Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (kurz AKR) oder auch nur Alkalireaktion oder Alkalitreiben, umgangssprachlich auch Betonkrebs, ist die Bezeichnung für die chemische Reaktion zwischen Alkalien des Zementsteins im Beton und Betonzuschlägen mit alkalilöslicher Kieselsäure. Die Bezeichnung Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) fasst ähnliche Prozesse zusammen, von denen die AKR die wichtigste ist. Es entstehen aus Löschkalk Ca(OH)₂ und Quarz SiO₂ durch Kristallbildung u.a. Wollastonit und andere Calciumsilikate, z.B. Ca(OH)₂ • SiO₂.

Ursache und Folgen

In der Literatur gibt es unterschiedliche Überlegungen zum Reaktionsverlauf.^[1] Ausgangspunkt ist die Alkalität von reinem Zement, die durch das Calciumhydroxid bestimmt ist. Es fällt bei ph-Werten über 12.6 aus. Siliziumdioxid in Form von Quarz wird erst ab einem pH-Wert von 13 merklich gelöst. Beimengungen von Natrium oder Kalium steigern die Alkalität über diesen Wert hinaus. Die einsetzende puzzolanische Reaktion ist normalerweise gewollt, da sie das unerwünschte Calciumhydroxid abbaut. Da sie über Jahre hinweg abläuft, und Schäden teilweise auch erst nach Jahren auftreten, ist sie wahrscheinlich mitverantwortlich für die Schädigung von Beton durch AKR. Je nach Reaktionsbedingungen und Theorie kann das entstehende CSH eine Diffusionsbarriere aufbauen, die den Zutritt von Alkaliatomen zu silizumreichen Phasen begünstigt. Dort bildet sich dann ein quellfähiges Alkali-Kieselsäuregel oder auch ein quellfähiges CSH-Gel, das durch Volumenvergrößerung den Beton von innen aufbricht.

Alkaliempfindliche Gesteine

Als alkaliempfindlich gelten Gesteine, die amorphe oder feinkristalline Silikate enthalten, wie z. B. Opalsandstein und poröser Flint. Insbesondere die in Norddeutschland in größeren Mengen vorkommenden Opalsandsteine sowie die Grauwackevorkommen in der Lausitz können schädliche Mengen an alkalilöslicher Kieselsäure enthalten. Durch Verwendung von Zementen mit niedrig wirksamen Alkaligehalt (Zement-Kennbuchstaben: NA) und durch Begrenzung des Zementgehaltes im Beton, kann bei Verwendung von Betonzuschlägen mit alkaliempfindlichen Bestandteilen die Alkalireaktion meist vermieden werden. Weitergehende Angaben dazu sind in einer Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton zu finden.

Betroffene Bauwerke

Aufgrund von Schäden aus Alkalireaktion musste unter anderem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke in Lübeck zwei Jahre später wieder abgerissen werden.

Mitte der 1970er Jahre begann man bei der Deutschen Reichsbahn im Gleisbau Ostseekies für Spannbetonschwellen beizumischen, wodurch der Beton sehr schnell kristallisierte und zunächst ungewöhnliche Festigkeit erhielt. Unter ständiger Belastung setzte sich die Kristallisation bis zur Zerstörung des Betons fort. Betroffen waren mehrere tausend Kilometer Bahnstrecke, was vor allem auf den stark ausgelasteten Hauptstrecken enorme Auswirkungen auf den Zugbetrieb hatte. Es dauerte Jahrzehnte (etwa bis 1992), bis die Deutsche Reichsbahn alle betroffenen Kilometer Oberbau erneuern konnte. Eine vergleichbare Reaktion wurde 2007 im Beton der verbauten Schwellen der Schnellfahrstrecke Berlin – Hamburg festgestellt. Die Sanierung begann 2009, unzählige Fernzüge müssen hierfür weiträumig umgeleitet werden.

Im Mai 2009 meldete das Bundesverkehrsministerium, dass etwa 320 Kilometer Betonfahrbahn des deutschen Autobahnnetzes betroffen sind.^[2] Davon z.B. alleine in Hessen 79 Kilometer der stark frequentierten A5, in Sachsen bzw. Sachsen-Anhalt ist die A14 betroffen.^[3]Außerdem stark in Mitleidenschaft gezogen ist auch die A9 (München – Berlin), die bis 2006 für 2,9 Milliarden Euro erneuert wurde und nun schon wieder sanierungsbedürftig ist.^[4] Zwar behauptet ein Mitarbeiter des Instituts für Baustoffforschung in Duisburg, dass durch „Betonkrebs“ entstandene Schäden auf Grund einer Art von Inkubationszeit erst fünf bis zehn Jahre nach Fertigstellung der Autobahnen in Erscheinung träten. Diese Auffassung widerlegte jedoch bereits im Jahre 1992 der promovierte Geologe und Mineraloge Gerhard Hempel aus Weimar, der vom Bundesverkehrsministerium allerdings erst angehört wurde, als 1996 eine gerade fertig gestellte Brücke der A14 bei Könnern teilweise wieder abgerissen werden musste.^[5]

Außerdem sind Gebäude deutscher Bundesministerien betroffen, im Auswärtigen Amt fiel auf einer 120 Quadratmeter großen Fläche der Putz von der Decke, im Paul-Löbe-Haus, einem Parlamentsgebäude im Berliner Regierungsviertel muss die Fassade neu ausgerichtet werden. Auch als Ursache für den Einsturz der falsch berechneten Eissporthalle von Bad Reichenhall in Oberbayern, der 15 Menschen zum Opfer fielen, wird als Folge unzureichender Abdichtung „Betonkrebs“ vermutet.^[6]

Quellen und Anmerkungen

1. ↑ Literaturübersicht in Christian Öttl: Die schädigende Alkalireaktion von gebrochener Oberrhein-Gesteinskörnung im Beton (2004)
2. ↑ Dietmar Seher u. Tobias Bolsmann: "Betonkrebs" zerfrisst Autobahnen. Westdeutsche Allgemeine Zeitung, abgerufen am 14. Mai 2010. 
3. ↑ Nicole Preuß: Betonkrebs frisst sich weiter durch Sachsens Autobahnen. Sächsische Zeitung, abgerufen am 7. April 2010. 
4. ↑ Steffen Winter: Blühende Autobahnen. Spiegel Online, abgerufen am 13. Mai 2010. 
5. ↑ Winfried Borchert: Forscher: Betonkrebs an der A14 war vermeidbar. Mitteldeutsche Zeitung, abgerufen am 13. Mai 2010. 
6. ↑ Sven Frohwein, Dietmar Seher: Betonkrebs: Im Auswärtigen Amt bröckelte die Decke. Westdeutsche Allgemeine Zeitung, abgerufen am 14. Mai 2010. 

Literatur

• Zuschlagverhalten im Beton - Alkali-Kieselsäure-Reaktion.- Geowiss. Mitt. von Thüringen 2000, Beiheft 9, S. 153-181

Weblinks

• Antwort der Bundesregierung auf die Kleine Anfrage der Abgeordneten Peter Hettlich, Winfried Hermann, Dr. Anton Hofreiter, weiterer Abgeordneter und der Fraktion BÜNDNIS 90/ DIE GRÜNEN – Drucksache 16/12024 – Zerstörung des Fahrbahnbelages durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (PDF-Datei; 79 kB)

• Homepage zum Alkalitreiben