfestigkeit. Der Abfall der 28-Tage-Druckfestigkeit des Spritzbetons gegenüber der

des Nullbetons ist zum größten Teil von der Art und Menge des zugegebenen Beschleu-nigers abhängig. Durch neue Entwicklungen wie der Verwendung von Microsilica, Beschleunigern mit geringem Alkalianteil und Spritzzementen ohne Beschleuniger kann der Druckfestigkeitsabfall im höheren Alter wesentlich reduziert werden [54].

E-Modul. Der E-Modul des Spritzbetons ist geringer als der des Nullbetons. Die Abnahme

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Dichtigkeit. Spritzbeton kann durch den Einsatz von Spritzbindemitteln oder alkalifreien

Erstarrungsbeschleunigern mit einem dichten Gefüge hergestellt werden. Durch die Zugabe von Zusatzstoffen (Silicastaub, Flugasche) ist eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit des Spritzbetons möglich [51].

Dauerhaftigkeit. Um einen dauerhaften Beton herzustellen, welcher den

Bewehrungs-stahl gegen Korrosion schützt und den Umwelteinflüssen und Arbeitsbedingungen, denen er während seiner Lebensdauer ausgesetzt ist, in zufrieden stellender Weise standhält, muss auf die Verträglichkeit seiner Ausgangsstoffe geachtet werden.

2.2.2 Umweltrelevante Anforderungen

Bei den umweltrelevanten Anforderungen stehen beim Spritzbeton primär geringe Auslaugbarkeit, geringe Staubentwicklung und geringer Rückprall im Vordergrund. Kommt dem Rückprall hauptsächlich eine wirtschaftliche Bedeutung zu, so ist die Staubentwick-lung unter arbeitshygienischen und gesundheitsgefährdenden Gesichtspunkten zu betrachten. Dem Auslaugverhalten kommt aus zwei Gründen eine Bedeutung zu; zum einen, weil durch Auslaugungen und Ausfällungen z.B. Dränagerohre funktionsunfähig werden können oder zumindest hohe Wartungskosten verursachen und zum anderen, weil herausgelöste chemische Elemente aus dem Spritzbeton die Qualität des Grundwas-sers beeinträchtigen können.

Auslaugbarkeit. Unter Einwirkung von Bergwasser finden im Spritzbeton Auslaugungen

statt. Diese gilt es soweit wie möglich zu minimieren, um Versinterungen der Tunneldrai-nagen sowie eine Verunreinigung des Grundwassers zu vermeiden. Einfluss auf die Auslaugbarkeit haben Art und Menge der potentiell auslaugbaren Stoffe, die Dichtigkeit, das Alter und die Einwirkungsfläche des Spritzbetons sowie der pH-Wert, die Fließge-schwindigkeit, die Einwirkungsdauer, die Temperatur, der Druck und die Zusammenset-zung des Bergwassers [10].

Staubentwicklung. Das größte Problem im Hinblick auf die Arbeitshygiene ist die

Staubentwicklung, die beim Auftragungsvorgang entsteht und negative Auswirkungen auf die Gesundheit des dort arbeitenden Personals haben kann. Eine detaillierte Beschrei-bung der Einflussfaktoren auf die Staubentwicklung kann [54] entnommen werden.

Rückprall. Dem Rückprall wird eher eine wirtschaftliche Bedeutung zugeschrieben. Das

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3 Theoretische Betrachtungen und Analysen

zum Auslaugverhalten

versinterungsrelevan-ter Stoffe aus zementgebundenen Baustoffen

3.1 Allgemeines

Im Tunnelbau ist das Auslaugverhalten versinterungsrelevanter Stoffe aus dem Spritzbe-ton von besonderer Bedeutung. Die herausgelösten Stoffe setzen sich durch chemisches Ausfällen ab und bilden Mineralien. Diese lagern sich in Form von Versinterungen in den Dränagen ab und können so deren Funktionstüchtigkeit gefährden. Die Versinterung der Drainagen, die dabei entstehenden hohen Betriebskosten für die Beseitigung der Kalkablagerungen und die erforderliche Neutralisation des hohen pH-Wertes des Berg-wassers stellen dabei ein großes ökologisches sowie wirtschaftliches Problem dar.

Die versinterungsrelevanten Stoffe stammen entweder aus dem anstehenden Gebirge oder aus den verwendeten Baustoffen und können vom Bergwasser auf seinem Weg von der Oberfläche in die Tunneldränage herausgelöst und abtransportiert werden.

Über das Maß der Auslaugungen entscheiden die Eigenschaften des Bergwassers. Diese werden von der Hydrochemie bestimmt, welche von der Geologie abhängig ist und örtlich und zeitlich sehr stark schwanken kann. Dasselbe gilt für die Wassertemperatur und -menge.

(22)

In welchem Maße Versinterungen in den Dränageleitungen auftreten wird durch die dort herrschenden Randbedingungen bestimmt. Dabei sind die Druckentspannung, Tempera-turänderung und Atmosphärenkontakt von besonderer Bedeutung.

Über den Weg des Bergwassers in die Tunneldränage sind diese Zusammenhänge in Bild 3-1 übersichtlich dargestellt.

Bild 3-1: Weg des Bergwassers in die Tunneldränage [55]

Die Auslaugvorgänge sind in der Realität sehr komplex. Zur Verbesserung der Auslaug-problematik und um Aussagen über das durch die Auslaugung versinterungsrelevanter Stoffe mögliche Gefährdungspotential treffen zu können sind genaue Kenntnisse über das Auslaugverhalten unter den gegebenen bzw. zu erwartenden Bedingungen am Bauwerk notwendig.

(23)

3.2 Versinterungsentstehung

Gefasstes Grund- oder Bergwasser kann in Tunneldränagen harte Ablagerungen, so genannte Versinterungen, verursachen (Bild 3-2). Durch die damit verbundene Verlegung der Wasserwegigkeit ist die Funktionstüchtigkeit der Dränageleitungen mittel- bis langfris-tig in Frage gestellt. Bei massiven Ablagerungen wird der Querschnitt reduziert und somit der Abfluss eingeschränkt oder gar verstopft, so dass die Leitungen aufgebohrt oder ersetzt werden müssen [76]. Die finanziellen Aufwendungen für die Reinigung und Sanierung zur Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit der Entwässerungssysteme können enorm sein.

