Schadensrisiko und Schadensentwicklung in Betonfahrbahndecken als Folge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Betonfahrbahnen unterliegen neben den mechanischen Einwirkungen aus dem Verkehr insbesondere klimatisch bedingten, sich stetig ändernden thermischen und hygrischen Einwirkungen sowie zusätzlichen Beanspruchungen, die sich aus konstruktiven Gegebenheiten bzw. aus der Bauweise einer Betonfahrbahn ergeben.

Auf den hierdurch gegebenen Ausgangsbeanspruchungszustand treffen ggf. die Auswirkungen einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Form von eingeprägten Dehnungen als Folge der mit ihr einhergehenden Treiberscheinungen. Die hieraus resultierende Gesamtbeanspruchung bewirkt oftmals, aber nicht zwangsläufig, die zeitliche Entwicklung von breiten Fahrbahnrissen. ... mehrDabei ist der Wirkungsanteil aus der AKR praktisch unbekannt. Zudem führt die AKR auf der Widerstandsseite zu einer zunehmenden Entfestigung des Betongefüges, die gleichermaßen ausschlaggebend für die Rissbildung sein kann, jedoch nach jetzigem Kenntnisstand nicht quantifizierbar ist. Die eigentlichen Mechanismen der Rissbildung sind daher unbekannt. Dies schließt auch die Anwendung gezielter Gegenmaßnahmen aus.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die aufgezeigten Kenntnislücken zu schließen, d. h. die Beanspruchung infolge einer AKR im Schichtensystem Betonstraße unter den in der Praxis gegebenen komplexen Einwirkungen und Widerständen wirklichkeitsnah zu analysieren, das Schadensrisiko zuverlässig zu prognostizieren sowie Erkenntnisse hinsichtlich einer verbesserten konstruktiven Durchbildung des Schichtensystems zu gewinnen. Hierzu wird in der vorliegenden Arbeit zunächst ausführlich auf den Stand der Kenntnisse eingegangen. Anschließend werden die umfangreichen experimentellen Untersuchungen zur Ermittlung der zeitlichen Veränderung von Festigkeits- und Verformungseigenschaften zweier typischer Straßenbetone unter dem Einfluss einer schädigenden AKR vorgestellt. Sie belegen u. a. die zunehmende Entfestigung mit fortschreitender AKR. Die Ergebnisse dienen als Grundlage zur Herleitung von Materialgesetzen AKR-geschädigter Betone und zur Formulierung eines AKR Schädigungs-Zeit-Gesetzes. Parallel dazu erfolgt die Beschreibung der komplexen Beanspruchungen infolge Temperatur, Feuchte, Verkehr und AKR. Auf Grundlage der vorangegangenen Untersuchungen wird im Rahmen numerischer Untersuchungen das Spannungs- und Verformungsverhalten von Betonfahrbahndecken sowie die Rissbildung und -entwicklung infolge AKR eingehend analysiert, um abschließend Empfehlungen und Maßnahmen zur zukünftigen Schadensvermeidung bzw. Schadensreduktion herleiten zu können.

Concrete pavements are, apart from mechanical influence of traffic, especially subject to climatically conditioned and continuously changing thermal and hygric exposure as well as further stress due to constructional characteristics arising e.g. from the building technique of a concrete pavement.

As the case may be, this basic exposure meets an alkali-silica reaction (ASR), causing distinctive expansions. Although not inevitably, the thusly implied overall strain often leads to expanding broad cracks in carriageways. The proportion of ASR to this is practically unknown. ... mehrBesides, ASR leads to decreased resistance of the concrete, which may as well result in cracks. Nonetheless, this cannot be quantified at this moment. Therefore, the actual mechanisms of the formation of cracks are unknown. This also excludes the appliance of well-directed countermeasures.

The goal of this thesis was to fill the existing gaps in knowledge that is to analyse the actions due to ASR in the composite material concrete pavement under the complex exposure and resistance occurring in practice, to forecast the damage risk as well as gaining knowledge regarding an improved constructive design of the composite system. For this purpose, the present work first gives a detailed overview of the state of the art. Afterwards comprehensive experimental investigations will be presented to determine the temporal change of strength and deformation properties of two typical pavement concretes considering an increasing ASR-damage. The investigations demonstrate, among other things, the increasing softening with progressive ASR. The results are used to derivate material laws of ASR-damaged concrete and for the formulation of an ASR deterioration time law. At the same time, the complex loads caused by air temperature, moisture, traffic and ASR are described. On the basis of the preceding investigations the stress and deformation behaviour of concrete pavements as well as the crack formation and development as a result of ASR will be analysed in detail within the framework of numerical investigations in order to be able to derive recommendations and measures for future damage avoidance or damage reduction.