Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton. Betone mit verminderten Gehalten an energieintensiven Bindemitteln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of Finely Ground Blast Furnace Slag on the Properties of Fresh and Hardened UHPC. 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. 367–374, kassel university press, Kassel, 2008
Gerlicher, Tobias; Heinz, Detlef; Urbonas
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Einfluss des Hüttensandmehleinsatzes auf den Hydratationsverlauf von ultrahochfestem Beton. In: Stark, J. (Ed.): 17. Internationale Baustofftagung -Tagungsbericht. ibausil. Bauhaus Universität Weimar, September 23-26, 2009. 2 Bände, pp. 2-0593 - 2-0598, F.-A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar, 2009
Gerlicher, Tobias; Hilbig, H.; Heinz, Detlef
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Einfluss des Steinkohlenflugascheeinsatzes auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften von ultrahochfestem Beton. In: Stark, J. (Ed.): 17. Internationale Baustofftagung - Tagungsbericht. ibausil. Bauhaus Universität Weimar, September 23- 26, 2009. 2 Bände, pp. 1-1091 - 1-1098, F.-A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar, 2009
Gerlicher, Tobias; Leonhardt, Sandy; Urbonas, Liudvikas
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UHPC-Rezepturen mit minimiertem Zementklinkergehalt. In: Gehlen, C.; Heinz, D.; Schießl, P. (Ed.): DAfStb-Forschungskolloquium. Beiträge zum 50. Forschungskolloquium. Technische Universität München, 08./09. Oktober 2009, pp. 131–138, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e. V., Berlin, 2009
Gerlicher, Tobias; Heinz, Detlef; Urbonas, Liudvikas
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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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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. 75–84, 2010
Möser, Bernd; Pfeifer, Claudia; Heinz, Detlef; Gerlicher, Tobias; Mechtcherine, Viktor; Dudziak, Lukasz
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Effect of Silica Fume Replacement by Fine Fly Ash on the Properties of Fresh and Hardened UHPC. In: Palomo, A.; Zaragoza, A.; López Agüí, J. C. (Ed.): Cementing a sustainable future. Proc. of XIII ICCC International Congress on the Chemistry of Cement. Madrid, Spain, July 3-8, 2011, Instituto de Ciencias de la Construcción, Madrid, 2011
Gerlicher, Tobias; Hilbig, Harald; Urbonas, Liudvikas; Heinz, Detlef
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Formgebung und Wärmebehandlung von UHPC. In: BFT International 77 (10), pp. 48–49, 2011
Urbonas, Liudvikas; Heinz, Detlef; Gerlicher, Tobias
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UHPC mit alternativen Bindemitteln. In: cbm - Centrum Baustoffe und Materialprüfung (Ed.): 9. Münchener Baustoffseminar Ultra-Hochfester Beton (UHPC). Stoffliche Grundlagen, Bemessung und Praxiseinsatz. München, 14. April 2011, pp. 9–12, 2011
Heinz, Detlef; Urbonas, Liudvikas; Gerlicher, Tobias
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Effect of Heat Treatment Method on the Properties of UHPC. In: Schmidt, M. et al. (Ed.): Ultra-High Performance Concrete and Nanotechnology in Construction. Proc. of Hipermat 2012 - 3rd International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials. University of Kassel, March 07-09, 2012 (Structural Materials and Engineering Series, 19), pp. 283–290, kassel university press, Kassel, 2012
Heinz, Detlef; Urbonas, Liudvikas; Gerlicher, Tobias
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Ultra-High Performance Concrete Mixes with Reduced Portland Cement Content. In: Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering 3 (4), pp. 47–51, 2013
Heinz, Detlef; Gerlicher, Tobias; Liudvikas, Urbonas