Bild 3-2: Versinterungen in einer Tunneldränage

Anhand der Grundlagen der chemisch-physikalischen Zusammenhänge bei der Versinte-rungsentstehung sollen die für die Entstehung der Versinterungen relevanten Stoffe herausgearbeitet werden. Dazu wird zuerst auf die grundsätzlichen Vorgänge bei der Entstehung von Versinterung eingegangen. Da auf die Entstehung der Calcitablagerun-gen das Bergwasser einen entscheidenden Einfluss hat, wird anschließend ein Untersu-chungsverfahren zur Abschätzung der Versinterungsgefährdung von Wässern beschrie-ben.

3.2.1 Das Kalk – Kohlensäure – Gleichgewicht

Durch Auslaugung des Spritzbetons oder durch aus dem Gebirge gelöste Stoffe kann es im Sickerwasser zu einer Anreicherung mit leicht löslichem Calciumhydrogencarbonat Ca(HCO3)2, wie es in Gl. 3-1 beschrieben ist, kommen. Diese Stoffe setzen sich durch

chemisches Ausfällen ab und bilden Mineralien, die so genannten Versinterungen. Der Ausfällungsprozess, bei dem wasserunlösliches Calciumcarbonat CaCO3 nach Gl. 3-2

(24)

zurückzufüh-ren. Wobei ein Teil der Hydrogencarbonate HCO3- unter Abspaltung von H+/- Ionen

dissoziiert, und zwar unter Bildung von Carbonationen CO32- (Gl. 3-4) [57].

CaCO3↓ + H2O + CO2 Ca(HCO3)2 (↓ = fest, ↑ = gasförmig) (Gl. 3-1)

Ca 2+ + 2 HCO

3- CaCO3+ CO2↑+ H2O (Gl. 3-2)

Ca(HCO3)2 Ca 2+ + 2 HCO3- ↔ CaCO3 + CO2+ H2O (Gl. 3-3)

HCO3- CO32- + H+ (Gl. 3-4)

Eine Störung dieses Gleichgewichtes kann sowohl eine Kalkausfällung, als auch eine Kalklösung verursachen. Ausschlaggebend hierfür sind chemische und physikalische Randbedingungen.

Kommt es zu einer Kalkausfällung, dann bildet das Ausfallprodukt Calciumcarbonat CaCO3↓ des Wassers eine kristalline Struktur. Die Kristallbausteine bestehen aus

Atomen, Ionen oder Molekülen, die eine bestimmte Gitterstruktur bilden. Substanzen gleicher chemischer Zusammensetzung können in verschiedenen Kristallformen auftre-ten. Beim Calciumcarbonat kann Calcit auftreten, die stabilste Struktur, und Aragonit, eine instabile Struktur. Jede Modifikation ist bei einem bestimmten thermischen Zustand, abhängig von Druck und Temperatur, besonders stabil [75].

In Abhängigkeit der Kristallformen können die Formen des Sinters von milchartig und somit von der Strömung leicht abtransportierbar, über zuckerförmig, mit einer zerbrechlichen Struktur, bis hin zu dem am häufigsten vorkommenden harten Sinter reichen.

3.2.2 Einflussfaktoren

Auf dem Weg des Niederschlagswassers von der Oberfläche bis zu den Tunneldränageleitungen können eine Vielzahl von Randbedingungen das Kalk - Kohlensäure - Gleichgewicht beeinflussen und entscheiden, ob das Wasser eine calcitlösende oder eine calcitabscheidende Tendenz annimmt.

(25)

Bild 3-3: Einflussfaktoren auf das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht [1]

(26)

Der Betonchemismus bezieht sich auf die Wechselwirkung zwischen anstehendem Bergwasser und Bauwerk. Bei der Wechselwirkung zwischen Wasser und Baustoff kommt dem Zement und seinen kalkhaltigen Bestandteilen eine besondere Bedeutung zu. Als Ergebnis der Wechselwirkungen erhält man schließlich das Dränagewasser.

Insgesamt gibt es zwei unterschiedliche Angriffsarten durch Wasser, den treibenden und den lösenden Angriff. Bei dem treibenden Angriff kommt es zu Reaktionen mit Volumenvergrößerung, wodurch das Betongefüge der Außenschale zerstört wird. Durch die entstehenden Risse steht eine große Angriffsfläche zur Verfügung, wodurch die löslichen Bestandteile aus der Betonmatrix herausgewaschen werden können.

Für die Versinterungsentstehung von größerer Bedeutung sind die lösenden Angriffe. Lösende Wässer greifen dabei den freien Kalk und die kalkhaltigen Verbindungen sowohl des Zementsteins als auch des Gebirges (Kalkstein, Dolomit etc.) an.

Aus dem Dränagewasser kann es dann zu Ausfällungen an Calciumcarbonat kommen. Versinterungsrate und -geschwindigkeit sind dabei von unterschiedlichen chemischen und physikalischen Randbedingungen innerhalb der Dränage abhängig.

Die im Folgenden dargestellten chemischen Abläufe beziehen sich auf die Wechselwir-kung zwischen anstehendem Bergwasser und verwendeten Baustoffen. Bei der Wech-selwirkung zwischen Wasser und Beton oder Mörtel spielt der Zementstein und die Porenlösung eine zentrale Rolle.

Weiche Wässer und Beton. Das Calciumhydroxid (Ca(OH)2), das im Zementstein zu

5-10 % enthalten ist, ist in geringen Mengen wasserlöslich (ca. 1,2 g/l). Dies gilt jedoch nur für reines, salzfreies Wasser [43].

Dieses weiche Wasser löst langsam Calciumhydroxid aus dem Zementstein. Die Lösege-schwindigkeit ist dabei abhängig von der Angriffsfläche und der Strömungsgeschwindig-keit des Wassers. Nachdem das Ca(OH)2 aus dem Zementstein gelöst ist, spaltet auch

das Calciumsilikathydrat Calciumhydroxid ab, da es nur beständig ist, wenn überschüssi-ges Ca(OH)2 vorhanden ist. Dieses abgespaltene Calciumhydroxid wird ebenfalls vom

weichen Wasser herausgelöst.

Als Dränagewasser entsteht also Wasser mit gelöstem Calciumhydroxid H2O + Ca(OH)2 .

Weiche Wässer mit kalklösender Kohlensäure und Beton. Bei weichen Bergwässern

mit H2CO3 kann das Calciumcarbonat der Versinterungen nur aus den verwendeten

Baustoffen herausgelöst werden.

