Betontechnologische Grundlagen Einleitung

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1 Betontechnologische Grundlagen Einleitung Beton ist ein Baustoff, der durch Mischen der Ausgangsstoffe Zement, Wasser, grober und feiner Gesteinskörnung, mit oder ohne Zugabe von Zusatzstoffen oder Zusatzmitteln hergestellt wird. Die Variationsmöglichkeiten der Parameter innerhalb des 5-Stoff-Gemisches sind fast unbegrenzt, um sowohl die Frischbeton- als auch die Festbetoneigenschaften gezielt zu beeinflussen. Beton erhält seine Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Reaktion des Zementes mit dem Wasser, der sogenannten Hydratation des Zementes. Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Zementes entscheidet über das Abbinde- und Erhärtungsverhalten des Betons.

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3 Abb : Massen- und Volumenanteile der Ausgangsstoffe beim 5-Stoff- Gemisch Beton. Hydratation von Zement Bei der Hydratation werden die Klinkermineralien des Zementes C3S, C2S, C3A und C4AF in wasserhaltige Verbindungen, die sogenannten Hydratphasen, umgewandelt. Sie bewirken das Erstarren und Erhärten des Zementleims zum Zementstein. Die Entwicklung der Hydratphasen erfolgen vereinfachend in drei Hydratationsstufen (Abb ). Zu Beginn der I. Hydratationsstufe reagiert das gelöste C3A sehr schnell und heftig mit dem Calciumsulfat (Erstarrungsregler). Die entstehenden Calciumaluminatsulfathydrate, vor allem das Trisulfat, auch Ettringit genannt, bilden auf den Oberflächen des Klinkerpartikels kurze, hexagonal säulenförmige Ettringitkristalle. Durch die Bildung dieser dünnen Schicht von Kristallen kommt es nahezu zum Stillstand der Hydratation. Diese ersten Hydratationsprodukte sind noch zu klein um den Raum zwischen den Klinkerpartikeln zu überbrücken. Die Klinkerpartikel können sich immer noch frei bewegen, d. h. der Zementleim ist nur wenig steifer geworden. Das Ansteifen und in Folge das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa 1 bis 3 Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine, spitznadelige Calciumsilikathydratkristalle (CSH) auf den Klinkerpartikeln bilden. Dabei behindern sich die wachsenden Kristalle zunehmend und der Zementleim beginnt sich zu verfestigen. In der II. Hydratationsstufe bildet sich das Grundgefüge, bestehend aus CSH- Faserbüscheln, plattigem Calciumhydroxid (Ca(OH)2) und in die Länge wachsenden Ettringitkristallen, aus. Die grösseren Kristalle überbrücken die Räume zwischen den Klinkerpartikeln und verfilzen sich ineinander. Die fortschreitende Verfestigung des Gefüges, die eigentliche Erhärtung des Zementsteins, findet in der III. Hydratationsstufe statt. Es bilden sich überwiegend feine, kurze Nadeln und Fasern. Der Raum wird verfüllt und die Verfestigung nimmt stetig zu aber mit reduzierter Hydratationsgeschwindigkeit. Während für die Verarbeitung und das Erstarren das C3A das bestimmende Klinkermineral ist, sind das rasch reagierende C3S und das langsam reagierende C2S entscheidend für den Aufbau eines stabilen Gefüges und die Festigkeitsentwicklung. C3S und C2S spalten auch grosse Mengen von Calciumhydroxid ab, das zwar keinen Beitrag zur Festigkeit

4 bringt, jedoch infolge seiner hohen alkalischen Wirkung die Bewehrung vor Korrosion schützen kann. Ein hydratisierter Portlandzement (CEM I) enthält nach vollständiger Hydratation etwa 60 M.-% CSH-Phasen und 30 M.-% Calciumhydroxid.

