Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) reagieren alkaliempfindliche SiO₂ Bestandteile der Gesteinskörnung mit den Alkalihydroxiden (Kalium- und Natriumhydroxid) der Porenlösung im Beton zu einem Alkali-Kieselsäuregel, das bestrebt ist, Wasser aufzunehmen. Unter ungünstigen Umständen vergrößert sich dabei das Volumen des Alkali-Kieselsäuregels mit der Zeit so stark, dass lokal Quelldrücke auftreten, die das Betongefüge schädigen und äußerlich zu Netzrissbildung, Ausblühungen und Abplatzungen führen können. Fachleute sprechen dann von einer "schädigenden AKR", die in Medienberichten häufig als Betonkrebs bezeichnet wird. Eine AKR verläuft in vielen Betonen ohne eine Schädigung des Betons ab, so dass weder die Stand- bzw. Verkehrssicherheit gefährdet ist noch die Dauerhaftigkeit verringert wird.

Die Schadensbilder treten normalerweise erst nach einem Zeitraum von 5 bis 10 Jahren und mehr auf. Die Dauerhaftigkeit des Betons kann dadurch beeinträchtigt werden. Die Standsicherheit betroffener Bauteile ist jedoch in der Regel nicht gefährdet.

Voraussetzung für eine schädigende AKR im Beton ist:
- ausreichende Feuchtigkeit
- hoher wirksamer Alkaligehalt in der Porenlösung des Betons
- alkaliempfindliche Gesteinskörnung

In Deutschland regelt die "Alkali-Richtlinie" des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton e.V. (DAfStb) die Maßnahmen zur Vermeidung einer schädigenden AKR. Um Maßnahmen zur Vermeidung festlegen zu können, müssen die Umgebungsbedingungen des Betons in Form der Feuchtigkeitsklasse und die Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung in Form der Alkaliempfindlichkeitsklasse beschrieben werden. Hierzu ist jede Gesteinskörnung nach DIN EN 12620, die in Deutschland für Beton nach EN 206-1/DIN 1045-2 verwendet werden soll, in eine Alkaliempfindlichkeitsklasse einzustufen. Bei bestimmten Kombinationen aus Feuchtigkeitsklasse, Alkaliempfindlichkeitsklasse und ggf. Zementgehalt des Betons sind vorbeugende Maßnahmen anzuwenden. Die Alkali-Richtlinie gibt sowohl die Prüfmethoden und Kriterien zur Einstufung von Gesteinskörnungen in eine der Alkaliempfindlichkeitsklassen als auch die vorbeugenden betontechnologischen Maßnahmen an.

Eine schädigende AKR kann im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen vermieden werden:
- Austausch der alkaliempfindlichen Gesteinskörnung
- Reduzierung des Alkaligehaltes der Porenlösung des Betons

Letzteres kann durch die Verwendung spezieller Zemente mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt erreicht werden. In Deutschland sind diese Zemente, die auch als NA-Zemente bezeichnet werden, in der DIN 1164-10 genormt. Hierzu gehören Portlandzemente, Portlandhüttenzemente und Hochofenzemente. Prinzipiell ist auch die Verwendung von Puzzolanen als Hauptbestandteil von Zementen oder Betonzusatzstoff zu diesem Zweck geeignet. Regelungen hierzu wurden in Deutschland bisher noch nicht getroffen.

In vielen Fällen können auch alkaliempfindliche Gesteinskörnungen im Beton für Bauwerke des Hoch- und Ingenieurbaus ohne besondere Maßnahmen verwendet werden. Dies hängt von der Betonzusammensetzung (Zementgehalt) und den Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeitsklasse) ab.

Bei Betonfahrbahndecken nach ZTV Beton-StB der Bauklassen SV und I bis III (z. B. Autobahnen) werden auf Grund der hohen dynamischen Beanspruchung und der Alkalizufuhr von außen durch Streusalze die Anforderungen durch die TL Beton-StB 07 und durch Allgemeine Rundschreiben Straßenbau (ARS) des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS) festgelegt.

In den letzten Jahren wurden sogenannte AKR-Performance-Prüfverfahren entwickelt, mit denen untersucht wird, ob für eine bestimmte Betonzusammensetzung eine schädigende AKR ausgeschlossen werden kann. Der Vorteil besteht darin, dass die einzelnen Komponenten des Betons in ihrem Zusammenwirken beurteilt werden und nicht einzelne Bestandteile. Bei neuen Betonfahrbahndecken können AKR-Schäden heute sehr viel zielsicherer vermieden werden, in dem das AKR-Schädigungspotential von Betonzusammensetzungen vor dem Einbau in AKR-Performance-Prüfungen untersucht wird.