(27)

das Neutralisationsprodukt Calciumcarbonat CaCO3 (Gl. 3-5), welches sich in Form feiner

Kristalle in den Betonporen absetzt und hier noch betonverdichtend wirkt. Calciumcarbo-nat ist praktisch wasserunlöslich. 1 l Wasser löst 13 mg CalciumcarboCalciumcarbo-nat [46].

Ca(OH)2 + H2CO3 CaCO3(↓) + 2H2O (Gl. 3-5)

Kommt weitere Kohlensäure dazu, reagiert sie mit dem Calciumcarbonat zu dem stark wasserlöslichen Calciumhydrogencarbonat CaH2(CO3)2 (Gl. 3-6), welches aus dem Beton

herausgelöst wird. Wasser löst ca. 165 g/l des Calciumhydrogencarbonats oder auch Calciumbicarbonats, also etwa 13.000-mal soviel wie Calciumcarbonat [46].

CaCO3 + H2CO3 CaH2(CO3)2 (Gl. 3-6)

(28)

Auf dem weiteren Fließweg des Wassers durch die Baustoffe reagiert das leicht lösliche Hydrogencarbonat mit dem vorhandenen Calciumhydroxid wieder zu Calciumcarbonat und Wasser (Gl. 3-7) [46].

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O (Gl. 3-7)

Durch weiteres Nachströmen des kohlensauren Wassers (H2CO3) wird das

Calciumcar-bonat CaCO3 wieder unter Bildung von Calciumhydrogencarbonat CaH2(CO3)2 gelöst und

in die Dränage abgeleitet (Gl. 3-6).

Als Dränagewasser erhält man Wasser mit gelöstem Calciumhydrogencarbonat H2O + CaH2(CO3)2.

Harte Wässer mit kalklösender Kohlensäure und Beton. Bei hartem Wasser mit

Kohlensäure sind bereits Salze aus dem Gebirge herausgelöst worden. Es ist aber noch Kohlensäure vorhanden, die die Baustoffe angreifen kann.

Die lösende Wirkung kohlensauren Wassers ist nicht proportional zum Kohlensäurege-halt. Die Kohlensäure kann in drei Formen vorliegen:

- gebundene Kohlensäure, - stabilisierende Kohlensäure und - aggressive Kohlensäure.

Von diesen drei Formen ist nur die letzte in der Lage, Calciumverbindungen aus dem Beton herauszulösen.

(29)

Billd 3-5: Karbonathärte und zugehöriges Kohlendioxid [46]

Für die Betonkorrosion bedeutet dies, dass bei einem weichen Wasser schon ein geringer Kohlensäuregehalt ausreicht, um Beton und Mörtel anzugreifen, während ein sehr hoher Kohlensäuregehalt eines harten Wassers sehr geringe Schädigungen bewirken kann (Bild 3-6).

Erst der Teil der freien Kohlensäure, der nicht benötigt wird, um die Salze in Lösung zu halten, ist betonaggressiv und verursacht die gleichen Reaktionen wie die Kohlensäure im weichen Wasser.

Bild 3-6: Betonkorrosion und Wasserhärte [46]

Hinsichtlich der Versinterungsneigung des Wassers ist es allerdings irrelevant, woher der im Wasser gelöste Kalk stammt, ob aus dem Gebirge oder aus den Beton.

(30)

3.2.3 Ausfällungsvorgänge

In die Dränage gelangt also Wasser, in dem Calciumhydroxid Ca(OH)2 und

Calcium-hydrogencarbonat CaH2(CO3)2 gelöst ist. Beim Übergang des Wassers in die

Dränageroh-re ändern sich die Randbedingungen, und außerdem kommt es teilweise zu einer Mischung von Wässern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dadurch bedingt kommt es dann auf dem Weg vom Wasserzutritt bis zur Vorflut zu Ausfällungen.

Dränagewasser mit Calciumhydroxid. Zwei mögliche Prozesse führen zu Ausfällungen

aus den weichen Dränagewässern, die mit Calciumhydroxid angereichert sind.

Die erste Möglichkeit besteht darin, dass das Dränagewasser innerhalb der Leitung mit Luft in Kontakt kommt und aus dieser Kohlendioxid aufnimmt. Das Calciumhydroxid und das Kohlendioxid reagieren dann zu Calciumcarbonat und Wasser (Gl. 3-8).

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (Gl. 3-8)

Wenn kohlensaures Wasser sich im Laufe der Dränageleitung mit calciumhydroxidrei-chem Wasser vermischt, kommt es zu demselben Prozess, der auch schon beim lösenden Angriff von Kohlensäure auf Beton stattfindet: Das Calciumhydroxid reagiert mit der Kohlensäure unter Bildung von Calciumcarbonat und Wasser.

Ca(OH)2 + H2CO3 CaCO3 + 2H2O (Gl. 3-9)

Dränagewasser mit Calciumhydrogencarbonat. Wie bereits geschildert, benötigt das

Calciumhydrogencarbonat stabilisierende Kohlensäure in der Umgebung, damit es beständig ist. Die Löslichkeit von CO2 im Wasser und damit der Kohlensäuregehalt ist

dabei abhängig von den physikalischen Randbedingungen Druck und Temperatur.

Die Abhängigkeit der Wasserlöslichkeit des Kohlendioxids von der Temperatur und vom Druck verhält sich wie in Bild 3-7 dargestellt. Dabei bleibt bei tieferen Temperaturen überproportional viel Kohlendioxid im Wasser gelöst. Druck und CO2-Gehalt hingegen

(31)

Bild 3-7: Wasserlöslichkeit von Kohlendioxid [46]

Mit dem Übergang des Wassers in das Dränagesystem nimmt in der Regel die Tempera-tur des Wassers zu und der Druck ab. Als Folge davon entgast CO2 und das

Calcium-hydrogencarbonat zersetzt sich zu Calciumcarbonat, Kohlendioxid und Wasser (Gl. 3-10).

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O (Gl. 3-10)

Eine Erhöhung des pH-Wertes durch die Mischung mit Wasser, das Kontakt mit alkali-schen Baustoffen hatte, führt ebenfalls zu Kalkausfällungen. Die Hydroxidionen im Wasser kommen aus dem Spritzbeton einschließlich ggf. zugesetzter alkalihaltiger Beschleuniger.

