Was ist die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (ASR)?

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (ASR) ist eine Reaktion zwischen reaktiver Kieselsäure in der Gesteinskörnung und Alkalien im Beton. Dabei bildet sich ein Gel, das quillt und die Platte aufreißt.

Was ASR ist

ASR ist eine chemische Reaktion. Alkalihydroxide in der Porenlösung des Betons reagieren mit bestimmten reaktiven Kieselsäuremineralen in manchen Gesteinskörnungen. Das Produkt ist ein Alkali-Kieselsäure-Gel. Das Gel nimmt in feuchter Umgebung Wasser auf und quillt. Die Quellung kann zu Ausdehnung und Rissbildung im Beton führen.

Die Porenlösung von Beton ist stark alkalisch. Die FHWA sagt, dass Natrium- und Kaliumionen, die bei der Zementhydratation freigesetzt werden, dies verursachen. Sie nennt einen pH-Wert von mindestens 12,5 für unkarbonatisierten Zementstein.

ASR ist eine Form der Alkali-Gesteinskörnung-Reaktion. Die andere Form ist die Alkali-Karbonat-Reaktion (ACR), an der bestimmte dolomitische Gesteinskörnungen beteiligt sind. Die FHWA führt beide in ihrem Feldhandbuch auf, und beide verursachen Ausdehnung und Risse.

Wie ASR abläuft

Die Reaktion läuft in dieser Reihenfolge ab:

1. Alkalihydroxide aus dem Zement reagieren mit instabiler Kieselsäure in manchen Gesteinskörnungen.
2. Die Reaktion erzeugt ein Alkali-Kieselsäure-Gel.
3. Das Gel nimmt Wasser aus dem umgebenden Zementstein auf und dehnt sich aus.
4. Die innere Ausdehnung reißt den umgebenden Beton.

Drei Dinge müssen gleichzeitig vorhanden sein:

• Alkalihydroxide in der Porenlösung. Die meisten Alkalien stammen aus dem Portlandzement. Gesteinskörnungen, Zusatzmittel und ergänzende zementartige Stoffe können Alkalien hinzufügen. Taumittel und Meerwasser können sie von außen einbringen.
• Reaktive Minerale in der Gesteinskörnung. Im Allgemeinen ist Gesteinskörnung mit kristalliner Kieselsäure stabil, während Gesteinskörnung mit amorpher oder sehr feinkörniger Kieselsäure reaktiv ist. Die FHWA nennt Opal, Cristobalit, Tridymit, vulkanisches Glas und verschiedene Formen von mikrokristallinem, kryptokristallinem und verspanntem Quarz. Chalcedon und Hornstein zählt sie zu den reaktivsten Formen.
• Feuchtigkeit. ASR kommt unter 80 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit im Beton zum Stillstand und wird stärker, wenn die Feuchtigkeit von 80 auf 100 Prozent steigt.

Die FHWA merkt an, dass das Produkt oft als Gel bezeichnet wird, obwohl es häufig kristallin ist.

Wie ASR auf einer Befestigung aussieht

Das PAVER-Handbuch der FAA führt diese sichtbaren Anzeichen auf:

• Risse, oft in einem netzartigen Muster.
• Weiße, braune, graue oder anders gefärbte Gelablagerungen oder Verfärbungen an den Rissen.
• Ausplatzungen an der Gesteinskörnung.
• Ausdehnung, etwa Plattenversatz, Fugenversatz, herausgedrückte Fugendichtungen, das Kippen von Leuchtgehäusen (light can tilting) und das Verschieben der Asphaltbefestigung.

Das FHWA-Handbuch zeigt, wie sich die Rissbildung in einer Betonbefestigung entwickelt. Die ersten Anzeichen sind oft Risse, die an den Quer- oder Längsfugen beginnen und senkrecht dazu verlaufen. Netzrisse zeigen sich oft zuerst an den Plattenecken. Mit fortschreitender ASR breiten sich die Risse um den Rand der Platten aus, oft mit wenig oder keiner Rissbildung in der Mitte. Fugen reißen zuerst aus drei Gründen. An den Fugen ist mehr Feuchtigkeit, dort gibt es weniger Behinderung der Ausdehnung, und die Verkehrsbeanspruchungen sind dort höher.

Später reißt die ganze Plattenoberfläche. Die Risse richten sich meist entlang der Befestigung aus, weil die Platte entlang ihrer Länge nicht frei ausdehnen kann und quer dazu stärker ausdehnt. Gel oder bräunliche Verfärbungen säumen oft die Risse. Die Fugenschließung durch die Ausdehnung presst die Fugendichtung heraus. Sie kann den Beton an der Fuge zerdrücken, wenn nicht zusammendrückbares Material in der Fuge liegt. Sie kann auch in einem Blowup enden, also einem Aufwölben oder Zersplittern der Plattenkanten. Danach beginnen Abplatzungen an der Fuge, weil Frost-Tau-Wechsel und Verkehr auf den gerissenen Beton wirken.

