Moderne Hochleistungsbetone

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1 vpiarbeitstagung 2009 Baden Baden, Moderne Hochleistungsbetone Eine Chance für Innovationen im Massivbau Prof. Dr.Ing. Harald S. Müller 1

2 Überblick Entwicklungstrends in der Betontechnologie Entwicklung Hochfester Beton DAfStb RL 1995 DIN 1045:2001 Entwicklung Selbstverdichtender Beton DAfStb RL 2003 DIN EN 2069:2009 Entwicklung Entwicklung Ultrahochfester/ Hochdauerhafter Beton Emmissionsarmer Beton ( Green Concrete ) neue Bemessungsregeln erforderlich heute Zeit 2

3 Paradigmenwechsel bei der Baustoffentwicklung Pantheon, Rom, 120 n.ch. Betonanschliff: 2 cm REMAufnahme: 2 μm 3

4 Grundlagen aktueller Innovationen Verwendung neuartiger Betonzusatzmittel Selbstverdichtender Beton Dispersion durch sterische Abstoßung frühe Hydratphasen (Ettringit) Zementpartikel Dispersion durch elektrochemische Abstoßung Optimierung der Kornzusammensetzung Siebdurchgang [Vol.%] fein 0 0 0,063 Gesamtsieblinie 0,125 2,0 8,0 16,0 Siebweite [mm] Phaeno Science Center Wolfsburg (Foto: phaeno ggmbh) Selbstverdichtender pumpbarer Leichtbeton Hochduktiler faserbewehrter Beton Mechtcherine, TU Dresden Verwendung reaktiver Zusatzstoffe Flugasche Silikastaub amorphes SiO 2 10 cm 0,3 mm 4

5 Selbstverdichtender Beton (SVB) Überblick Betontechnologische Maßnahmen zur Herstellung von SVB: Auswirkungen auf das Festbetonverhalten: Normalbeton: 320 kg Zement w/z = 0,5 Leim Gesteinskörnung Z W 0/2 2/8 8/16 EModul Kriechen Schwinden Dauerhaftigkeit Anteil [Vol.%] bei gleicher Festigkeit SVB: 320 kg Zement 210 kg Flugasche w/z äqu. = 0,5 Leim Gesteinskörnung Z FA W 0/2 2/8 8/16 5

6 Selbstverdichtender Beton Frischbetoneigenschaften Kernprobleme moderner Sonderbetone: Entmischung mangelhafte Selbstentlüftung entmischter Beton 6

7 Selbstverdichtender Beton Frischbetoneigenschaften Kernprobleme moderner Sonderbetone: Fließkurve von Zementleim: Entmischung η(á) mangelhafte Selbstentlüftung Ziel: Beispiel: Entmischung Minimierung der Sinkgeschwindigkeit v Auftriebskraft A plastische Viskosität µ G A v= 6 π r η viskose Strömungskräfte Zuschlagkorn BinghamModell Steuergröße Viskosität Gewichtskraft G η = τ/á entmischter Beton / Mörtel Zementleim µ Fließgrenze τ0 τ(á) 7

8 Selbstverdichtender Beton Ziele bei der Mischungsentwicklung Ziele: Beton Entlüftung des Betons Auftrieb A Strömungskräfte Luftblase τ do gute Entlüftung: μ Mörtel Entmischungswiderstand Auftrieb A Strömungskräfte Zuschlagkorn Gewichtskraft G τ do hohe Stabilität: τ 0 Bewehrung Blockierneigung Bewehrung gutes Fließverhalten: τ 0 μ Mögliche betontechnologische Maßnahmen: Maßnahme Zugabe von Fließmittel Reduktion des w/zwerts Erhöhung des Mehlkornleimgehalts Beton τ 0 μ Fließgrenze τ 0 SVB Normalbeton Erhöhung des Mörtelgehalts plastische Viskosität µ 8

9 Selbstverdichtender Beton Mechanische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften: Kennwert (Betonalter: 28 d) Druckfestigkeit Dimension SVB (MehlkornTyp) Spaltzugfestigkeit [N/mm 2 ] 3,0 5,0 statischer Elastizitätsmodul EModul E cm [10³ N/mm²] DAfStb Heft f cm,cube [N/mm 2 ] EModul von SVB geringer als bei vergleichbarem Rüttelbeton 9