Das Calciumhydrogencarbonat reagiert, wie schon beim lösenden Angriff der Kohlensäu-re auf Beton gezeigt, mit dem Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat und Wasser.

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O (Gl. 3-11)

Die alkalihaltigen Erstarrungsbeschleuniger basieren gewöhnlich auf den leicht löslichen Kalium- und Natriumaluminaten. Das Natriumhydroxid beispielsweise reagiert mit dem Calciumhydrogencarbonat unter Bildung von Calciumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat und Wasser (Gl. 3-12).

Ca(HCO3)2 + Na(OH) → CaCO3 + NaHCO3 + H2O (Gl. 3-12)

(32)

3.2.4 Untersuchungsverfahren zur Abschätzung der

Versinte-rungsgefährdung von Wässern

Die in den Dränagen ausfallenden Stoffe können entweder aus dem Gebirge oder aus den verwendeten Baustoffen stammen. Zur Beurteilung der Versinterungsgefahr ist deshalb neben der Betonaggressivität nach DIN 4030-1 [18] auch die Calcitsättigung des Bergwassers zu bestimmen. Die Bestimmung der Kalklösekapazität im Rahmen der Untersuchungen nach DIN 4030-1 sind dabei nicht weitreichend genug und müssen noch durch eine Bestimmung der Calcitsättigung nach DIN 38 404-10 [22] ergänzt werden. Für die Bestimmung der Calcitsättigung eines Wassers sind nach DIN 38 404-10 drei Rechenverfahren und zwei experimentelle Verfahren anwendbar.

Für die Praxis hat sich die Bestimmung der Calcitsättigung eines Wassers durch die Berechnung des Sättigungs-pH-Wertes nach Strohecker und Langelier (Verfahren DIN 38 404-C 10-R 2) als anwenderfreundlich erwiesen. Weiterhin müssen bei den notwendigen Analysewerten

- pH-Wert (pHt),

- Messtemperatur, in °C (t),

- Bewertungstemperatur, in °C (tb),

- elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C, in mS/m (c25), - Säurekapazität bis pH = 4,3, in mmol/l (KS4,3), - Calcium, in mmol/l (Ca2+),

- Magnesium, in mmol/l (Mg2+) und - Sulfat, in mmol/l (SO42-)

nur die Werte für Calcium und die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich zu den Untersu-chungen nach DIN 4030-1 bestimmt werden. Auf Grund einer möglichen Ausgasung von Kohlendioxid beim Transport der Proben muss die Messung des pH-Wertes am Ort der Probeentnahme erfolgen.

Nachdem die Werte ermittelt wurden, ist zu überprüfen, ob das Verfahren anwendbar ist. Die Bedingungen, die nach [24] eingehalten werden müssen, lauten:

- 5 mS/m ≤ c25 ≤ 200 mS/m - 0,25 mmol/l ≤ KS4,3 ≤ 10 mmol/l - 0,25 mmol/l ≤ Ca2+ ≤ 10 mmol/l

(33)

Wenn die Bedingungen eingehalten sind, ist der Zahlenwert für den Sättigungs-pH-Wert für die Bewertungstemperatur (pHLtb) nach der Gleichung von Strohecker und Langelier zu berechnen, ansonsten ist nach DIN das Verfahren nach DIN 38 404-C 10-R 3 zu verwen-den. Für die Abschätzung der Versinterungsgefährdung für Tunneldränagesysteme kann allerdings weiterhin der Sättigungs-pH-Wert pHLtb verwendet werden, da für das tatsächli-che Versinterungsverhalten so viele weitere Faktoren eine Rolle spielen, dass die Genauigkeit auch bei Nichteinhaltung der Grenzwerte immer noch ausreichend ist.

(34)

Ein Vergleich des berechneten Sättigungs-pH-Wertes pHLtb mit dem gemessenen pH-Wert pHtb liefert dann die Aussage zur Calcitsättigung des Wassers. Dabei gilt:

- pHtb < pHLtb: das Wasser ist calcitlösend - pHtb = pHLtb: das Wasser ist calcitgesättigt - pHtb > pHLtb: das Wasser ist calcitabscheidend

Damit Calciumcarbonat bei einem calcitabscheidenden Wasser auch tatsächlich ausfällt, müssen sich Keime bilden. Bei einer Differenz der beiden pH-Werte pHtb und pHLtb (Sättigungsindex) > 1 können sich die Keime direkt in der Lösung bilden und das Calci-umcarbonat fällt aus. Bei einer kleineren Differenz muss eine Fremdoberfläche vorhanden sein, an der sich dann die Keime bilden können [68].

3.3 Herkunft der versinterungrelevanten Stoffe und

deren Einbindung in die Zementsteinmatrix

Die maßgebenden Stoffe, die für die Entstehung von Versinterungen verantwortlich sind, sind die im Bergwasser gelösten Calciumhydroxide Ca(OH)2 oder

Calciumhydrogencar-bonate CaH2(CO3)2. Diese Stoffe gelangen teilweise mit den Ausgangsstoffen (Zement,

Gesteinskörnung, Zusatzstoff/-mittel und Anmachwasser) in den Beton, teilweise bilden sie sich auch bei der Hydratation. Das heißt, die Gesamtgehalte der versinterungsrelevan-ten Stoffe der verwendeversinterungsrelevan-ten Ausgangsstoffe sind maßgebend für den Gesamtgehalt der Stoffe im Beton. Spritzbeton unterscheidet sich vom Normalbeton durch eine höhere Porosität, aber vor allem durch die Forderung, dass der Beton eine gewisse Frühfestigkeit besitzen muss. Diese Forderung kann häufig nur unter Einsatz von Erstarrungsbeschleu-nigern als Zusatzmittel erfüllt werden. Während des Abbindevorgangs des Spritzbetons fällt bei Anwendung alkalihaltiger Erstarrungsbeschleuniger eine Menge an Natriumhydro-xid Na(OH) bzw. KaliumhydroNatriumhydro-xid Ka(OH) an. Diese Alkalien werden besonders schnell ausgelaugt, da ihre Löslichkeit bis zu 700-mal höher ist als die des Calciumhydroxids.Die gelösten Alkalien bewirken eine Erhöhung des pH-Wertes im Eluat und fördern indirekt die Versinterung in den Dränagen. Aufgrund gelöster OH--Ionen aus NA+/K+

