Zum Reaktionsmechanismus präkambrischer Grauwacken aus der Lausitz bei ihrer Verwendung als Gesteinskörnung im Beton

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Präkambrische Grauwacke aus der Lausitz, die als Gesteinskörnung im Beton verwendet wird, ist seit einigen Jahren als alkaliempfindliche Gesteinskörnung bekannt und kann z. T. beträchtliche Schäden im Beton verursachen, die einer Alkali-Zuschlag-Reaktion zuzuordnen sind. Im Unterschied z. B. zu Opalsandstein ist Grauwacke ein klastisches Sediment, das aus verschiedenen Mineralen aufgebaut ist (Quarz, Feldspat, Glimmer, Chlorit) und demzufolge nicht nur aus SiO , sondern auch aus Al O , K O, MgO und Fe O besteht. Ein erster Hauptpunkt der Arbeit umfasst demnach die chemisch/mineralogische Charakterisierung des für die Untersuchungen verwendeten Gesteins. Die hoch alkalische Lösung kommt über Diffusionsvorgänge entlang von Mikrorissen und Phasengrenzen mit diesen verschiedensten Mineralen der Grauwacke in Kontakt. Im Ergebnis der Löseversuche an den Gesamtproben werden nicht nur Kieselsäure, sondern auch Aluminium, Kalium, manchmal auch Eisen und Magnesium freigesetzt. Es handelt sich demzufolge um einen Summeneffekt aller Minerale der Grauwacken. Zur Untersuchung der mineralspezifischen Löseraten wurde das Gesamtgestein durch Magnetscheidung in separate Fraktionen geteilt und mittels ICP-OES und Al-NMR- Spektroskopie analysiert. Der direkte sichtbare Nachweis des Auflösungsprozesses von Grauwackebestandteilen gelang erstmals durch Untersuchungen unter dem TEM. Die Arbeit zeigt, dass es silizium- und aluminiumliefernde Bestandteile bei den Grauwacken gibt. Siliziumliefernde Bestandteile sind sehr kleine Biotit- und Muskovitkristalle und Quarz, aluminiumliefernd sind ebenfalls Biotite und Muskovite und eine neu entdeckte nanokristalline Phase, die als ¿ - Al O unter dem TEM identifiziert werden konnte. Diese Phase ist ein Relikt der Grauwackebildung vor ca. 600 Mio. Jahren und belegt (aufgrund der Bildungstemperatur von ca. 400... 450 °C), dass damals vorgelegenes amorphes SiO in der Zwischenzeit rekristallisiert sein muss und damit amorphe Kieselsäure in den präkambrischen Grauwacken der Lausitz definitiv nicht enthalten sein kann. Zwischen alkaliempfindlichen und -unempfindlichen Grauwackegesteinen gibt es oftmals keinen Unterschied in der Menge an gelöster Kieselsäure. Zur Erklärung dessen wird das Aluminium, das ebenfalls aus der Grauwacke freigesetzt wird, bzw. die Wechselwirkung des Aluminiums mit der Kieselsäure im hochalkalischen Milieu, berücksichtigt. Und dies ist der entscheidende neue Aspekt der Arbeit für den Ablauf einer Alkali-Zuschlag-Reaktion an polymineralischen Gesteinen. In der Arbeit werden 3 prinzipielle Mechanismen der Steuerung der Kieselsäurefreisetzung durch in Lösung anwesendes Aluminium aufgezeigt: a) Adsorptionsvorgänge von Aluminium auf Kieselsäureoberflächen (Quarz, Glimmer), b) Alumosilikatbildungen ebenfalls auf Kieselsäureoberflächen und in der Lösung, c) und später eine Zeolithfällung. Im Ergebnis dieser Mechanismen kommt es zu einer Reduzierung der Kieselsäurekonzentrationen in der Lösung. Die darüber hinaus vorliegende Kieselsäure wird als "freie" bzw. "überschüssige" Kieselsäure bezeichnet und erst diese führt zur Schädigung von Betonen. Da die Reduzierung der Kieselsäure bei manchen Gesteinen durch das aus diesem Gestein selbst freigesetzte Aluminium geschieht, wird der Begriff der "Selbstinhibierung" eingeführt und für die Grauwackereaktion geprägt. Die Arbeit zeigt weiterhin als wichtige praktische Anwendung, dass es nunmehr eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dieser "freien" Kieselsäure und der gemessenen Betondehnung an Balken nach Alkalirichtlinie gibt, woraus ein direktes chemisches Prüfverfahren für Grauwacken, welches in sehr kurzer Zeit sichere Ergebnisse liefert, abgeleitet wird. Direkte mineralogische Kriterien zur Alkaliempfindlichkeitsbeurteilung werden ebenfalls diskutiert. Auch wird der aufgeklärte Reaktionsmechanismus nunmehr als Grundlage genutzt, wissenschaftlich basierende Vorschläge für eine Vermeidung der Reaktion z. B. durch Zugabe hochaluminiumhaltiger Stäube, zu geben.