Ellen Rigo, Klaus Unterderweide

• Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Ursachen von Schadensfällen durch Treiberscheinungen in Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) aus RC-Baustoffen mit Betonabbruch. Diese können in Kontakt mit sulfathaltigen Wässern, Böden oder sulfathaltigen Bestandteilen im RC-Baustoff (z. B. Gips) unerwünschte Reaktionen eingehen. Dabei kann es zur Bildung von Ettringit oder Thaumasit kommen, die zu einer Volumenvergrößerung bzw. einer Entfestigung des Zementsteins führen und Straßenschäden verursachen können. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde eine ausführliche Literaturrecherche zu den Ursachen der Schäden und zu Schadensfällen von ToB unter Verwendung von RC-Baustoffen aus Betonabbruch durchgeführt. Die bekannten Schäden durch Treiberscheinungen in ToB traten in den meisten Fällen auf Geh- und Radwegen auf. Die Besonderheit dort ist, dass die überdeckende Asphaltschicht eine wesentlich geringere Schichtdicke aufweist als im Straßenbau. Somit kann die Asphaltschicht durch die bei den Treiberscheinungen entstehenden Expansionsdrucke leichter angehoben werden. Die Analyse der vorhandenen Untersuchungsberichte der Schäden ergab, dass nur in wenigen Fällen zweifelsfrei Treib-erscheinungen durch Ettringitbildung nachgewiesen wurden. In allen anderen Fällen ist mit den dort angewendeten Untersuchungsmethoden der Nachweis von Ettringit oder Thaumasit nicht möglich, da sich die Fragestellung nicht auf die Ursache der Treiberscheinungen durch Ettringit-/Thaumasitbildung, sondern auf die Konformität der eingesetzten Materialien zu den entsprechenden Normen und technischen Regelwerken (z.B. Frostbeständigkeit, Sulfatgehalt) bezog. Somit könnten wesentlich mehr Schäden durch Ettringit- oder Thaumasitbildung verursacht worden sein. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden mehrere Verfahren für die schnelle und quantitative Analyse von Sulfat und Gesamtschwefel in RC-Baustoffen aus Betonabbruch getestet. Mittels IR-Spektroskopie (ATR-Methode) lässt sich der Sulfatgehalt nur unzureichend quantifizieren. Die Nachweisgrenze liegt bei etwa 1,5 M.-%. Unerwünschte Bestandteile (z.B. Kunststoffe, Gips) können jedoch sehr schnell qualitativ nachgewiesen werden. Die Analyse mit einem Röntgenfluoreszenz-Handgerät und die Analyse mittels Verbrennung (Schwefelanalysator) eignen sich für die quantitative Analyse des Gesamtschwefelgehaltes an fein aufgemahlenen Materialien. Die Nachweisgrenze liegt bei < 0,5 M.-% Sulfat. Beide Verfahren können in Baustellencontainern bzw. die Röntgenfluoreszenz auch im Laborwagen eingesetzt werden. Weiterhin wurde ein Prüfverfahren in Anlehnung an DIN EN 1744-1 entwickelt, um die Volumenzunahme von RC-Baustoffen mit Betonabbruch in Kontakt mit extern zugeführten Sulfationen in Form von Gips zu messen. Bei RC-Betonen, die mit Normalzementen hergestellt wurden, wurde eine deutliche Volumenzunahme ab einem externen Gipsgehalt zwischen 0,9 M.-% - 1,8 M.-% (entspricht zwischen 0,5 M.-% und 1 M.-% externem Sulfat) nachgewiesen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass für dieses Verfahren kein Bewertungsmaßstab vorliegt, mit dem auf Treiberscheinungen in Tragschichten geschlossen werden kann. Mit Hilfe des Simulationsverfahrens Transreac, welches chemische Reaktionen und Transportprozesse in mineralisch gebundenen Materialien berechnet, wurden Worst-Case-Szenarien zur Abschätzung des Grenzwertes für Sulfat in RC-Baustoffen aus Betonabbruch berechnet. Die rechnerische Simulation ergab einen Grenzwert für den externen Gipsgehalt im RC-Beton von < 1 M.-% (entspricht < 0,55 M.-% Sulfat). Experiment und Simulation weisen darauf hin, dass es oberhalb eines externen Sulfatgehaltes von 0,5 M.-% zu Volumenvergrößerungen bzw. Schäden durch Ettringit-/Thaumasitbildung kommen kann. Dieses Ergebnis bestätigt den Grenzwert für säurelösliches Sulfat von RC-Baustoffen, der in den derzeit gültigen Regelwerken enthalten ist.
• The goal of this research project is the determination of damage events, caused by the expansion in base courses without binder material (ToB) by using recycled construction (RC) materials mainly made of concrete. These materials can react unwantedly when it comes in contact with sulfate-containing waters, soils or sulfate-containing components in RC construction materials (e.g., gypsum). This unwanted reaction can lead to the formation of Ettringite and/ or Thaumasite as a reaction product, which can cause an increase in volume or deterioration of the cement stone which causes serious damage in the pavement. At the beginning of this research project, a detailed literature research was performed on the construction damages, and the causes of the damage. The known damage caused by expansion in ToB occurred in most cases on pedestrian and bike paths. The special characeristic there is that the top asphalt layer has a much lower thickness than in road construction. Therefore, the asphalt layer can be raised more easily by the pressures generated by the expansion phenomena. The study of existing research projects of the damage revealed that in only a few cases the detected expansion phenomena were, with no doubt, due to Ettringite/Thaumasite formation. In all other cases, the detection methods used there do not allow the detection of Ettringite or Thaumasite. So, the question is not about the cause of the Ettringite, or Thaumasite formation, but about the compliance of the used materials to the corresponding standards and technical regulations (e.g., frost resistance, sulfate content). As a consequence, much more damage could have been caused by Ettringite or Thaumasite formation. A test method based on DIN EN 1744-1 was developed in order to measure the volume increase of RC building materials with concrete in contact with externally added sulfate ions in form of gypsum. For RC concretes produced with ordinary Portland cements, a significant increase in volume was observed from an external gypsum content of between 0.9 wt % and 1.8 wt % (corresponds to 0.5 wt % to 1.0 wt % external sulfate). It has to be pointed out that there is no standard of evaluation for this procedure to implify the conclusion that there are signs of expansions in base courses. Using the simulation method Transreac, which calculates chemical reactions and transport processes in mineral-building materials, worst-case scenarios for estimating the limit value for sulfate in RC building materials from concrete were calculated. The calculated simulation showed a limit value for the external gypsum content in the RC concrete of < 1 wt % (corresponds to <0.55 wt % sulfate). Experiment and simulation indicate that above an external added gypsum (< 1wt %), volume increase or damage due to Ettringite/Thaumasite formation can occur. This result confirms the limit for acid-soluble sulfate of RC building materials, contained in the currently valid technical standards. As part of this research project, several methods for a fast and quantitative analysis of sulfate and total sulfur in RC construction materials were tested. By use of IR spectroscopy (ATR method), the sulfate content could only be quantified inadequate. The detection limit is about 1.5 wt %. However, unwanted components (e.g., plastics, gypsum) can be detected qualitatively very quickly. A handheld X-ray fluorescence device and the combustion analysis (sulfur analyzer) are suitable for the quantitative analysis of the total sulfur content of finely ground materials. The detection limit is <0.5 wt % sulfate. Both methods can be used in construction site containers, respectively the X-ray fluorescence in the mobile laboratory trailer.