10 Selbstverdichtender Beton Schwind und Kriechverhalten Schwindverformung ε cs [µm/m] Betone: C25/30 bis C40/50; Betone: C25/30 bis C40/50; Trocknungsbeginn t Trocknungsbeginn s t = 7 Tage; s = 7 Tage; RH = 65 %; T = 20 C RH = 65 %; T = 20 C SVB (mit Flugasche) DIN 1045 (konventioneller Rüttelbeton) Δε cs Δε = µm cs abhängig von Bindemittelart Bindemittelmenge Trocknungsdauer (tt s ) [Tage] Kriechmaß [10 6 /(N/mm²)] Betone: C30/37; Betone: C30/37; Belastungsalter t Belastungsalter 0 = t 0 = Tage; Tage; RH RH = = %; %; T T = = C C SVB (mit Flugasche) s V=0,30 DIN 1045 (konventioneller Rüttelbeton) Belastungsdauer (tt 0 ) [Tage] 10

11 Selbstverdichtender Beton Baumaßnahme nach DAfStbRili SVB Planung: Auswahl und Vorentwurf des Betons Klärung besonderer Randbedingungen: Verformungsempfindlichkeit, Zwang, Sichtbetoneigenschaften, etc. Erstprüfung: Festlegung des Betons Prüfung der Druckfestigkeit weitere Prüfungen in Abhängigkeit von jeweiliger Expositionsklasse 2. Mischungsentwicklung: Randbedingungen aus Expositionsklassen Begrenzung des Mehlkorngehalts ( 650 kg/m³) Anforderungen an Frischbetoneigenschaften ( Verarbeitungsfenster ) 4. Qualitätskontrolle: Produktionsmittel Ausgangsstoffe Frischbeton Eigenschaften des Betons umfassendes Qualitätsmanagement erforderlich 11

12 Hochfester und Ultrahochfester Beton erste Fußgängerbrücke aus RPC in Sherbroke, Kanada, 1997 Definition Ultrahochfester Grobkornbeton (Ultra High Performance Concrete, UHPC): Größtkorn bis 16 mm Reaktionspulverbeton (Reactive Powder Concrete, RPC): Größtkorn bis 0,5 mm 12

13 Ultrahochfester Beton Ausgangsstoffe und Zusammensetzung Ausgangsstoff Dimension C30/37 C90/105 UHPC Optimiertes Kornhaufwerk Zement Mikrosilika Quarzmehl 450 Gesteinskörnung 0/2 [kg/m³] Gesteinskörnung 2/8 bzw. 2/ Stahlfasern 196 Wasser Fließmittel w/b [] 0,5 0,28 0,21 Bild: Uni Kassel 13

14 Hochfester Beton Ausgangsstoffe und Zusammensetzung Ausgangsstoff Zement Mikrosilika Dimension C30/ C90/ UHPC Mikrofüller: Erhöhung der Packungsdichte Verbesserung der Fließfähigkeit Steigerung der Betonfestigkeit Quarzmehl 450 Gesteinskörnung 0/2 [kg/m³] Gesteinskörnung 2/8 bzw. 2/ Stahlfasern 196 0,1 0,3 µm Wasser Fließmittel w/b [] 0,5 0,28 0,21 14

15 Hochfester Beton Ausgangsstoffe und Zusammensetzung Ausgangsstoff Zement Mikrosilika Quarzmehl Gesteinskörnung 0/2 Dimension [kg/m³] C30/ C90/ UHPC Quarzmehl: Erhöhung der Packungsdichte Steigerung der Betonfestigkeit in Verbindung mit einer Wärmebehandlung bei T >> 100 C Gesteinskörnung 2/8 bzw. 2/ Stahlfasern 196 Wasser Fließmittel w/b [] 0,5 0,28 0,21 15

16 Hochfester Beton Ausgangsstoffe und Zusammensetzung Ausgangsstoff Zement Mikrosilika Dimension C30/ C90/ UHPC Faserbewehrung: Erhöhung der Duktilität der Matrix Verarbeitbarkeit geht mit steigendem L/DVerhältnis zurück Quarzmehl Gesteinskörnung 0/2 [kg/m³] Empfehlung: 40 L/D 60 bei Fasergehalt 2 4 Vol.% Gesteinskörnung 2/8 bzw. 2/ Stahlfasern 196 Wasser Fließmittel w/b [] 0,5 0,28 0,21 16

