Klinkerarme Betone: Entwicklungsziele und Konzepte. 13. Münchener Baustoffseminar des Centrum Baustoffe und Materialprüfung

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1 Klinkerarme Betone: Entwicklungsziele und Konzepte 13. Münchener Baustoffseminar des Centrum Baustoffe und Materialprüfung 2016 R.E. Beddoe, D. Lowke, D. Heinz 1

2 Klinkerarme Betone mit kalksteinreichem Bindemittel Hintergrund: Reduzierung von C0 2 -Emissionen Einsparung von Energie künftige eingeschränkte Verfügbarkeit von Hüttensand und Flugasche hohe Verfügbarkeit von Kalkstein Klinker trägt hauptsächlich zur CO 2 -Last des Betons bei Ziele cbm: Auswirkung der physikalischen und chemischen Mechanismen, welche die Bildung des Gefüges in dichtgepackten Betonen mit kalksteinreichen Bindemitteln bestimmen wissenschaftliche Grenzen klinkerarmer Betone: < 100 kg/m 3 2

3 Betontechnologie: mit Hüttensand XC2 (nass, selten trocken): Klinker [kg/m 3 ] CEM III/C: 240 kg/m 3 12 Praxisgerechte Betone: RedCarb-Beton*: 81% HS, w/b=0,30 91 Younsi et al.**: 360 kg/m 3 CEM III/C 54 * TU Clausthal, TU Braunschweig und Univ. Hannover ** Univ. La Rochelle, France und Univ. Libre de Bruxelles 3

4 Betontechnologie: mit Steinkohlenflugasche XC1 (trocken oder ständig nass), XC2: Klinker [kg/m 3 ] CEM II/B-V: 240 kg/m Praxisgerechte Betone: Flugaschereicher Beton*: 50% SFA, w/b = 0, Younsi et al.**: 50% SFA 183 RedCarb-Beton***: 74% SFA, w/b=0, * cbm TU München ** Univ. La Rochelle, France und Univ. Libre de Bruxelles *** TU Clausthal, TU Braunschweig, Univ. Hannover 4

5 Betontechnologie: mit Kalksteinmehl XC1, XC2: Klinker [kg/m 3 ] CEM II/B-LL: 240 kg/m Praxisgerechte Betone: bis zu 50% KSM*: z.b. b=320 kg /m 3, w/b= Ökobeton**: 66% KSM 150 RedCarb-Beton***: 78% KSM, w/b= Grundlagen: klinkerarme KSM-Betone <100? * VDZ, TU Darmstadt, Spenner Zement GmbH & Co. KG ** TU Darmstadt ***TU Clausthal, TU Braunschweig, Univ. Hannover 5

6 Klinkerarme Betone (<100 kg/m 3 ) mit kalksteinmehlreichem Bindemittel: überschreiten die Grenzen der Regelwerke. können nicht mit der herkömmlichen Betontechnologie hergestellt werden. können nur durch Kenntnis und Anwendung der chemischen und physikalischen Mechanismen der Gefügebildung entwickelt werden. 6

7 Physikalische Effekte beim Ersatz von CEM I durch KSM Verdünnungseffekt Erhöhung des w/z-werts (z=cem I) Mörtel: Austausch von CEM I durch z.b. Quarzmehl* Keimbildung auf Partikeloberflächen Bildungsrate der CSH-Phasen Größenverteilungen der Partikel i) Frühfestigkeit (CEM I) / Keimbildung (KSM) ii) Packungsdichte der Partikel * M. Cyr, P. Lawrence, E. Ringot, Cem. Concr. Res., 36 (2006)

8 Gehalt [M-.%] Gehalt [M-.%] Chemische Effekte beim Ersatz von CEM I durch KSM Chemischer Umsatz von Calcit: Bildung von Monocarbonat und stabilem Ettringit Verdichtung des Gefüges Zementstein: CEM I: 11% C 3 A, 3% SO 3 Zementstein: CEM I: 15% C 3 A, 3% SO 3 Monosulfat Monosulfat Monocarbonat Monocarbonat Ettringit reagierter Calcit Ettringit reagierter Calcit 3,1 4,3 CEM I-Austausch mit CaCO 3 [M.-%] CEM I-Austausch mit CaCO 3 [M.-%] Vorteilhaft für dichtgepackte Bindemittel: Klinker mit hohen C 3 A-Gehalt bzw. aluminiumhaltige Zusatzstoffe 8