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6 Abb : Zeitliche Entwicklung der Hydratphasen und des Gefüges. Neben der Hydratation des Portlandzementklinkers können die anderen chemisch reaktiven Zementzusatzstoffe jedoch in einem unterschiedlichen Masse auch hydratisieren und festigkeitsbildend sein. Dabei werden folgende Reaktionstypen unterschieden: hydraulisch latent hydraulisch puzzolanisch Gebrannter Schiefer ist ein weiteres, hydraulisches Bindemittel neben Portlandzementklinker. Diese Bindemittel erhärten sowohl an Luft als auch unter Wasser und sind danach dauerhaft wasserunlöslich. Latent hydraulische Stoffe wie Hüttensandmehl benötigen für die chemische Reaktion einen Anreger. Die bei der Klinkerhydratation frei werdenden Alkalien (NaOH, KOH, Ca(OH)2) ermöglichen die alkalische Anregung. Für die sulfatische Anregung wird der dem Zement zugegebene Gips verwendet. Im Wesentlichen entstehen bei der latent hydraulischen Reaktion die gleichen Reaktionsprodukte wie bei der Hydratation von Portlandzementklinker. Puzzolanisch reagierende Stoffe sind gebrannter Schiefer, Flugasche und Silikastaub. Sie reagieren mit dem bei der Hydratation des Zementklinkers frei werdenden Calciumhydroxid zu Calciumsilikat- und Calciumaluminathydraten. Die Hydratation ist ein zeitabhängiger Prozess, der mit zunehmendem Alter zum Stillstand kommt. Ein Mass für den Hydratationsfortschritt ist der sogenannte Hydratationsgrad α, der den Stand der Hydratation zum Zeitpunkt t bezeichnet. Er gibt an, welche Zementmenge bezogen auf den ursprünglichen Zementgehalt bereits reagiert hat. Da der genaue analytische Nachweis sowohl von unhydratisiertem Zement als auch von der Menge an gebildeten Reaktionsprodukten relativ aufwendig ist, wird der Hydratationsgrad gewöhnlich über Ersatzgrössen, wie z. B. die Festigkeitsentwicklung oder die Menge an chemisch gebundenem Wasser, ermittelt. Der Hydratationsgrad ist im Wesentlichen abhängig von der Zeit, dem Feuchtigkeitsgehalt des Zementsteins, der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung und Mahlfeinheit des Zementes. Der Hydratationsgrad α ist zu Beginn 0, erreicht nach dem

7 Erstarrungsende ca % und beträgt bei vollständiger Hydratation theoretisch 100 % (α = 1). Eine vollständige Hydratation wird wenn überhaupt möglich erst nach Jahren erreicht. Gefüge des Zementsteins Von besonderer Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit des Betons ist das durch die Hydratation des Zementes entstehende Gefüge. Nach dem Mischen von Wasser und Zement sind die noch nicht hydratisierten Zementpartikel von einer dünnen Wasserschicht umgeben, deren Dicke mit steigendem Wassergehalt zunimmt. Mit fortschreitender Hydratation wachsen die Hydratationsprodukte in die zunächst mit Wasser eingenommenen Zwischenräume. Zement kann chemisch eine Wassermenge von ca. 25 % und physikalisch von rund 15 %, gesamthaft ca. 40 % seiner Masse binden, was einem sogenannten Wasserzementwert (w/z-wert) von 0.40 entspricht (siehe Mischungsentwurf). Bei diesem w/z-wert füllen die Hydratationsprodukte die Räume zwischen den Zementpartikeln nahezu vollständig aus. Das physikalisch gebundene Wasser füllt die Gelporen (Porenradien zwischen 10 9 bis 10 8 m) aus. Bei w/z- Werten unter 0.40 reicht das beim Mischen des Betons vorhandene Wasser nicht aus, um den Zement vollständig zu hydratisieren, und es verbleiben nicht hydratisierte Zementpartikel.

