Dauerhaftigkeitsaspekte von Ultra-Hochfestem Beton
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchungen der isothermen Wärmeleitungskalorimetrie an Bindemittel-Fließmittel Systemen zeigen, dass die zur Verflüssigung von UHPC notwendigen hohen Fließmitteldosierungen zu einer starken Verzögerung der Hydratation führen. Diese zeitliche Verzögerung kann durch Zugabe von silikatischen Feinstoffen nur geringfügig reduziert werden. Die rasterelektronenmikroskopischen Gefügeuntersuchungen belegen ebenfalls eine Verzögerung des Hydratationsprozesses. Das Auftreten festigkeitsbildender C-S-H Phasen erfolgt erst nach 15 Stunden oder später (28 Stunden Mischung H75-1). Bei der normalen Zementhydratation beginnt der Wachstumsprozess von C-S-H Phasen dagegen schon ab ca. 3 Stunden. Mit fortschreitender Hydratation wird eine deutliche Gefügeverdichtung sichtbar, die sich bis zur Ausbildung eines extrem dichten nahezu kapillarporenfreien Bindemittelgefüges fortsetzt. Durch die vollständige Auflösung der Alitklinkerkörner mit einer Größe von bis zu 2 µm entstehen während der frühen Hydratation Hohlräume in der Bindemittelmatrix, die auch im weiteren Hydratationsprozess nicht mehr durch Hydratneubildungen bzw. Kristallwachstum geschlossen werden. Aufgrund der sehr dichten Kornpackung kommt es im UHPC zu einer extrem starken Verzahnung und Rekristallisation der C-S-H Phasen. Dies führt dazu, dass sich das Gefüge elektronenmikroskopisch nur durch eine Kontrastoptimierung bei niedrigen Anregungsenergien und hoher Auflösung noch detailliert darstellen lässt. Die Wärmebehandlung führt im Vergleich zur Wasserlagerung im frühen Hydratationsstadium zu einer deutlich dichteren Bindemittelmatrix. Trotz Wärmebehandlung erfolgt jedoch keine vollständige Umwandlung des Calciumhydroxids mit Silikastaub zu C-S-H Phasen. Auch nach einer Hydratationszeit von einem Jahr sind im Gefüge 15-20 µm große Portlanditaggregate und nicht vollständig umgesetzter Silikastaub zu sehen. Mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie konnte die puzzolanische Reaktion von Silikastaub im UHPC deutlich sichtbar gemacht werden. Diese Untersuchungen belegen, dass die puzzolanische Reaktion durch eine Wärmebehandlung im Vergleich zur Wasserlagerung stark beschleunigt wird. Entsprechende Abbildungen zeigen vor allem an bis zu 90°C wärmebehandelten Proben Anlösungsstrukturen der Silikastaubpartikeln als auch die entsprechenden Reaktionsprodukte. Dies wird auch durch ein angewandtes analytisches Lösungsverfahren bestätigt. Eine Wärmebehandlung führt danach nach 7 Tagen Hydratationszeit zu einem Silikastaubumsatz von ca. 38 M.-% bezogen auf die Silikastaubeinwaage. Somit führt auch eine Wärmebehandlung zu keiner vollständigen Umwandlung des Calciumhy-droxids mit Silikastaub zu Calciumsilicathy-dratphasen. Dies wird im Gefüge durch ca. 15 -20 µm große Portlanditaggregate, in die häufig Silikastaubkugeln eingeschlossen sind, belegt. Für die latent hydraulische Reaktion im UHPC kann festgehalten werden, dass bei sehr geringen w/z-Verhältnissen (w/z = 0,22) und unter dem hohen Austausch von Portlandzement durch Hüttensand eine Wärmebehandlung die latent hydraulische Reaktion nicht beschleunigt. Elektronenmikroskopische Abbildungen zeigen einen fast vollständigen Umsatz der Porlandzementkomponente. Dagegen verbleiben sehr große Mengen an unreagierten Hüttensandpartikeln in der Matrix. In hüttensandhaltigen Mischungen konnten AFm-Phasen (hauptsächlich „hydroxy-AFm“) nachgewiesen werden. Die Dauerhaftigkeitsuntersuchungen in der Klimasimulationskammer lassen erkennen, dass alle untersuchten ultra-hochfesten Betone nach zwei Jahren Lagerung (757 Tage) keine als schädigend einzustufenden Dehnungswerte von 0,4 mm/m aufweisen. Dies trifft auch auf die vorgeschädigten Probekörper mit vorausgegangener Wärmebehandlung zu, an denen eine sekundäre Ettringitbildung in den Mikrorissen mit einer Rissweite unterhalb 10 µm nachgewiesen wurde. Mit dem für die Dauerhaftigkeitsuntersuchungen angewandten Klimasimulationsprogrammem kann somit bis zu einem Alter von 757 Tagen an Proben mit nachgewiesener sekundären Ettringitbildung und AKR kein negativer Einfluss auf die Dauerhaftigkeit festgestellt werden. Durch eine unzureichende Homogenisierung des Silikastaubs, der nicht als Slurry sondern als Trockenkomponente dem UHPC zugegeben werden muss, kommt es sowohl bei wärme- als auch wassergelagerten Proben zur Ausbildung einer AKR, die aber aufgrund ihres in einer nahezu Kapillarporen freien Matrix „eingefrorenen“ Zustands keine Auswirkung auf die Dauerhaftigkeit hat. Die Lagerung in Klimawechsellagerung wurden am UHPC M2Q auf knapp vier Jahre (1422 Tage) ausgedehnt, da seit Beginn der Lagerung in KWL ein kontinuierlicher Anstieg der Längenänderung beobachtet wurde. Nach knapp vierjähriger Lagerung wurde eine Dehnung von ca. 0,75 mm/m gemessen. Mittels Elektronenmikroskopie wurde in wassergelagerten vorgeschädigten Probekörpern der Mischung M2Q eine Korrosion von Stahlfasern in der Umgebung von Mikrorissen beobachtet, mit vergleichbaren Gefügeveränderungen, wie sie bereits an UHPC B4Q beschrieben wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hydratation und Gefügeentwicklung von Ultrahochfestem Beton. In: Trettin, R. (Ed.): Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie. Siegen, 27./28. September 2007. 1. Aufl (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh-Monographie, Bd. 37), pp. 47–54, 2007