-Verbindungen können nur mehr wenig Ca(OH)2 in Lösung gehalten werden. Dies führt zu

einer sehr frühen intensive Ausfällung des Calciumcarbonats CaCO3. Aus diesem Grund

muss im Folgenden neben der Herkunft der Calciumhydroxide Ca(OH)2 und

Calcium-hydrogencarbonate CaH2(CO3)2 auch die Herkunft der Alkalien betrachtet werden. Des

(35)

3.3.1 Zement

Zement ist ein aus Portlandzementklinker feingemahlenes Bindemittel, welches unter Wasserzugabe, sowohl unter Wasser als auch in der Luft zu Zementstein erhärtet [45]. Hauptelement des Zementes stellt Calcium dar. Nach der Hydratation ist das Calcium im Zementstein in Form von festen Hydratphasen (CSH-Phasen) und teilweise als lösliches Calciumhydoxid (Ca(OH)2) eingebunden. Letzteres leistet bei Reaktion mit dem

Bergwas-ser den maßgebenden Beitrag für die Entstehung von Versinterungen leistet. Durch die Verwendung von Zementen mit niedrig wirksamem Alkaligehalt nach DIN 1164 [17] und gleichzeitiger Begrenzung des Zementgehaltes kann die vorhandene Alkalimenge deutlich reduziert werden.

Für genaue Aussagen über die potentiell auslaugbaren Stoffe ist es notwendig zu wissen, welche Reaktionsprodukte sich im erhärteten Zementstein befinden. Neben der chemi-schen Zusammensetzung ist deshalb auch die Hydratation des Zements von Bedeutung. Obgleich der Massenanteil von 1-2 M-% Alkalien im Portlandzementklinker relativ gering erscheint, bereitet genau dieser Anteil im Zusammenhang mit der Auslaugbarkeit von Spritzbeton Probleme, worauf in Abschnitt 3.4 noch genauer eingegangen wird.

Im Zement möglicherweise noch enthaltener freier Kalk wird entweder durch Wasserein-wirkung zu Ca(OH)2 (Gl. 3-13) oder durch Kohlendioxid zu Calciumcarbonat (Gl. 3-14)

umgesetzt:

CaO + H2O Ca(OH)2 (Gl. 3-13)

CaO + CO2 CaCO3 (Gl. 3-14)

3.3.2 Gesteinskörnung

(36)

3.3.3 Zusätze

Bei der Zementherstellung können mit dem Portlandzementklinker auch puzzolanische und/oder latent-hydraulische Stoffe gemeinsam vermahlen werden (Zumahlstoffe). Dieselben Stoffe können auch als sogenannte Betonzusatzstoffe erst bei der Betonher-stellung zugegeben werden.

Durch solche Zusätze werden Betoneigenschaften verbessert oder besondere Eigen-schaften erzielt. Tabelle 3-1 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Zusatzstoffe.

Tabelle 3-1: Übersicht Zusätze

Zusätze

Puzzolane latent-hydraulische Bindemittel

Silicastaub Flugasche

Trass

Hüttensand

Latent hydraulische Zusätze enthalten weniger Calciumoxid als Portlandzement und reagieren deshalb allein nicht mit Wasser. Erst nachdem der hydratisierende Portlandze-ment genügend Calciumhydroxid gebildet hat, können Hüttensande und kalkreiche Flugaschen im alkalischen Milieu umgesetzt werden. Es entstehen die gleichen Hydratati-onsprodukte wie bei Portlandzement, nur die Mengenverhältnisse sind verschieden. Calciumhydroxid dient bei diesem Vorgang als Anreger und nicht als Reaktionspartner. Puzzolanische Zusatzstoffe enthalten noch weniger bis gar kein Calciumoxid. Calcium-hydroxid aus der Portlandzementhydratation ist deshalb nicht nur als Anreger, sondern auch als Reaktionspartner notwendig. Puzzolanische Stoffe können stark, mittel oder schwach reagieren und tragen dementsprechend mehr oder weniger zur Festigkeit und Dichtigkeit des Betons bei. Silicastaub hat in dieser Gruppe die höchste Aktivität, weil es am wenigsten kristalline Anteile und die größte spezifische Oberfläche hat.

Beide Gruppen stellen mit Wasser allein also keine Bindemittel dar, erhärten aber mit Hilfe eines Anregers hydraulisch. Der Hauptunterschied zwischen Puzzolanen und latent-hydraulischen Bindemitteln liegt in deren Kalkgehalt [45]:

- Latent-hydraulische Bindemittel: 30-55%

- Puzzolane: i.a. < 10%

Hüttensand. Nur so genannte basische Hochofenschlacken sind als Hüttensand für

(37)

Hochofenze-ment bezeichnet. Ein HochofenzeHochofenze-ment kann 36-70% Hüttensand enthalten. Die Zusam-mensetzung des Hüttensandes ist wie folgt [45]:

- 32-40% SiO2, - 10-16% Al2O3, - 40-45% CaO und - bis zu 5% MgO.

In Hinblick auf die Auslaugbarkeit versinterungsrelevanter Stoffe können zusammenfas-send folgende Rückschlüsse gezogen werden:

- Der Hüttensand ist praktisch alkalifrei, ein hergestellter Hochofenzement enthält folglich weniger Alkalien als ein Portlandzement [65].

- Ein Hochofenzement enthält weniger Klinker als ein Portlandzement, dadurch steht weniger Calciumhydroxid zur Verfügung [45].

- Bei der puzzolanischen Reaktion des Hüttensandes wird Calciumhydroxid ver-braucht und es steht für die Auslaugung nicht mehr zur Verfügung.

- Das Stoffgefüge wird durch Beimengungen von Hüttensand dichter. Daraus kann gefolgert werden, dass die Wasserdurchlässigkeit eines Hochofenzementes gerin-ger ist als die eines Portlandzementes.

Flugasche. In thermischen Kraftwerken fallen riesige Mengen Verbrennungsrückstände

als Flugaschen an. Diese industriellen Abfallprodukte werden mit Hilfe von Elektrofiltern bei der Rauchgasreinigung abgeschieden und wenn möglich im Beton entsorgt. In Deutschland wird meist die Steinkohleflugasche als Zusatzstoff oder teilweise auch als Zementersatz benutzt. Die Bestandteile der Steinkohleflugasche sind wie folgt [45]:

- 45-55% SiO2, - 25-30% Al2O3, - 5-10% Fe2O3, - 2-6,5% CaO, - 2-3% MgO, - 3-6% Alkalien, - 0,5-3% SO3 und - ca. 0,1% CI.