8 Abb : Schematische Darstellung der Kapillarporenbildung bei verschiedenen w/z-werten.

9 Abb : Volumetrische Zusammensetzung des Zementsteins in Abhängigkeit vom w/z-wert (Hydratationsgrad 100 % (α = 1)). Bei w/z-werten über 0.40 enthält der Zementstein Hohlräume, die zunächst wassergefüllt sind, sich bei der Austrocknung des Betons aber entleeren können. Diese Hohlräume bilden ein System sogenannter Kapillarporen mit Porenradien zwischen etwa 10 8 bis 10 5 m. Ab w/z- Werten von ca wird das Kapillarporensystem immer durchlässiger (Abb ). Die Gelporosität ist vom w/z-wert weitgehend unabhängig und kann daher durch betontechnologische Massnahmen nicht beeinflusst werden. In Abbildung ist die volumetrische Zusammensetzung des Zementsteins in Abhängigkeit vom w/z-wert dargestellt. Die Zementsteineigenschaften werden zwar wesentlich durch die Kapillarporosität und deren Abhängigkeit vom w/z-wert und vom Hydratationsgrad bestimmt, aber auch durch die Packungsdichte der Zementpartikel. Eine optimale Kornzusammensetzung eines

10 reinen Portlandzementes führt zu einer mittleren Packungsdichte (siehe Herstellung). Die Packungsdichte kann noch weiter verbessert werden, wenn die zwischen den Zementpartikeln verbleibenden Zwischenräume (Zwickel) durch Zementzusatzstoffe ausgefüllt werden. In Abbildung sind Packungsdichten von zwei Zementen schematisch dargestellt linkes Bild: Portlandzement mit mittlerer Packungsdichte und rechtes Bild: Portlandkompositzement mit hoher Packungsdichte. Je feiner die Korngrössen der einzelnen Hauptbestandteile des Zementes aufeinander abgestimmt sind, desto höher ist die Packungsdichte. Diese rein physikalische Wirkung beruht auf dem sogenannten Fillereffekt, wodurch Wasser durch Körner mit genügend feiner Korngrösse (z. B. Kalksteinmehl und feingemahlener, gebrannter Schiefer) aus den Zwickeln verdrängt wird.

11 Abb : Packungsdichte von Zement mit unterschiedlichen Hauptbestandteilen. Werden chemisch reaktive Zementzusatzstoffe eingesetzt, verstärken noch zusätzliche Hydratationsprodukte den Fillereffekt. Im Beton gibt es diese Zwickel nicht nur im Zementstein, sondern auch in der Übergangszone zwischen einem Gesteinskorn und dem Zementstein. Die Übergangszone, auch Kontaktzone genannt, besitzt in der Regel eine höhere Porosität als der reine Zementstein und weist bei Normalbeton eine Dicke von ca. 50 μm auf (Abb ).

12 Abb : Mikroskopische Aufnahme der Übergangszone zwischen einem Gesteinskorn und dem Zementstein. Die Ursachen für die Ausbildung einer porösen Kontaktzone sind neben Randeffekten auch eine geringe Packungsdichte und Wasserabsonderungen des Zementleims, die sich als Film auf den Gesteinskörnern anlagern. Neben der höheren Porosität der Kontaktzone liegt eine veränderte, gröbere Form der Calciumhydroxidkristalle vor, so dass sich eine weniger stark ausgeprägte Kristallverzahnung als im übrigen Zementstein ergibt. Beim Einsatz von chemisch reaktiven Zementzusatzstoffen kann, je nach Reaktivität und Feinheit, eine grosse Verbesserung der Kontaktzone herbeigeführt werden, da sich sowohl ihre Dicke als auch der Anteil an groben Calciumhydroxidkristallen verringern lässt und damit eine höhere Dichtigkeit erreicht wird. In Abbildung ist die Übergangszone von Gesteinskörnern mit unterschiedlichen Zementarten schematisch dargestellt.

