Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton. Betone mit verminderten Gehalten an energieintensiven Bindemitteln
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben verfolgte das Ziel den hohen Anteil der energieintensiv hergestellten Komponente Portlandzementklinker im ultrahochfesten Beton zu reduzieren. Dabei sollte die Verarbeitbarkeit des Frischbetons und das hohe Niveau der 28d - Festigkeiten des Festbetons von über 200 N/mm² nach einer Wärmebehandlung aufrechterhalten werden. Grundlage für die Entwicklung optimierter Rezepturen war die Charakterisierung des Hydratationsverlaufes der Ausgangsmischung, die der UHPC-Referenzmischung M2Q des Schwerpunktprogrammes entspricht. Es wurde festgestellt, dass sich das Quarzmehl auch bei der 90°C Wärmebehandlung nicht signifikant an den Hydratationsreaktionen beteiligt. Auch konnte nachgewiesen werden, dass trotz der ausreichenden Verfügbarkeit von unreagiertem Mikrosilika in den wärmebehandelten Proben noch Portlandit vorliegt. Mikrosilika lag nach 28 Tagen bei wärmebehandelten noch zu 34 % und bei nicht wärmebehandelten Proben zu 72 % unreagiert vor. Es kommt nicht nur während der Wärmebehandlung, sondern auch danach noch bis zum Alter von sieben Tagen, zu weiteren Neubildungen an Hydratphasen. Nach 28 Tagen liegen immer noch ca. 70 % der Silikatphasen des Klinkers unreagiert im ultra-hochfesten Beton vor. Ein Schwerpunkt war der Austausch eines Teils des Zementgehaltes durch Hüttensandmehl (HSM). Es konnte gezeigt werden, dass der Zementaustausch durch Hüttensandmehl den Wasser- und Fließmittelanspruch der Mischungen verringert. Bei der Anwendung verschiedener Fließmittel wurde festgestellt, dass Fließmitteldosierung und –typ einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung haben. So konnten bei geeigneter Stoffauswahl mit nur noch 25 % Zement und 75 % HSM nach der Wärmebehandlung Festigkeiten von über 200 N/mm² erzielt werden. Die Erhöhung der Feinheit des eingesetzten HSM führte zu einer Festigkeitssteigerung gegenüber den Mischungen mit HSM zementähnlicher Feinheit. Bei der Untersuchung des Hydratationsverlaufes von Betonen mit Hüttensandmehl stellte sich heraus, dass, mit abnehmendem Zementgehalt und damit zunehmendem w/z-Wert, der Hydratationsgrad des Zements steigt. Auf Grund des geringeren Portlanditgehalts aus der Zementhydratation nimmt der Hydratationsgrad des Silikastaubs deutlich ab. Durch die Wärmebehandlung kam die Reaktion des Hüttensandmehles (HSM) vorzeitig zum Stillstand. In einer weiteren Versuchsreihe wurden UHPC-Rezepturen mit Flugasche als Bindemittelkomponente untersucht. Es wurde festgestellt, dass auch der Zementaustausch durch Flugasche den Wasser- und Fließmittelanspruch der Mischungen verringert. Es konnten bei geeigneter Stoffauswahl mit nur noch 65 % Zement und 35 % Flugasche nach der Wärmebehandlung Festigkeiten von über 220 N/mm² im Alter von 28 Tagen erzielt werden. Die Erhöhung der Feinheit der eingesetzten Flugasche führte zu einer Festigkeitssteigerung. Der Austausch des Silikastaubs durch gesichtete Flugasche führte zu einer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit. Das Festigkeitsniveau der Referenzmischung konnte durch eine maximale Austauschrate von 50 % bei Wärmebehandlung erreicht werden. Selbst im silikastaubfreien Beton werden Festigkeiten über 200 N/mm² erreicht. Untersuchungen zum Hydratationsverlauf dieser Mischungen zeigten, dass mit zunehmendem Silikastaubaustausch durch Flugasche in der Mischung mehr Portlandit viel früher im Beton enthalten war und bei der Wärmebehandlung mehr Zement reagierte. Die Untersuchungen zur Optimierung der Wärmebehandlungsregime haben gezeigt, dass der Ablauf einer optimalen Wärmebehandlung von der jeweiligen UHPC-Zusammensetzung abhängig ist. Bei der Verwendung der portlandzementreichen Betonrezeptur M2Q sind sehr hohe Festigkeiten von > 200 N/mm² nach 30 h auch durch eine verkürzte Vorlagerung (8 h) und eine verkürzte Wärmebehandlung (8 h bei 90°C) erreichbar. Durch eine 8 h-Behandlung bei 150°C im Autoklav ist eine Erhöhung der 28d - Festigkeit auf bis zu 260 N/mm² möglich. Die im Rahmen dieser Untersuchungen konzipierten flugaschehaltigen Betone M2F erreichten ihre höchsten Festigkeiten von 230 N/mm² nach der Autoklavbehandlung. Die Festigkeiten dieser Betone direkt nach dem verkürzten Wärmebehandlungsregime sind zwar mit 160 N/mm² relativ gering, steigen aber aufgrund der Nacherhärtung bei weiterer Lagerung bis zu 28 d auf bis zu 190 N/mm². Die hüttensandreichste Rezeptur H75 braucht für die höheren Festigkeiten eine längere Vorlagerungszeit von 3 d oder eine längere Dauer der Wärmebehandlung von 48 h bei 90°C. Die Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur von 90 auf 250°C (an der Luft) führte trotz des Feuchtigkeitsverlustes bei sämtlichen Mischungen zu einer ca. 8 %igen Festigkeitssteigerung der Betone direkt nach der Behandlung. Das durch die unterschiedlichen Reaktionsgrade inhomogen über den Probendurchschnitt ausgebildete Gefüge verursachte bei der Wasseraufnahme und der Nachhydratation Spannungen im Gefüge und damit eine Festigkeitsminderung der Betonproben sämtlicher Rezepturen während der Lagerung im Wasser, bzw. im Normklima bis zum Alter von 28 d. Das Festigkeitsniveau nach der 8 h Wärmebehandlung bei 150°C in Luft war niedriger als nach der Behandlung bei 250°C, bzw. 24 h Behandlung bei 90°C im Wasser. Auch nach der Wärmebehandlung in Luft bei 150°C nahmen die Festigkeiten während der nachfolgenden Lagerung im Klima 20°C / 65 % rel.F. ab. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei der Herstellung von ultra-hochfesten Betonen durch Einsatz von Hüttensandmehl und Flugasche der Anteil an der energieintensiv hergestellten Komponente Portlandzementklinker deutlich verringert werden kann. Weitere Energieersparnis bietet eine auf die jeweilige UHPC- Zusammensetzung bezogene Optimierung der Wärmebehandlung.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.5755/j01.sace.3.4.4569)