(38)

Steinkohleflugaschen bestehen aus glasartigen, hohlen oder gefüllten Kügelchen mit glatter Oberfläche. Die Partikelgrössen liegen mit 1-100 µm im Feinstsandbereich.

Flugasche setzt sich chemisch mit Calciumhydroxid, das bei der Zementhydratation entsteht, zu Calciumsilikathydraten (CSH-Gel) um. Die puzzolane Reaktivität der Stein-kohlenflugaschen beruht hauptsächlich auf ihrem Glasgehalt. Daneben ist eine genaue Kenntnis der Kornzusammensetzung notwendig. Die Hydratation wird vor allem von dem Kornanteil kleiner 10 µm bestimmt. Dieser Anteil sollte dabei mehr als 50 M.-% betra-gen [45].

Es wird also eine gewisse Menge an Calciumhydroxid verbraucht. Die zur Auslaugung verfügbare Menge reduziert sich folglich. Als weiteres positives Faktum in Bezug auf die Auslaugbarkeit ist zu nennen, dass die Oberfläche, die zur Auslaugung zur Verfügung steht, sich verringert, da Flugasche sich nur schwer in wässrigem Medium löst [58]. Wie allerdings der Zusammensetzung zu entnehmen ist, ist der Alkaligehalt relativ hoch. Diese Alkalimenge könnte dann zur Auslaugung zur Verfügung stehen.

Trass. Der Trass wird durch das Feinmahlen von Tuffstein gewonnen. Die chemische

Zusammensetzung des Trasses ist folgendermaßen:

- 50-60% SiO2, - 17-19% Al2O3, - 3-5% Fe2O3, - 3-6% CaO, - 2-3% MgO und - 6-10% Alkalien.

Trass reagiert chemisch in etwa wie die Steinkohleflugasche. Um eine chemische Reaktion angeben zu können wird gemäß seiner Zusammensetzung eine angenäherte Summenformel geschrieben: (S6A)glas. Der Trass reagiert im erhärteten Zementstein des

Trasszementes unter Verbrauch eines Anregers mit Wasser und Gips zu einem Monosul-fat und CSH-Phasen (GI. 3-15).

12Ca(OH)2 + (S6A)glas + CaS04 + xH2O → 3C3S2aq + C3A*CaSO4*12H2O (Gl. 3-15)

Wie auch bei den anderen Zusatzstoffen wird Calciumhydroxid verbraucht, welches dann nicht mehr aus dem Spritzbeton ausgelaugt werden kann.

Silicastaub. Silicastaub fällt bei der Silizium- und Ferrosiliziumherstellung als Abfall- bzw.

Nebenprodukt an. Bei diesem Prozess wird kristalliner Quarzsand im Lichtbogen ver-dampft und als kugelförmiger Silicastaub mit einer Partikelgrösse von 0.05-0.5 µm kondensiert. Silicastäube bestehen zu 85-95 % aus glasartigem Siliziumdioxid (amorphes SiO2) und haben eine sehr hohe spezifische Oberfläche, die mit 10-25 m2/g in der

(39)

wässeriger Suspension geliefert und werden aufgrund ihres relativ hohen Preises nur in Sonderfällen eingesetzt, wie z.B. für hochfesten Beton (> B 55) oder Spritzbeton [4]. Die Zusammensetzung ist wie folgt:

- 92-98% SiO2, - 0,5-3% Al2O3,

- 0,1-5% Fe2O3 und - 0,7-2,5% CaO.

Silicastaub ist der reaktivste, puzzolanische Zusatzstoff. Im Gegensatz zu Flugasche beginnt amorphes SiO2 bereits sehr früh zu reagieren. Es setzt sich mit Calciumhydroxid,

das bei der Zementhydratation entsteht, zu Calciumsilikathydraten (CSH-Gel) um.

Der Calciumhydroxidverbrauch während der puzzolanen Reaktion führt zu einem Absinken des pH-Wertes gegenüber einem silicafreien Beton. Zur Gewährleistung des Korrosionsschutzes der Bewehrung ist deshalb bei Stahlbeton die maximal zulässige Menge an Silicastaub zu begrenzen, z.B. 11 M.-% des Silicafeststoffgehaltes, bezogen auf die Zementmenge.

Bei erhöhter Zugabe von Erstarrungsbeschleunigern, ist jedoch Vorsicht geboten. Die erhöhte Zugabe kann den positiven Einfluss des Silicas auf die Auslaugbarkeit des Spritzbetons aufheben [65].

Physikalisch gesehen besitzt Silicastaub einen kleinen Korndurchmesser [≈ 0,1 µm]. Die Silicakörner können also gut die Zwischenräume zwischen den Zementkörnern füllen, die einen etwa 100-fach größeren Korndurchmesser besitzen. Dadurch wird eine verbesserte Dichtigkeit des Spritzbetons und somit eine geringere Auslaugbarkeit erreicht.

3.3.4 Zusatzmittel

(40)

gesund-heitsschädlich sind, wurden diese Beschleuniger wieder vom Markt genommen. Die Entwicklungsstufen gingen über alkaliarme Beschleuniger hin zu den heute üblichen alkalifreien Beschleunigern. Die folgende Ausführung soll einen Überblick der chemischen Hauptbestandteile der Erstarrungsbeschleuniger geben. Anschließend werden die chemischen Reaktionen der Erstarrungsbeschleuniger mit dem Zement und seinen Hydratationsprodukten behandelt. Diese Reaktionen sind besonders wichtig im Hinblick auf die Auslaugbarkeit von Spritzbeton.

Die dargestellten Reaktionen sind sehr komplex und erfolgen deshalb in übersichtlicher graphischer Darstellung. Da bei Versuchen sowohl an der Ruhr-Universität Bochum als auch in der Praxis mit alkaliarmen Erstarrungsbeschleunigern und Microsilica gearbeitet wurde sind die Reaktionen separat aufgeführt.