13 Abb : Übergangszone von Gesteinskörnern mit unterschiedlichen Zementarten. Mischungsentwurf Allgemeines Im Mischungsentwurf werden die Anforderungen an die Frisch- und Festbetoneigenschaften berücksichtigt. Die Anforderungen an den Frischbeton werden im Wesentlichen durch die Herstell-, Transport- und Verarbeitungsbedingungen definiert, z. B. Verarbeitbarkeit, Pumpbarkeit oder Betonieren bei extremer Witterung. Als Festbetoneigenschaften werden hauptsächlich mechanische Eigenschaften und Dauerhaftigkeitskriterien gefordert. Zementleimvolumen Der Leim wird im einfachsten Fall aus Zement, Wasser und Luft sowie gegebenenfalls Zusatzstoffen gebildet. Der Zementleim füllt die Hohlräume zwischen den Gesteinskörnern auf und erst wenn diese vollständig aufgefüllt sind, kann eine Leimschicht die Körner umhüllen, die eine schmierende Wirkung des Zementleims ermöglicht (Abb ). Dabei wird angenommen, dass die Zementleimschicht um alle Partikel gleich dick ist. Die Konsistenz des Frischbetons wird mit zunehmender Dicke der Zementleimschicht weicher.

14 Abb : Wirkung des Zementleims im Beton. Konstruktionsbeton mit guten Verarbeitungs- und Verdichtungseigenschaften sollte ein Mindestleimvolumen von rund 280 l/m3 bei einem Grösstkorn von 32 mm aufweisen. Mit abnehmendem Grösstkorn der Gesteinskörnung wird der Zementleimbedarf höher. Der erforderliche Zementleimgehalt ist bei gebrochener Gesteinskörnung aufgrund der grösseren, spezifischen Oberfläche der Gesteinskörnung grösser als mit runder Gesteinskörnung (Abb ).

15 Abb : Notwendiges Zementleimvolumen in Abhängigkeit des Grösstkorns der Gesteinskörnung für vibrierten Beton. Die Korngrössenverteilung eines Zementes beeinflusst ebenfalls den Zementleimbedarf. Je breiter die Korngrössenverteilung eines Zementes, desto höher ist die Packungsdichte und desto geringer ist der Zementleimbedarf (siehe Gefüge des Zementsteins). Wasserzementwert (w/z-wert) Ein zentraler Kennwert des Betons ist der w/z-wert, der aus dem Massenverhältnis vom

16 wirksamen Wassergehalt zu Zementgehalt, bezogen auf 1 m3 verdichteten Frischbeton, berechnet wird: Gl Werden neben dem Zement noch reaktive Zusatzstoffe eingesetzt, wird ein äquivalenter Wasserzementwert (w/z)eq ermittelt (siehe K-wert-konzept). Grundsätzlich gilt, dass sich alle Festbetoneigenschaften mit zunehmendem w/z-wert zum Teil sehr stark verschlechtern. In Abbildung sind qualitativ die Auswirkungen eines tiefen und eines hohen w/z-wertes für einige ausgewählte Eigenschaften schematisch dargestellt.

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18 Abb : Auswirkungen eines tiefen und eines hohen w/z-wertes für einige ausgewählte Festbetoneigenschaften. Für die gewünschte Betondruckfestigkeit kann der erforderliche Wasserzementwert über die Zementdruckfestigkeit abgeschätzt werden. Bei der Zugabe von Zusatzmitteln und -stoffen können sich deutliche Veränderungen der Abhängigkeiten zwischen w/z-wert, Zementdruckfestigkeit und Betondruckfestigkeit ergeben. In Abbildung wird am Beispiel des Zementes CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N (Optimo 4) der Zusammenhang von Betonwürfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen und dem w/z-wert graphisch dargestellt.

19 Abb : Zusammenhang zwischen der Betonwürfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen und den w/z- Wert für den Zement Optimo 4 bei normgerechter Herstellung und Lagerung. Stoffraumrechnung Das wichtigstes Hilfsmittel für den Mischungsentwurf ist die sogenannte Stoffraumrechnung. Mit ihrer Hilfe wird der funktionale Zusammenhang zwischen Volumen und Masse eines Mehrstoffsystems hergestellt. Für Beton lautet die zugehörige Stoffraumgleichung für einen Kubikmeter verdichteten Beton:

20 Gl Nachfolgend sind verschiedene Beispiele für Stoffraumrechnungen aufgeführt.

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22 Mischungsberechnung mit trockener Gesteinskörnung

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26 Mischungsberechnung mit trockener Gesteinskörnung und Zusatzstoffen

27 Abb : Schiffsverladung von Flugasche.

28 Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung und Restwasserverwendung