Die Feuchtigkeit verändert, wie gut die Risse zu sehen sind. Feine Risse lassen sich an einem trockenen Tag schwer erkennen, aber kurz nach Regen, während die Oberfläche trocknet, gut. Risse halten die Feuchtigkeit länger, und das erhöht den Kontrast.

Wann ASR auftritt

ASR zeigt sich meist nach mehreren Jahren, nicht in den ersten Jahren. Das FHWA-Handbuch nennt 5 bis 10 Jahre als typisch. Mäßig reaktive Gesteinskörnung in kälteren Klimazonen kann 15 Jahre oder mehr brauchen. Stark reaktive Gesteinskörnung in heißem, feuchtem Klima kann in weniger als 2 Jahren reißen. Eine FHWA-Tabelle nennt eine größere Spanne von 5 bis 25 Jahren für ASR in Befestigungen. Plastische Schwindrisse dagegen treten im ersten Jahr auf.

Wie sich ASR von anderen Ursachen unterscheiden lässt

Mehrere andere Vorgänge reißen Beton auf ähnliche Weise. Die FHWA sagt, dass Risse und die übrigen Anzeichen ASR nicht beweisen, weil andere Schädigungsprozesse sie ebenfalls verursachen können.

• D-Rissbildung (D-cracking). Das Muster kann an einer Fuge wie ASR aussehen. PAVER trennt beide nach der Richtung der Risse. ASR zeigt auch Risse senkrecht zur Fugenfläche. D-Rissbildung bildet vor allem Risse parallel zu den Fugenflächen. Der Mechanismus ist anders, weil D-Rissbildung von der Ausdehnung frostempfindlicher Gesteinskörnung kommt. Siehe den Eintrag zur D-Rissbildung.
• Netzrisse, Haarrisse und Trocknungsschwinden. PAVER trennt ASR von Netzrissen und Abwitterung anhand der sichtbaren Zeichen der Ausdehnung. Die FHWA zeigt eine Befestigung in einem ariden Klima mit ausgedehnter Netzrissbildung. Die petrografische Untersuchung fand keine ASR, und der Bericht nimmt Trocknungsschwinden als Ursache an.
• Sulfatangriff und verzögerte Ettringitbildung. Auch diese verursachen eine Volumenzunahme und Risse. Die FHWA sagt, dass verzögerte Ettringitbildung oft zusammen mit ASR auftritt.
• Frost-Tau-Abplatzungen. Abplatzungen können auch durch Frost-Tau-Wechsel in der Gesteinskörnung entstehen, ohne ASR.

Die FHWA hat eine Klassifikationstabelle für eine Zustandserhebung. Sie bewertet die Wahrscheinlichkeit von ASR anhand von vier Merkmalen: Ausdehnung oder Verschiebung, Rissmuster, Oberflächenverfärbung und Ausschwitzungen. Ausgedehnte Netzrisse, dunkle Verfärbung mit einer hellen Zone daneben und gelartige Ausschwitzungen an mehreren Rissen weisen auf eine hohe Wahrscheinlichkeit hin. Dasselbe Handbuch sagt, dass nur Bohrkerne und eine Laboruntersuchung die Rolle von ASR feststellen.

Wie sich ASR bestätigen lässt

Eine Sichtprüfung kann ASR nicht bestätigen. Das FHWA-Handbuch sagt, dass nur Bohrkerne und eine Laboruntersuchung einschließlich petrografischer Analyse feststellen, wie stark ASR zur Schädigung beigetragen hat. PAVER nennt die Entnahme von Bohrkernen und die petrografische Analyse als einzige eindeutige Methode.

Laborprüfungen der Gesteinskörnung prüfen die Reaktivität vor dem Bau:

• ASTM C1260, Mörtelstäbe. Die Prüfung erkennt das Potenzial für schädliche ASR einer Gesteinskörnung innerhalb von 16 Tagen. Sie bewertet Gesteinskörnung nicht in Kombination mit zementartigen Stoffen.
• ASTM C1293, Betonprismen. Die Prüfung misst die Längenänderung von Betonprismen. Sie kann auch eine Gesteinskörnung mit einem Puzzolan oder Hüttensand prüfen.
• ASTM C1567. Die FAA-Spezifikation P-501 verwendet sie für die kombinierten Gesteinskörnungen und zementartigen Stoffe in der vorgesehenen Mischung.
• Petrografische Analyse, ASTM C295. Die FHWA nennt sie, um potenziell reaktive Minerale in der Gesteinskörnung zu finden.

Die FHWA nennt diese Grenzwerte aus AASHTO PP 65 für den Straßenbau. Die Ausdehnung von Mörtelstäben darf nach 14 Tagen in 1 M Natriumhydroxidlösung bei 176 °F (80 °C) höchstens 0,10 Prozent betragen. Die Ausdehnung von Betonprismen darf nach einem Jahr höchstens 0,040 Prozent betragen. Die Norm ASTM C1293 besagt, dass die Laborlagerung von den Bedingungen im Feld abweicht.

