Flugasche und Sulfatwiderstand

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1 47. Aachener Baustofftag, 9. April 214 Flugasche und Sulfatwiderstand Johannes Haufe Institut für Bauforschung der RWTH Aachen University (ibac)

2 Gliederung Sulfatbeanspruchung von Beton Schadensmechanismen Betontechnologische Einflussfaktoren Flugasche Wirkung im Beton bei Sulfatangriff Untersuchungen nach modifiziertem SVA-Verfahren Sulfatangriff auf HS-Zement Sulfatangriff auf Mischungen aus Portlandzement und Flugasche Schlussfolgerungen 2

3 Anforderungen und Grenzwerte in der Norm Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff (Grundwasser) nach DIN EN 26-1 / DIN 45-2 Grenzwerte für die Betonzusammensetzung nach DIN 45-2 Merkmal Einheit XA1 XA2 XA3 SO 4 2- mg/l ph-wert 6,5-5,5 5,5-4,5 4,5-4, Expositionsklasse XA1 XA2 1) 2) XA3 höchstzulässiger w/z,6,5,45 Mindestdruckfestigkeitsklasse 1) 3) C25/3 C35/45 C35/45 CO 2 angreifend mg/l > NH 4 + mg/l Mg 2+ mg/l > 3. Mindestzementgehalt in kg/m³ Mindestzementgehalt bei Anrechnung von Zusatzstoffen in kg/m³ ) Zement mit Sulfatwiderstand 2) Einsatz von Flugasche bis 1.5 mg/l 3) Schutzmaßnahmen 3

4 Schadensmechanismen Ettringit C 3 A 3 CaSO 4 32 H 2 O stärkere Ettringitbildung bei niedrigen Temperaturen Gips CaSO 4 2 H 2 O Thaumasit CaSiO 3 CaSO 4 CaCO 3 15 H 2 O bei Temperaturen < 15 C Entfestigung der CSH-Phasen nur bei Vorhandensein einer Carbonatquelle Quelle: Mulenga, D.M: Zum Sulfatangriff auf Beton und Mörtel einschließlich der Thaumasitbildung. Weimar, Bauhaus-Universität, Fakultät Bauingenieurwesen, Diss., 22 4

5 Schadensmechanismen Betontechnologische Einflussfaktoren Reduktion des C 3 A-Gehalts des Bindemittels Verwendung von HS-Zement (Portlandzement bzw. CEM III-HS) Zusatz von Flugasche Verringerung des Portlanditgehalts bei der Hydratation Einsatz von CEM III-HS oder Flugasche Verdichtung des Gefüges Verringerung des w/z-werts Einsatz von CEM III-HS Verwendung von Flugasche 5

6 Flugasche Chemischer und physikalischer Einfluss auf Betoneigenschaften 25 2 Ca(OH) 2 -Gehalt in g/g Zement % Flugasche 5 4 Median nach 365 Tagen in nm Mörtel, w/(z + f) =,6 f/z-wert,25, % Flugasche Alter in Tagen CEM I 32,5R CEM I 32,5R CEM I 42,5R CEM II/ A-LL 32,5R CEM II/ A-S 32,5R Verbrauch des Portlandits durch Einbau in CSH-Phasen Verfeinerung der Porenstruktur (Kapillar- zu Gelporen) höherer Eindringwiderstand Quelle: Brameshuber, Wolfgang (213) 6

7 Untersuchungen nach modifiziertem SVA-Verfahren Prüfbedingungen SVA-Verfahren Untersuchungen am ibac Probekörper Flachprismen (16 4 mm³) Vorlagerung 14 Tage in gesättigter Ca(OH) 2 -Lösung 28 Tage in gesättigter Ca(OH) 2 -Lösung Konzentration der Na 2 SO 4 -Lösung 3. mg/l SO mg/l SO mg/l SO 4 2- Wechsel der Prüflösung Referenzlagerung alle 14 Tage alle 14 Tage bis zu Alter von 18 Tagen, anschließend alle 28 Tage gesättigte Ca(OH) 2 -Lösung Lagertemperatur 5, 2 C 5, 8, 12, 2 C Bindemittel - CEM I 42,5 R-HS CEM I 42,5 R + FA CEM I 52,5 N + FA Prüfparameter Dehnungsdifferenz (dynamischer E-Modul) Dehnungsdifferenz dynamischer E-Modul Phasenzusammensetzung nach Sulfatlagerung 7

8 Dehnungsverlauf bei verschiedenen Temperaturen CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l 2, 1,5 1,,5, Bestandteil HS-Zement Zement + FA Zement 45 g 27 g Flugasche - 18 g Wasser 225 g 225 g Normsand 135 g 135 g w/z eq,5,74 8

9 Dehnungsverlauf bei verschiedenen Temperaturen CEM I 42,5 R + 4 % FA1 bei 3. mg/l CEM I 52,5 N + 4 % FA1 bei 3. mg/l 2, 1,5 2, 1,5 1, Probekörper bei 5 C nach 27 d Sulfatlagerung zerfallen 1, Probekörper bei 5 und 8 C nach 91 d Sulfatlagerung zerfallen,5,5,, CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l 2, 1,5 1,,5 Bestandteil HS-Zement Zement + FA Zement 45 g 27 g Flugasche - 18 g Wasser 225 g 225 g Normsand 135 g 135 g Zement CEM I 42,5 R CEM I 52,5 N Blaine cm²/g 5.92 cm²/g, w/z eq,5,74 9

10 Dynamischer E-Modul bei verschiedenen Temperaturen CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l 2, 1,5 dyn. E-Modul in N/mm² , ,5 37.5, 35.