Alkalihaltige Beschleuniger. Diese Beschleuniger wurden anfangs auf Basis von

Wasserglas (Alkalisilikate), später auf Basis von Natrium- oder Kaliumaluminat hergestellt. Dabei sind sie hoch alkalisch; es werden pH-Werte um 13 erreicht, was ein großes Gefahrenpotential für Arbeiter und Umwelt birgt. Bei Zugabe von Wasserglas reagiert das Silikat mit dem im Spritzbeton enthaltenem Calciumhydroxid zu unlöslichen Calciumsili-kathydraten. Dies führt zu einem raschen Ansteifen des Betons, welches jedoch abhängig von der Dosierung des Beschleunigers ist. Der Alkaligehalt des Wasserglases, ausge-drückt als Na2O-Äquivalent, liegt bei ungefähr 10%. Abbindebeschleuniger auf Basis von

Aluminaten greifen, im Gegensatz zu Beschleunigern auf Silikatbasis, aktiv in den Hydratationsprozess ein. Vorteile gibt es bei der Dosierung, die sich in einem Bereich von 3-6% des Zementgehaltes bewegt. Dagegen liegt der Alkaligehalt bei ca. 20 bis 25%. Das hohe Na2O-Äquivalent wirkt sich negativ auf das Auslaugungsverhalten aus.

Wie bereits dargestellt enthält diese Gruppe von Beschleunigern große Mengen an Alkalien. Die verwendeten Hauptwirkstoffe sind Alkali-Aluminat und Alkali-Carbonat. Diese können aber nur mit einer bestimmten Menge Alkalihydroxid hergestellt werden, wodurch eine zusätzliche Alkalimenge in den Beschleuniger gelangt.

Die Alkalicarbonate reagieren mit dem Calciumhydroxid, das sich durch die Reaktion des Zementes mit dem Anmachwasser bildet, zu Calciumcarbonat und Alkalihydroxid (GI. 3-16). Das Calciumcarbonat bewirkt dabei ein rasches Erstarren des Zementes. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird der Ablauf nur für Natrium behandelt. Die Reaktionen beim Kalium laufen analog ab.

Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2NaOH (Gl. 3-16)

Das Alkalialuminat, welches sich auch in den alkaliarmen Beschleunigern befindet, reagiert nach GI. 3-17 vor allem zu Calciumaluminat und Alkalihydroxid.

(41)

Das Calciumaluminat reagiert dann schließlich mit Wasser und Gips zu den gewünschten Ettringit (GI. 3-18).

3CaO * Al2O3 + 3CaSO4 + 32H2O → 3CaO * Al2O3 * 3CaSO4 * 32H2O (Gl. 3-18)

Die beschriebenen Zusammenhänge sind in Bild 3-8 zusammengefasst dargestellt.

Bild 3-8: Chemische Reaktionen eines alkalihaltigen Erstarrungsbeschleunigers

Alkaliarme Beschleuniger. Aufgrund der gegenüber alkalihaltigen BE-Mitteln geringeren

Gesamtalkalität wird dieser Beschleunigertyp als „alkaliarm“ bezeichnet. In dieser Entwicklungsstufe wurden die Alkalicarbonate aus den Beschleunigern genommen. Man versuchte einen Beschleuniger herzustellen, der nur noch AI(OH)4 enthält. Aber auch

diesem Beschleuniger muss zur Herstellung eine bestimmte Menge Alkalihydroxid zugegeben werden. Dadurch enthält auch dieser Beschleuniger eine geringe Menge an Alkalien. Die chemischen Reaktionen sind in Bild 3-9 dargestellt.

(42)

Bild 3-10 zeigt den Unterschied bei den chemischen Reaktionen wenn Microsilica zugesetzt wurde. Die chemisch sehr reaktiven Silikate binden Alkalien aus dem Spritzbe-ton an sich. Sie reagieren mit diesen zu stabilen Alkali-Silikat-Hydraten [4].

Bild 3-10: Chemische Reaktionen eines alkaliarmen Erstarrungsbeschleunigers mit SiO2 Zusatz

Alkalifreie Beschleuniger. Alkalifreie Erstarrungsbeschleuniger werden in pulvriger Form

oder als Suspension angeboten. Erst durch ein Na2O-Äquivalent < 1% gelten diese Beschleuniger als alkalifrei. Dabei bewegt sich der pH-Wertebereich von 3 bis 8; dies bewirkt eine erhebliche Verbesserung der Arbeitshygiene. Alkalifreie Beschleuniger enthält nur noch Al(OH)3. Da das Aluminium-3-Hydrat aber für eine

Erstarrungsbeschleu-nigung nicht schnell genug wirkt, wird ihm noch Eisen- oder Aluminiumsulfat zugesetzt [27, 82]. Das Aluminium-3-Hydrat (Al(OH)3), welches sich im alkalifreien Beschleuniger

befindet, ist im pH-neutralem Wasser nicht löslich. Es braucht für seine Reaktion Calci-umhydroxid als Anreger. Wie erwähnt läuft die Reaktion des Aluminium-3-Hydrats nicht schnell genug ab, so dass dem Beschleuniger noch Aluminiumsulfat Al2(SO4)3 zugegeben

(43)

Bild 3-11: Chemische Reaktionen eines alkalifreien Erstarrungsbeschleunigers

3.3.5 Einfluss der verschiedenen Ausgangsstoffe auf die

Auslaugbarkeit

Im Folgenden werden die wichtigsten Erkenntnisse über den Einfluss der verschiedenen Ausgangsstoffe auf die Auslaugbarkeit von Spritzbeton in Tabelle 3-2 noch einmal zusammengefasst dargestellt.

Tabelle 3-2: Übersicht über den Einfluss der verschiedenen Ausgangsstoffe auf die Auslaugbarkeit

Bestandteil Erkenntnis

Bei Bildung der festigkeitsbestimmenden Phasen (CSH-Phasen) entstehen große Mengen an Calciumhydroxid (Ca(OH)2). Geringe Mengen

Calcium-hydroxid entstehen aus dem freien Kalk. Insgesamt setzt der Portlandzement bei seiner Erhärtung bis zu 25 M-% Ca(OH)2 frei [45].

Ein nicht modifizierter Portlandzement enthält etwa 1-2 M-% Alkalien, die durch das Zugabewasser in ihre Hydroxide (also Kalium- und Natriumhydro-xid) umgesetzt werden.

Zement

Durch die Verwendung von Zementen mit niedrig wirksamem Alkaligehalt nach DIN 1164 und gleichzeitiger Begrenzung des Zementgehaltes kann die vorhandene Alkalimenge deutlich reduziert werden.

Gesteinskörnung Auslaugungen können vermindert werden, indem nur säurebeständiger

Gesteinskörnung verwendet wird und auf Kalkgestein bzw. kalkhaltige Gesteinskörnungen verzichtet wird.