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Stark, Jochen
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Durability and Microstructural Development during Hydration in Ultra-High Performance Concrete. In: Alexander, M. G. et al. (Ed.): Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting II. Proc. of the 2nd International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting, ICCRRR-2. Cape Town, South Africa, November, 24-26, 2008, CRC Press, London, 2008
Möser, Bernd; Pfeifer, Claudia; Stark, Jochen
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Microstructure and Durability of Ultra-High Performance Concrete. In: Fehling, E.; Schmidt, M.; Stürwald, S. (Ed.): Ultra High Performance Concrete (UHPC). Proc. of 2nd International Symposium on Ultra High Performance Concrete. University of Kassel, Germany, March 5-7, 2008 (Structural Materials and Engineering Series, 10), pp. 417–424, kassel university press, Kassel, 2008
Möser, Bernd; Pfeifer, Claudia
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Durability of Ultra-High-Performance Concrete. In: Gupta, P. R.; Holland, T. C.; Malhotra, V. M. (Ed.): Proc. of the 10th ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology and Sustainability Issues. Seville, Spain, October, 2009 (ACI Symposium Publications, 261), pp. 1–16, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2009
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Giebson, Colin; Stark, Jochen
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Hydratation, Phasen- und Gefügeentwicklung von Ultrahochfestem Beton. In: Stark, J. (Ed.): 17. Internationale Baustofftagung -Tagungsbericht, Bd. 1. ibausil. Bauhaus Universität Weimar, September 23-26, 2009. 2 Bände, pp. 1-1065 - 1-1072, F.-A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar, 2009
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Stark, Jochen
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Durability of Ultra-High Performance Concrete. In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D.C., 2010, proceedings disk ID135
Müller, Christoph; Palecki, Susanne; Möser, Bernd; Franke, Lutz
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Effect of Composite and Curing on Microstructure of UHPC. In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D.C., 2010, proceedings disk ID130
Möser, Bernd; Pfeifer, Claudia; Heinz, Detlef; Gerlicher, Tobias; Mechtcherine, Viktor; Dudziak, Lukasz
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Hydration, phase- and microstructure development of ultra-high performance concrete Hydratation, Phasen- und Gefügeentwicklung von Ultrahochfestem Beton. In: ZKG International - Zement Kalk Gips 63 (10), pp. 71–79, 2010
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Stark, Jochen
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Investigations of the Pozzolanic Reaction of Silica Fume in Ultra High Performance Concrete. In: Brahmeshuber, W. (Ed.): International RILEM Conference on Material Science - AdIPoC - Additions Improving Properties of Concrete - Theme 3. Aachen, September 6-8, 2010 (RILEM proceedings, pro077), pp. 287–298, 2010
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Weber, Christoph; Stark, Jochen
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Investigations on the workability and microstructure development of UHPC - part 2: Influence of admixtures and curing on the microstructure of ultra-high strength concretes (Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit und Gefügeentwicklung von UHPC - Teil 2: Einfluss von Zusatzstoffen und Nachbehandlung auf die Gefügestruktur ultrahochfester Betone). In: Cement International 8 (6), pp. 74–84, 2010
Möser, Bernd; Pfeifer, Claudia; Heinz, Detlef; Gerlicher, Tobias; Mechtcherine, Viktor; Dudziak, Lukasz
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Microstructural Development during Hydration in Ultra- High Performance Concrete. In: cement-wapno-beton (3), pp. 123–131, 2010
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Stark, Jochen
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Pozzolanic Reaction of Silica Fume in Ultra-High Performance Concrete. In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D.C., 2010, proceedings disk ID153
Pfeifer, Claudia; Möser, Bernd; Weber, Christoph; Stark, Jochen