11 Dynamischer E-Modul bei verschiedenen Temperaturen CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l 2, 1,5 dyn. E-Modul in N/mm² , ,5 37.5, 35. CEM I 42,5 R + 4 % FA1 bei 3. mg/l dyn. E-Modul in N/mm² Probekörper bei 5 C nach 27 d Sulfatlagerung zerfallen CEM I 52,5 N + 4 % FA1 bei 3. mg/l dyn. E-Modul in N/mm² 5. Probekörper bei 5 und 8 C nach 91 d Sulfatlagerung 47.5 zerfallen

12 Bestimmung des inkrementellen Phasengehalts I Pulverprobe über Tiefe von,5 mm Schleifzyklen á,5 mm Vortrieb 3 mm/s Temperatur an der Oberfläche < 4 C 12

13 Bestimmung des inkrementellen Phasengehalts II CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l und 5 C. counts Q Randbereich. Q Q 1. E B E C B. Q Probekörpermitte. Q Q Quelle: 1. E B P E C P B Messbereich Schrittweite Messzeit θ,17 2 θ 3 min θ qualitative Analyse: Quarz (Q) Calcit (C) C 4 AF (B) Portlandit (P) Ettringit (E) Gips C 2 S Tonminerale (Mikroklin, Albit) 13

14 Bestimmung des inkrementellen Phasengehalts III.. counts CEM I 42,5 R-HS bei 3. mg/l und 5 C 4,5 5, mm Mineralphase Rietveld-Analyse 2 θ Quarz und Tonminerale 87,1 % Ettringit 4,3 % Portlandit 4, % C 4 AF 2,4 % Gips 1,1 % C 2 S,7 % Calcit,4 % 14

15 CEM I 42,5 R-HS Dehnungsverlauf und Phasenbestand bei unterschiedlicher Lagerung Lagerung bei 3. mg/l Lagerung bei 3. mg/l 2, 1, ,,5 5, 15

16 CEM I 42,5 R-HS Dehnungsverlauf und Phasenbestand bei unterschiedlicher Lagerung Lagerung bei 3. mg/l Lagerung bei 3. mg/l 2, 1, ,,5 5, 12 8 Phasengehalt in % Portlandit Calcit C 4 AF Ettringit Gips 12 8 Phasengehalt in % Portlandit Calcit C 4 AF Ettringit Gips ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Tiefe in mm,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Tiefe in mm 16

17 CEM I 52,5 N + 3 % FA, w/z eq =,45 Phasenbestand bei unterschiedlicher Lagerung Lagerung bei 3. mg/l Lagerung bei 3. mg/l 2, 1,5 2 C, w/z=,45 5 C, w/z=,45 2 C, w/z=,55 5 C, w/z=, C, w/z=,45 5 C, w/z=,45 2 C, w/z=,55 5 C, w/z=,55 Probekörper bei 5 C nach 91 bzw. 27 d Sulfatlagerung zerfallen 15 1,,5 5, 17

18 CEM I 52,5 N + 3 % FA, w/z eq =,45 Phasenbestand bei unterschiedlicher Lagerung Lagerung bei 3. mg/l Lagerung bei 3. mg/l 2, 1,5 2 C, w/z=,45 5 C, w/z=,45 2 C, w/z=,55 5 C, w/z=, C, w/z=,45 5 C, w/z=,45 2 C, w/z=,55 5 C, w/z=,55 Probekörper bei 5 C nach 91 bzw. 27 d Sulfatlagerung zerfallen 15 1,,5 5, 12 8 Phasengehalt in % Portlandit Calcit C 4 AF Ettringit Gips 12 8 Phasengehalt in % Portlandit Calcit C 4 AF Ettringit Gips ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Tiefe in mm,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Tiefe in mm 18

19 SO 3 -Gehalt bei Lagerung in verschiedenen Lösungen Mittlerer Sulfatgehalt von Mörtel aus CEM I nach 91 Tagen Lagerung in Sulfatlösung (33.8 mg/l SO 4 2- ) 5 4 Gips Ettringit SO 3 in M.-% 3 2 Mix Na 2 SO 4 nach 91 Tagen deionisiertes Wasser,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Abstand von der Probenoberfläche in mm Quelle: Kunther, Wolfgang; Lothenbach, Barbara; Scrivener, Karen L.: On the relevance of volume increase for the length changes of mortar bars in sulfate solutions. In: Cement and Concrete Research 46 (213), S

20 SO 3 -Gehalt bei Verwendung verschiedener Bindemittel Mittlerer Sulfatgehalt von Mörtel nach 91 Tagen Lagerung in Natriumsulfatlösung (33.8 mg/l SO 4 2- ). 5 Gips Ettringit 4 SO 3 in M.-% 3 2 CEM I CEM I HS nach 91 Tagen CEM III/B,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Abstand von der Probenoberfläche in mm Quelle: Kunther, Wolfgang; Lothenbach, Barbara; Scrivener, Karen L.: On the relevance of volume increase for the length changes of mortar bars in sulfate solutions. In: Cement and Concrete Research 46 (213), S

21 Schlussfolgerungen Inkrementelle Pulverdiffraktometrie lässt Rückschluss auf Schädigungsmechanismus bei verschiedenen Bindemitteln zu. Starke Gipsbildung im Randbereich bei praxisnaher hoher Sulfatkonzentration (XA2) nicht zu erwarten. Optimierung des Prüfverfahrens erforderlich, insbesondere hinsichtlich Prüftemperatur und Sulfatkonzentration. Erhebliche Schädigungen im Labor auch bei moderater Sulfatkonzentration (3. mg/l) nach relativ kurzer Zeit. Flugasche erreicht bei Anrechung auf den Wasserzementwert Dehnungen im Bereich von Portland-HS-Zementen. 21