17 Hochfester Beton Schwinden und Kriechen Schwindmaß ε s normalfest hochfest RH = 65% Schrumpfen 65% vers. vers. Kriechzahl ϕ normalfest hochfest RH = 65% Trocknungsschwinden Trocknungskriechen vers. Grundkriechen 65% vers. t s Betonalter t Belastungsdauer tt 0 Trocknungsdauer tt s Verformung Normalfester Beton Normal und hochfester Beton Schwinden Kriechen ε s = εs0 βs(t t s) ε s = εas0 β as(t) +εds0 βds(t t s ) ϕ=ϕ0 βc(t t 0) ϕ=ϕ0,bc βbc(t t 0) +ϕ0,dc βdc(t t 0) 17

18 Hochfester Beton Grundschwinden und Zwangspannungsentwicklung Grundschwinden, ε cas ε cas ε cas,1 Nullmessung zahlreicher Experimente 0,5 εcas,28 bei HSC 0,7 εcas,28 bei UHPC hohes Rissrisiko bei Zwang Betonalter [Tage] 0 8 h 1 28 Betonalter [Tage] EModul E cm 0,1 E cm,28 0,6 E cm,28 E cm,28 hohes Rissrisiko bei Zwang 18

19 Hochfester und Ultrahochfester Beton Mechanische Kennwerte Festigkeit und Steifigkeit SpannungsDehnungsverhalten Druckfestigkeit f cm [N/mm²] EModul E cm [kn/mm²] Nachbehandlung 90 C Wärmebeh. 250 C Wärmebeh. Wärmebeh. und Druck Druckspannung [N/mm 2 ] Quelle: Fehling (Uni Kassel) UHPC mit 2,5 Vol.% Fasern E normalfester Beton Betonstauchung [ ] Anstieg der Nichtlinearitätsgrenze auf 70 bis ca. 90 % von f cm 19

20 Hochfester und Ultrahochfester Beton Mechanische Kennwerte (Forts.) Tragverhalten bei Biegezugbeanspruchung Biegezugspannung [N/mm 2 ] L/D = 67; 2,5 Vol.% Fasern L/D = 46; 2,5 Vol.% Fasern Walraven/Lappa (TU Delft) Durchbiegung [mm] Fasergeometrie L/D > 40 wesentliche Steigerung der Resttragfähigkeit des gerissenen Probekörpers möglich 20

21 Ultrahochfester Beton Dauerhaftigkeit C30/37 nach extremer FrostTauBeanspruchung UHPC nach extremer FrostTauBeanspruchung 21

22 Ultrahochfester Beton Dauerhaftigkeit (Forts.) 4,0 Korrosionstiefe x [mm] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Widerstand Widerstand gegen gegen chemischen chemischen Angriff Angriff durch durch mineralsaure mineralsaure Wässer: Wässer: HCl HCl (ph (ph3) 3) Faktor 5,5 C30/37 UHPC 0, Angriffsdauer t [d] 22

23 Ultrahochfester Beton Festigkeit und Wirtschaftlichkeit Druckfestigkeit f cm,cube [N/mm²] x 4,8 UHPC ca /m³ C30/37 ca. 300 /m³ Betonalter [d] Bezogene Bauteilkosten: UHPC C30/37 /m³ 5,3 N/mm² /m³ 7,5 N/mm² [Kosten jeweils einschließlich Bewehrung] 23

24 Nachhaltigkeit von Beton Ökologische Kriterien Primärenergie (nicht regenerierbar) [10 4 MJ] 0,60 0,45 Bodennahe Ozonbildung [10 1 kg C 2 H 4 Äquivalente] 0,30 0,15 Treibhauspotential [10 3 kg CO 2 Äquivalente] 0,00 Eutrophierungspotential [10 1 kg PO 4 Äquivalente] Baustoff Ozonabbaupotential [10 4 kg R11Äquivalente] Versauerungspotential [kg SO 2 Äquivalente] Forschungsuniversität gegründet

25 Nachhaltigkeit von Beton Ökologische Kriterien Bezugsgröße: Betonvolumen (1 m³) Primärenergie (nicht regenerierbar) 2,0 Bodennahe Ozonbildung 1,5 1,0 0,5 C30/37 0,0 Versauerungspotential Eutrophierungspotential UHPC Treibhauspotential Ozonabbaupotential Datenbasis: B. Wittstock, Lehrstuhl für Bauphysik, Abt. Ganzheitliche Bilanzierung, Univ. Stuttgart Forschungsuniversität gegründet

26 Nachhaltigkeit von Beton Ökologische Kriterien Bezugsgröße: Festigkeit (f cm,cube ) Bezugsgröße: Dauerhaftigkeit (Permeabilität) Primärenergie (nicht regenerierbar) 0,016 Primärenergie (nicht regenerierbar) 0,750 0,012 0,500 Bodennahe Ozonbildung 0,008 0,004 Treibhauspotential Bodennahe Ozonbildung C30/37 0,250 Treibhauspotential 0,000 0,000 UHPC UHPC Eutrophierungspotential C30/37 Ozonabbaupotential Eutrophierungspotential Ozonabbaupotential Versauerungspotential Versauerungspotential Forschungsuniversität gegründet