9 Vorgehensweise am cbm Ausgangsstoffe unterteilte Kornfraktionen CEM I (12% C 3 A) Kalksteinmehl (>95% CaCO 3 ) Flugasche (aluminiumhaltig) Quarzmehl (inert) Untersuchung der Kornfraktionen: XRD (mineralogische Zusammensetzung) ICP-OES (chem. Zusammensetzung) Lasergranulometrie (Partikelgrößen) He-Pyknometrie (Reindichte) Nass- Proctorversuch (min. Hohlraumgehalt / max. Packungsdichte) d 50 = 2; 3; 5; 8; 12; 35; 50 µm 9

10 Packen der KSM-Kornfraktionen KSM-Kornfraktionen optimales KSM-Korngemisch Untersuchung der Korngemische: Nass- Proctorversuch (min. Hohlraumgehalt) Berechnung des min. Hohlraumgehalts nach de Larrard Hohlraum z.b. 35 Vol.-% Ergebnis: KSM-Korngemische mit geringem Hohlraumgehalt 10

11 Austausch von KSM- durch CEM I-Kornfraktionen optimales KSM-Korngemisch Austausch von KSM durch CEM I Untersuchungen: w/z = 0,40; 0,45; 0,50 Nass- Proctorversuch w = Hohlraumvolumen Berechnung des Hohlraumgehalts CEM I in verschiedenen Kornfraktionen Ergebnis: dichtgepackte KSM/CEM I-Leime 11

12 KSM/CEM I-Leime Untersuchungen Minislump (Fließfähigkeit) rheologische Kennwerte (Viskosität, Fließgrenze) Wärmeflusskalorimetrie (Frühhydratation) Biegezug- und Druckfestigkeit im Alter von 2, 7, 28 und 90 d XRD (Phasen) Quecksilberdruckporosimetrie (Porosität und Porenverteilung) Mischungen Partikelgrößenfraktionen Austauschraten von CEM I durch KSM Eigenschaften Festigkeitsentwicklung Zusammenhänge Porengefüge Phasenbildung Ergebnis: KSM/CEM I-Leime mit geringem CEM I-Gehalt sowie guten rheologischen Eigenschaften und Festigkeitsentwicklung 12

13 Austausch von CEM I- durch SFA-Kornfraktionen optimaler KSM/CEM I-Leim Austausch von CEM I durch SFA Zweck: Verringerung von CEM I Umsatz von Kalksteinmehl Gefügeverdichtung durch puzzolanische Reaktion Austauschrate bis 30 M.-% SFA in verschiedenen Kornfraktionen Ergebnis: KSM/CEM I/SFA-Leime mit geringem CEM I-Gehalt 13

14 Austausch von KSM bzw. SFA durch QM-Kornfraktionen KSM/CEM I/SFA-Leim Austausch von KSM durch QM bzw. Vergleich der Eigenschaften: Reaktivität von KSM Einfluss von Al-Gehalt puzzolanische Reaktivität von SFA CSH-Keimbildung 14

15 Festigkeit (ohne Verdünnungseffekt) KSM/CEM I/SFA-Bindemittel Packungsdichte Flugasche: puzzolanischer Effekt Quarzmehl (inert) Kalksteinmehl: chemischer Effekt Wasser CEM I Austauschrate von CEM I [%] Quarz Wasser/CEM I = konstant 15

16 Entwicklung von Klinkerarmen KSM-Betonen - Überblick 1) KSM/CEM I/SFA-Bindemittel mit geringem CEM I-Gehalt Mechanismen: Packung der Partikel chemischer Umsatz von KSM Keimbildung auf Oberflächen 2) KSM/CEM I/SFA-Mörtel Eigenschaften: Verarbeitbarkeit 3) KSM/CEM I/SFA-Beton i) Vorschläge für die Anwendung ii) Strategien für die Dauerhaftigkeit Festigkeitsentwicklung Porengefüge Phasen 16

17 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 17