Study of the degree of hydration of reactive powder concrete at early ages with solid state NMR-spectroscopy.
Final Report Abstract
Die praktische Anwendung von Hochleistungs-Feinkorn-Betonen (HLF-Betone) wird durch das Problem des chemischen Schwindens und die damit verbundene Neigung zur Rissbildung stark eingeschränkt. Die Lösung dieses Problems liegt in der Optimierung des Hydratationsverlaufes. Die hierzu nötige Ermittlung des Hydratationsgrades von HLF-Betonen − vor allem bis zum Alter von drei Tagen − ist jedoch ein bislang nur unzureichend gelöstes Problem. In diesem Projekt wurde erstmals an Betonen bzw. entsprechenden Modellmischungen, die aus mehreren verschiedenen Betonzusatzstoffen bestanden, der zeitliche Verlauf der Hydratation mit NMR verfolgt. Die Festkörper-NMR-Spektroskopie ist zurzeit die einzige Messmethode, die es erlaubt, die Mengen der verschiedenen silikatischen Phasen eines solchen Gemisches zu bestimmen, unabhängig von deren Morphologie. Der klassische HLF-Beton wird aus Portlandzement und Silikastaub als reaktive Komponenten hergestellt. Hier konnten wir die Limitierung der Hydratation des Klinkers durch das niedrige Wasserangebot zeigen und die daraus folgenden Auswirkungen auf die Aktivierung des Silikastaubes. Als Variationen wurden auch Mischungen mit Flugasche bzw. Silikastaub und Flugasche untersucht. Dabei zeigte sich, dass bei gängigen Dosierungen mit insgesamt ca. 20 % Ersatz des Zements durch die entsprechenden Zusatzstoffe, diese für die Anwendung interessante Alternativen darstellen. Vor allem die Mischung aus Flugasche und Silikastaub zeigte, dass sich die beiden Stoffe in ihrer Reaktivität nicht gegenseitig störten, sondern sich sehr gut ergänzten. Problematischer zeigten sich die Mischungen, bei denen Hüttensand in hohen Anteilen, d.h. entsprechend einem CEM III/B mit etwa 70 % Hüttensandanteil, und gleichzeitig Silikastaub eingesetzt wurde. Hier wurden deutliche Einflüsse hinsichtlich der Reaktivitäten beobachtet. So reagierte der eingesetzte Silikastaub nur, wenn ein alkalireicher Klinker eingesetzt oder eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde. Eine Wärmebehandlung bei 90 °C führte jedoch dazu, dass nun der Silikastaubes schneller als der Hüttensand reagierte. Diese Ergebnisse fließen gerade in ein Projekt ein, das auf die Optimierung von UHPC hinsichtlich der Bindmittelmenge und somit der Herstellungskosten abzielt. Durch unsere Arbeiten hat sich die Festkörper-NMR-Spektroskopie als Untersuchungsmethode in all unseren Projekten, bei denen die Hydratation zementgebundener Systeme eine Rolle spielt, etabliert. Somit sind wir eine von wenigen Arbeitsgruppen in Deutschland, die dies routinemäßig auf hohem Niveau anbieten kann. Durch das abgeschlossene Forschungsprojekt konnten viele grundlegende Fragen beantwortet werden. Viele Detailfragen mussten aber noch offen bleiben. Dazu gehören Themen wie z.B. der Einfluss der Zusammensetzung der verschiedenen Edukte oder der Einfluss verschiedener Lagerungen auf die Hydratation. Durch die Anwendung in den verschiedenen Forschungsprojekten wird sich in den nächsten Jahren ein Datenstamm aufbauen, der es uns dann ermöglicht, solche Fragen zu beantworten. Wir sollten dann auch in der Lage sein, aus NMR-Messungen Rückschlüsse auf die ursprüngliche Mischungszusammensetzungen unbekannter Betone zu ziehen, eine Fragestellung, die in der Praxis eine wichtige Rolle spielt. Für eine Gesamtaussage über einen Beton spielen auch die Phasenveränderungen während der Alterung eine wichtige Rolle, Einflüsse wie zum Beispiel Auslaugung oder Carbonatisierung. Hierzu gibt es nur wenige Untersuchungen und die 29Si-NMR-Spektren sind schwierig auszuwerten. Dies sind Aufgaben, die in Zukunft zu lösen sind.
Publications
- Verfolgung des Hydratationsgrades von jungen Hochleistungs-Feinkorn-Betonen durch Festkörper-NMR-Spektroskopie. Workshop „Festkörper-NMR-Methoden und Anwendungen in der Materialforschung“, Oberjoch, Sept. 2002
H. Hilbig
- Hydratation von Hochleistungs-Feinkorn-Betonen, NMR-spektroskopische Untersuchungen. 15. Internat. Baustofftagung, ibausil, S. 1-0489 - 1-0496, Weimar, Sept. 2003
H. Hilbig, F.H. Köhler, P. Schießl
- Hydratation von Hochleistungsbetonen - NMR-spektroskopische Untersuchungen. Tagung GDCh-Fachgruppe Bauchemie, Oktober 2004
Hilbig, H., Köhler, F.H., Schießl, P.
- Quantitative 29Si MAS NMR spectroscopy of cement and silica fume containing paramagnetic impurities. Cem. Concr. Res., 2006, 36(2), 326-329
H. Hilbig, F.H. Köhler, P. Schießl
- The effect of activator concentration on reaction degree and structure formation of alkali-activated ground granulated blast furnace slag. J. Mat. Sci. 41 (2006) 6488-6491
H. Hilbig, A. Buchwald
(See online at https://doi.org/10.1007/s10853-006-0755-7) - Effect of Curing Temperature at an Early Age on the Long-Term Strenght Development of UHPC. 2. Int. Symp. on UHPC, S. 205-212, Kassel, Germany, March 2008
I. Schachinger, Th. Stengel, H. Hilbig
