Schwinden von klinkerarmen Betonen aus Zementen mit hohem Kalksteingehalt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vorhersagemodelle zum mechanischen Verhalten von klinkerreduzierten Zementen mit hohen Gehalten an Kalksteinmehl bzw. Betonen aus diesen Zementen können die Entwicklung umweltfreundlicher Betone unterstützen. Durch die Substitution von dem im Zement enthaltenen Portlandzementklinker durch Kalksteinmehl wird auch der Anteil an Hydratationsprodukten (wie Calcium-Silikat-Hydrat CSH) verringert, die maßgeblich für das Schwindverhalten von Zementstein und Beton verantwortlich sind. Daneben spielt die mineralogische Zusammensetzung des Kalksteinmehls eine entscheidende Rolle bei der Vorhersage des Schwindverhaltens von Zementsteinen und Betonen mit hohen Anteilen an Kalksteinmehl. Hinsichtlich der Nutzung kalksteinmehlreicher Zemente lassen sich jedoch auf Basis des durchgeführten Forschungsprojektes die gestellten Fragestellungen beantworten. Zentrales Ziel war hierbei die Erarbeitung von Grundlagen zum Schwindverhalten von Zementsteinen und Betonen mit hohen Anteilen an Kalksteinmehl sowie die Validierung eines thermodynamischen Modells zur Abschätzung des Trocknungsschwindens. Dabei wurden maßgebende Einflussgrößen (wie z.B. der Methylenblau-Wert, die mineralogische Zusammensetzung und die spezifische Oberfläche) durch umfangreiche Versuchsserien von kalksteinmehlreichen Zementen identifiziert sowie deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Zementsteine und deren Porenstruktur und Diffusionsverhalten quantifiziert. Dabei konnte festgestellt werden, dass bei gleichem Wasser-Basiszement-Wert die Zementsteine und Betone mit kalksteinmehlreichen Zementen im Vergleich zum reinen Portlandzement höhere Druckfestigkeiten und eine geringere Porosität aufweisen. Die Mineralogie spielt im Zusammenhang mit der Druckfestigkeit keine Rolle. Generell war bei den Zementsteinen und Betonen das Trocknungsschwinden der maßgebliche Schwindtyp. In Bezug auf das Schwindverhalten wurden der Methylenblau-Wert und der Alkalioxidgehalt aufgrund der Beeinflussung auf die Hauptschwindursachen Kapillardruck und Spaltdruck als wichtigste Einflussparameter identifiziert. Bei einem sehr hohen Methylenblau-Wert und Alkalioxidgehalt des verwendeten Kalksteinmehls war der Messwert des Trocknungsschwindens am größten. Im Allgemeinen weisen Zementsteine und Betone bei gleicher Druckfestigkeit ein geringeres Trocknungsschwinden auf. Auf Basis der Versuche wurde ein thermodynamisches Modell das Trocknungsschwindverhalten des Zementsteins aus kalksteinmehlreichen Zementen, unterteilt in Spaltdruck und Kapillardruck, auf Basis der Leimzusammensetzung und der Eigenschaften der Ausgangsstoffe entwickelt. Durch Analyse des Einflusses der Gesteinskörnung konnte dieses Modell in angepasster Form auf Beton übertragen werden. Hierbei zeigte sich, dass die Kontaktzone (ITZ) zwischen Zementstein und Gesteinskorn durch die Verwendung von kalksteinmehlreichen Zementen im Vergleich zum reinen Portlandzement kaum verändert wurde. Basierend auf den thermodynamischen Modellierungen und den umfangreichen Versuchsreihen konnte abschließend ein konsistentes analytisches Vorhersagemodell zur Beschreibung des Trocknungsschwindens und des autogenen Schwindens von Beton und ein darauf basierender praxisorientierter Ansatz entwickelt werden. Weiterführend ist zu untersuchen, wie sich ternäre Systeme aus Zementklinker, Kalksteinmehl und weiteren reaktiven Zementklinkerersatzstoffen auf das Schwindverhalten von Betonen auswirken. Hierbei ist besonders auf neue Zementklinkerersatzstoffe, z.B. calcinierte Tone einzugehen, da herkömmliche Zementklinkerersatzstoffe langfristig nicht in ausreichender Menge verfügbar sein werden. Bei calcinierten Tonen ist ebenfalls die Mineralogie der Ausgangsstoffe als auch des Zementklinkerersatzstoffs in calcinierter Form eine wichtige Eingangsgröße. Außerdem spielt die puzzolanische Reaktivität der calcinierten Tone eine große Rolle bei der Vorhersage des Schwindverhaltens von Betonen, die damit hergestellt wurden. Dies ist, basierend auf diesem Forschungsvorhaben, zukünftig zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Shrinkage of Mortar Samples Made of Limestone-Rich Cements. CONCREEP 10 (2015, 9, 17), 1476-1484. American Geophysical Union (AGU).
Rezvani, Moien; Proske, Tilo & Graubner, Carl-Alexander
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Schwindverhalten von Beton aus kalksteinreichen Zementen. Beton- und Stahlbetonbau, 114(1), 53-63.
Rezvani, Moien; Proske, Tilo; Herget, Christian & Graubner, Carl‐Alexander
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Modelling the drying shrinkage of concrete made with limestone-rich cements. Cement and Concrete Research, 115, 160-175.
Rezvani, Moien; Proske, Tilo & Graubner, Carl-Alexander
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Betone aus Multikompositzementen mit Kalkstein und calciniertem Ton. Beton- und Stahlbetonbau, 116(4), 286-295.
Herget, Christian; Proske, Tilo & Graubner, Carl‐Alexander
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Kalksteinmehl als Betonzusatzstoff – Vorschlag für die Anrechenbarkeit auf den Zementgehalt und Potenzial zur CO2‐Reduktion im Betonbau. Beton- und Stahlbetonbau, 117(2), 109-118.
Herget, Christian; Müller, Anna; Proske, Tilo; Rezvani, Moien & Graubner, Carl‐Alexander
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Hygric deformation of hardened cement paste with limestone-rich cements under cyclic ad- and desorption. Construction and Building Materials, 340, 127508.
Herget, Christian; Rezvani, Moien; Louisa, Müller Anna & Proske, Tilo