Bei der puzzolanischen Reaktion der Zusätze wird Calciumhydroxid ver-braucht, welches für die Auslaugung nicht mehr zur Verfügung steht.

Zusätze

(44)

Die mit Zusätzen hergestellten Zemente (Hochofenzemente) enthalten weniger PZ-Klinker. Somit entstehen weniger lösliche Reaktionsprodukte als bei reinem Portlandzement.

Bei Einsatz von Silicastaub bietet sich, durch die deutlich kleinere Partikelgrö-ße als die der Zementkörner, zusätzlich die Möglichkeit, dass sich Silicastaub gut zwischen die Hohlräume der Zementpartikel legen kann und somit dichtend gegen Eindringen von Wasser wirkt.

Silicastaub kann ferner Alkalien in Form von Alkalisilikathydrat an sich binden. Diese sind stabil, die entsprechenden Alkalimengen sind weniger leicht löslich.

Beim Einsatz alkalihaltiger Beschleuniger werden große Mengen Alkalien

(Na(OH) oder K(OH)) freigesetzt, die sehr leicht löslich sind, den pH-Wert

erhöhen und dadurch die Entstehung von Versinterungen begünstigen.

Bei alkalihaltigen Beschleunigern wird eine gewisse Menge Calciumhydroxid verbraucht, die dann zur Auslaugung nicht mehr zur Verfügung steht.

Zusatzmittel

Bei Alkaliefreien Beschleunigern wird das Na2O-Äquivalent auf 1M.-%

begrenzt. Dabei bewegt sich der pH-Wert im Bereich von 3 bis 8.

3.4 Auslaugmechanismen

Um objektive Aussagen über das mögliche Gefährdungspotential durch die Auslaugung versinterungsrelevanter Stoffe aus zementgebundenen Baustoffen treffen zu können, sind zuerst Kenntnisse über das zeitabhängige Auslaugverhalten erforderlich. Nach Klärung der Auslaugmechanismen wird eine Möglichkeit vorgestellt, bei definierten Bedingungen das Auslaugverhalten vorherzusagen. Dazu werden die verschiedenen Freisetzungspro-zesse im Folgenden kurz erläutert.

3.4.1 Beschreibung der Freisetzungsprozesse löslicher Stoffe

aus einer Zementsteinmatrix

(45)

Bild 3-12: Vorgänge bei der Freisetzung von löslichen Bestandteilen

aus einer Zementsteinmatrix (schematisch) [40]

Auflösung der Stoffe im Porenwasser (Schritt 1). Nach [21] werden die meisten

Spurenelemente (darunter auch Magnesium, Kalium und Natrium) aufgrund des hohen pH-Wertes im Porenwasser ausgefällt. Da das Porenwasser sich im Gleichgewicht mit der Zementsteinmatrix befindet, verbleibt ein geringer Anteil der schwer löslichen Stoffe im Porenwasser gelöst. Dieser Vorgang ist stoffspezifisch und abhängig von der chemischen Zusammensetzung und dem pH-Wert der Porenlösung.

Nachlösen gebundener Anteile und Einstellen neuer Gleichgewichte (Schritt 2).

Aufgrund des Konzentrationsgefälles werden die gelösten Stoffe zur Oberfläche transpor-tiert und dort in den Eluenten freigesetzt. Diese Prozesse bewirken ein Nachlösen vorher gebundener Stoffe. Da die chemischen Randbedingungen sich während der Auslaugung zeitabhängig ändern können, können sich auch neue Lösungsgleichgewichte (schnelle-res/langsameres Nachlösen) einstellen. Dies kann z.B. durch Carbonatisierung bzw. Verschiebung des pH-Wertes zu niedrigeren Werten bewirkt werden.

Transport innerhalb der Matrix und Übergang in das wässerige Medium (Schritt 3).

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Weitertransport/Ausbreitung im wässerigen Medium (Schritt 4). Die freigesetzten

Stoffe werden im wässerigen Medium entweder im stehenden Wasser infolge eines Konzentrationsgradienten durch Diffusion oder im fließenden Wasser durch Konvektion und Dispersion ausgebreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab, z.B. vom Konzentrationsgefälle, von der Fließgeschwindigkeit des Wassers oder der Temperatur. Bei diesen Prozessen ist jeweils der langsamste Schritt geschwindigkeitsbe-stimmend. Das bedeutet, wenn die Diffusion im Zementstein langsamer ist als z.B. die Auflösung der Stoffe, dann ist die Diffusion geschwindigkeitsbestimmend (dominierend).

Zusätzlich zu den beschriebenen Prozessen können lösliche Salze, die auf der äußeren Oberfläche des Betons adsorbiert sind, beim ersten Kontakt mit dem Eluenten abgelöst werden. Man spricht von der so genannten Anfangsauswaschung („wash-off“-Effekt). Dieser Prozess ist meistens bereits nach kurzen Zeiträumen beendet.

Zusammengenommen ergeben die Schritte 1-4 die Auslaugrate, die im Auslaugversuch bestimmt werden kann. Für eine Beschreibung des Langzeitauslaugverhaltens bzw. einer Prognose (Modellierung) der langfristigen Auslaugung ist die Bestimmung des dominie-renden Auslaugmechanismus notwendig.

3.4.2 Bestimmung

der

dominierenden

Auslaugmechanismen

Die Auslaugrate wird ermittelt, indem die Konzentrationen der einzelnen Stoffe in den gewonnenen Eluaten bestimmt werden, wobei die Auslaugrate als die Teilchenmenge definiert ist, die durch die Phasengrenze Probe/Eluent pro Fläche und Zeiteinheit trans-portiert wird. Aus den bestimmten Konzentrationen kann dann die Auslaugrate nach [42] berechnet werden. Dabei können die Fick’schen Gesetze unter folgenden Voraussetzun-gen zur Beschreibung der Elutionsvorgänge aus zementverfestigten Proben angewendet werden:

− Wenn die Lösungsprozesse im Vergleich zur Diffusion sehr schnell verlaufen (leicht lösliche Salze),

− wenn die Probe ausreichend durchfeuchtet ist,

− wenn die Salze in dem Eluenten komplett löslich sind.

Die folgenden Gl. 3-19 und 3-20 lassen sich dann aus den Fick’schen Gesetzen ableiten:

Abbildung

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Referenzen

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