27 Zukünftige Entwicklungen Nachhaltigkeit von Zement CO 2 Emission [kg / Tonne Zement] CEM I CEM II CEM III CEM N Zunehmende Substitution des Klinkers Klinkersubstitution durch reaktive Nebenprodukte Forschungsuniversität gegründet

28 Zukünftige Entwicklungen Verstärkung der Zementsteinmatrix Rissüberbrückung mit Carbon Nanotubes Eigenschaften von Carbon Nanotubes im Vergleich σ [kn/mm²] 40 Carbon Nanotubes E = 1000 kn/mm² β Z = 50 kn/mm² 20 Spannstahl E = 200 kn/mm² β Z = 1,5 kn/mm² Makar, NRC Ottawa 100 nm ε [%] Forschungsuniversität gegründet

29 Zukünftige Entwicklungen Hochduktile Mörtel und Betone Spannung f t σ 1 hochduktiler Faserbeton 2 3 zugehörige Rissbilder üblicher Faserbeton Dehnung ~ 5 % Rissöffnung Zunahme der Biegetragfähigkeit: ΔM 1,5 f t / σ 1 M 0 Forschungsuniversität gegründet

30 Zukünftige Entwicklungen Dauerhaftigkeitsbemessung Deskriptives Konzept Performance Konzept Ansatz: R E > 0 Ansatz: P f (t) = P(R(t) E(t) 0) P Ziel E, R E, R Einwirkung, Widerstand R E Erfahrungswerte R E Einwirkung, Widerstand R E Schäden, P f 50 Jahre Bauwerksalter t 1 Bauwerksalter Umsetzung, z. B. DIN 1045 Umsetzung, z. B. fib Model Code empir. Konzept E Umgebung XC4: Bewehrungskorr. wechselnd nass / trocken max w/z 0,60 min β R C25/30 min z 280 [kg/m 3 ] c 40 [mm] physik. Modelle E R = c = const () 1 = d t = 2 k k (k R +ε ) C t W(t) k e c t ACC,0 t S Forschungsuniversität gegründet

31 Zukünftige Entwicklungen Dauerhaftigkeitsbemessung (Forts.) 100 C80/95 Zuverlässigkeitsindex β = 1,7 Nutzungsdauer [Jahre] Jahre C25/30 Nachbehandlung: 1 d 3 d Betondeckung [mm] Forschungsuniversität gegründet

32 Zukünftige Entwicklungen Intelligentes Verbundsystem (Vision) Schadstoffabbau O 2 OH Oberflächenschicht Ti O 2 modifiziert NO x Ti O2 Dämmung Tragsystem NO 3 HNO 3 Forschungsuniversität gegründet

33 Zukünftige Entwicklungen Intelligentes Verbundsystem (Vision) Oberflächenschicht Ti O 2 modifiziert Selbstreinigung Dämmung Tragsystem Schmutzwasserabfluss Schmutz Forschungsuniversität gegründet

34 Zukünftige Entwicklungen Intelligentes Verbundsystem (Vision) UV Strahlung Oberflächenschicht Ti O 2 modifiziert, mit Photovoltaik Dämmung Tragsystem Stromgewinnung Forschungsuniversität gegründet

35 Zukünftige Entwicklungen Intelligentes Verbundsystem (Vision) Oberflächenschicht Ti O 2 modifiziert, mit Photovoltaik 1 μm Dämmung Platten aus pyrogener Kieselsäure Wärmekapazität H 2 O PCM Temperatur Tragsystem textilbewehrter Beton mit PCM Partikeln Massivabsorber trotz geringer Masse (Dicke) Forschungsuniversität gegründet

36 Zukünftige Entwicklungen Intelligentes Verbundsystem (Vision) Leistungsprofil Dicke: 10 cm UWert: 0,1 W/(m 2 K) β BZ Wert: 50 N/mm 2 Schadstoffabbau Selbstreinigung Stromgewinnung Oberflächenschicht Ti O 2 modifiziert, mit Photovoltaik Dämmung Platten aus pyrogener Kieselsäure Tragsystem textilbewehrter Beton mit PCM Partikeln Massivabsorber trotz geringer Masse (Dicke) Forschungsuniversität gegründet

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 37