Wie ASR bewertet wird

PAVER führt ASR als Schadensart 76. Der Schweregrad ist gering, mittel oder hoch. Er richtet sich nach dem Potenzial für Fremdkörper (FOD) sowie nach Rissbreite und Plattenbewegung. Ein enger Riss ist überwiegend 1 mm oder schmaler. Wird ASR mit hohem Schweregrad erfasst, wird auf dieser Platte kein anderer Schaden erfasst.

Wie sich ASR verhindern lässt

Die FHWA nennt vier Strategien für neuen Beton:

1. Reaktive Gesteinskörnung meiden. Prüfen Sie die Gesteinskörnung mit petrografischer Analyse und Ausdehnungsprüfungen und werten Sie ihr Verhalten im Feld aus. Die FHWA ergänzt, dass dies nicht immer die beste Option ist, etwa wenn nicht reaktionsfreie Gesteinskörnung vor Ort fehlt.
2. Den Gesamtgehalt an Alkalien in der Mischung begrenzen. Für eine hohe Vorbeugung setzt das Protokoll AASHTO PP 65 eine Grenze von 3,0 lb/yd³ Natriumoxid-Äquivalent. Die FHWA warnt, dass alkaliarmer Zement trotzdem einen hohen Gesamtgehalt an Alkalien ergeben kann, wenn die Mischung viel Zement enthält. Auch die FAA-Position AC 150/5320-6G sagt, dass hohe Zementgehalte den Alkaligehalt erhöhen können.
3. Ergänzende zementartige Stoffe (SCM) verwenden. Die FHWA nennt dies eine sehr wirksame Strategie. Sie nennt typische Anteile für jeden Stoff:
   • Flugasche mit niedrigem Calciumgehalt: 20 bis 30 Prozent.
   • Flugasche mit mittlerem Calciumgehalt: 25 bis 35 Prozent.
   • Flugasche mit hohem Calciumgehalt: 40 bis 60 Prozent.
   • Silikastaub: 8 bis 15 Prozent.
   • Hüttenzement: 35 bis 65 Prozent.
   • Metakaolin: 10 bis 20 Prozent.
4. Lithiumhaltige Zusatzmittel verwenden. Lithiumnitrat wirkt in Prüfungen, doch die Wirkung hängt von der Gesteinskörnung ab. Prüfungen müssen die Dosis festlegen.

Die FAA setzt diese Regeln in Item P-501, Betonbefestigung, um. Der Auftragnehmer prüft die grobe und die feine Gesteinskörnung getrennt nach ASTM C1260, wobei die Prüfung auf 28 Tage verlängert wird. Die kombinierten Stoffe gehen nach ASTM C1567. Die Spezifikation akzeptiert die Mischung, wenn die Ausdehnung nach 28 Tagen höchstens 0,10 Prozent beträgt. Bei einer Mischung mit Lithiumnitrat ist die Prüfung CRD C662. Der Leitfadenhinweis an den Ingenieur sagt, alkaliarmen Zement mit weniger als 0,6 Prozent Alkaliäquivalent festzulegen.

Was zu tun ist, wenn ASR vorhanden ist

Die FHWA sagt, dass ihr Handbuch nur hilft, die Symptome zu erkennen. Nach einer Diagnose kann der Eigentümer Gegenmaßnahmen einleiten, das Bauwerk überwachen oder die routinemäßige Inspektion fortsetzen. Bei einem bestehenden Bauwerk verringert eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit im Inneren die Reaktionsgeschwindigkeit. Die FHWA sagt, dass ein plötzliches Versagen eines von ASR betroffenen Betonbauteils selten ist. Anhaltende ASR kann dennoch Probleme bei der Gebrauchstauglichkeit, höhere Instandhaltungskosten und eine kürzere Nutzungsdauer verursachen.

Die Reparaturen behandeln die Folgen, nicht die Ursache. AC 150/5380-6C der FAA nennt als örtliche Reparatur bei einem Blowup, die Platte im Blowup-Bereich zu ersetzen und die Fugen neu abzudichten. Sie nennt außerdem die Teiltiefen-Reparatur für Fugenabplatzungen. Die FHWA sagt, dass Abplatzungen an Fugen wahrscheinlich weitergehen und ausgebessert werden müssen. In schweren Fällen verschiebt umfangreiches Ausbessern nur eine größere Instandsetzung oder einen Ersatz.

ASR auf einem Flugplatz

PAVER merkt an, dass chemische Enteisungsmittel die ASR-Rissbildung beschleunigen können. Das FHWA-Handbuch sagt, dass ASR die Frost-Tau-Beständigkeit von Beton verringern kann, auch bei Luftporen. Es ergänzt, dass waagerechte Flächen wie Befestigungen besonders anfällig sind. Wenn ASR-Risse wassergesättigt werden, weitet gefrierendes Wasser sie.

ASR ist eine der Schadensarten in einer PCI-Erhebung. Die Erhebung erfasst die sichtbaren Anzeichen, die Ursache erfordert Bohrkerne und eine Laboruntersuchung. Verwandte Schäden finden Sie in den Einträgen zu Fugenabplatzungen und Netzrissbildung.