An der Fachhochschule Dortmund im Fachbereich Architektur erstellte Diplomarbeit. Daniel Horn, geboren am Betreuer: Prof. Armin D.

Transkript

1 Weißer Ultra-Hochfester Beton Entwicklung und Optimierung einer Feinkornmischung für den Einsatz in der modernen Hochbau-Architektur An der Fachhochschule Dortmund im Fachbereich Architektur erstellte Diplomarbeit, geboren am Betreuer: Prof. Armin D. Rogall Dortmund, den Fachhochschule Dortmund University of Applied Sciences and Arts Fachbereich Architektur Wilhelm Dyckerhoff Institut für Baustoffprüfungen in Wiesbaden

2 Vorwort/Danksagung Diese Diplomarbeit entstand in freundlicher Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Architektur und dem Wilhelm Dyckerhoff Institut für Baustofftechnologie in Wiesbaden. Meine Diplomarbeit zu diesem komplexen Forschungsgebiet der Betontechnologie an einem so innovativen und technisch gut ausgestatteten Institut schreiben zu dürfen, war für mich als Student der Fachhochschule Dortmund eine große Herausforderung. Herrn Prof. Armin D. Rogall danke ich für die Anregungen bei der Ausarbeitung dieses anspruchsvollen und interessanten Themas und die Unterstützung während meiner Arbeit. Ebenso bedanke ich mich bei meinem Betreuer im WDI, Herrn Dr. C. Geisenhanslüke für seine sachkundige Unterstützung und stete Diskussionsbereitschaft sowie sein reges Interesse an diesem Thema. Den Mitarbeitern des gesamten Wilhelm Dyckerhoff Instituts und der Fachhochschule Dortmund möchte ich wegen ihrer tatkräftigen Hilfe während meiner praktischen Tätigkeiten ebenfalls meinen Dank aussprechen. Abschließend möchte ich meiner Familie, die mir das Studium an der Fachhochschule in Dortmund ermöglicht hat, sowie meiner Lebensgefährtin und meinem Freundeskreis für die moralische Unterstützung und das entgegengebrachte Verständnis danken. - II -

3 Kurzfassung Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Weiterntwicklung und Umsetzung von Ultra-Hochfesten Betonen in der Architektur und trägt den Titel: Weißer Ultra- Hochfester Beton - Entwicklung und Optimierung einer Feinkornmischung für den Einsatz in der modernen Hochbau-Architektur. In freundlicher Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Architektur der Fachhochschule Dortmund und dem Wilhelm Dyckerhoff Institut in Wiesbaden entstand so eine duale Forschungsarbeit die zum einen die Entwicklung eines Ultra-Hochfesten Betons mit Weißzement als Bindemittel und zum anderen die Erarbeitung von Einsatzmöglichkeiten und Umsetzung die Erkenntnisse in einem exemplarischen Bauteils zum Ziel hatte. Teil A beinhaltet die Grundlagen der Betontechnologie mit Definitionen und Beschreibungen der Begrifflichkeiten und Komponenten, die Erarbeitung und Festlegungen der Ausgangsstoffe sowie eine detaillierte Beschreibung der Versuchsdurchführungen und Ergebnisse. In Teil B wird die Möglichkeit eines Praxiseinsatzes von weißem UHPC in der modernen Hochbau-Architektur auf Grundlage bereits bestehender Aspekte untersucht. Ziel dieses Abschnittes ist die Herstellung eines übergeordneten Zusammenhangs zwischen Baustofftechnologie und Architektur sowie die Verdeutlichung der Werthaltigkeit dieser Weiterentwicklung für die Bautechnik. Abschließend erfolgt die exemplarische Umsetzung und Modifizierung eines Fassaden- und Tragelementes in Betonfertigteilbauweise. - III -

4 Inhaltsverzeichnis VORWORT/DANKSAGUNG...II KURZFASSUNG...III 0 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG DER ARBEIT...7 A BETONTECHNOLOGIE GRUNDLAGEN DER BETONTECHNOLOGIE BETON/UHPC...8 NORMALBETON...9 ULTRA-HOCHFESTER BETON (UHPC)...11 GESCHICHTE DES BETONS...14 DIE ENTWICKLUNG ULTRA-HOCHFESTER SPEZIALBETONE BETONEIGENSCHAFTEN...17 KONSISTENZ...17 WASSERZEMENTWERT...17 FRISCHBETONTEMPERATUR...19 FESTIGKEIT...20 SCHWINDEN AUSGANGSSTOFFE ZEMENT GESTEINSKÖRNUNG ZUSATZMITTEL...26 FLIEßMITTEL ZUSATZSTOFFE...28 FASERN...28 GESTEINSMEHL LABORVERSUCHE MIT UHPC VERSUCHSPLANUNG/VERSUCHSPROGRAMM EINGESETZTE AUSGANGSSTOFFE ZEMENT IV -

5 2.2.2 GESTEINKÖRNUNG FLIEßMITTEL FASERN GESTEINSMEHL BETON- UND MÖRTELPRÜFUNGEN...47 BETONZUSAMMENSETZUNG...47 ANMISCHEN VON FRISCHBETON...50 HERSTELLUNG UND LAGERUNG VON PROBEKÖRPERN KONSISTENZ MÖRTEL-/BETONTEMPERATUR PRISMEN-/WÜRFELDRUCKFESTIGKEIT BIEGEZUGFESTIGKEIT SCHWINDMAß AUSWERTUNG/ERGEBNISSE...64 ZUSAMMENSETZUNG...64 ZEMENT...65 GESTEINSKÖRNUNG...65 ZUSATZSTOFFE...66 FASERN...66 GESTEINSMEHL...68 ZUSATZMITTEL...69 FLIEßMITTEL...69 AUSWERTUNG BETONEIGENSCHAFTEN...69 FRISCHBETONTEMPERATUR...71 KONSISTENZ...72 DRUCKFESTIGKEIT...73 BIEGEZUGFESTIGKEIT...76 SCHWINDMAß ZUSAMMENFASSUNG BETONTECHNOLOGIE...81 B ENTWICKLUNGEN VON WEIßEM ULTRA-HOCHFESTEM BETON IN DER ARCHITEKTUR ANWENDUNGSBEISPIELE FÜR WEIßEN UHPC IN DER MODERNEN HOCHBAU- ARCHITEKTUR...85 ARCHITEKTURBETON...85 AKTUELLER STAND UND AUSBLICK DER ANWENDUNGSENTWICKLUNG VON UHPC TRAGENDE AUßENWÄNDE V -

6 5.2 BODEN UND DECKE ARCHITEKTURFASSADEN UND BETONOBERFLÄCHEN TREPPEN INNENWÄNDE UND RAUMMÖBEL WIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE ORNAMENT, MÖBEL UND SKULPTUR BETONFERTIGTEILE ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG EINER FASSADEN-/TRAGKONSTRUKTION AUS UHPC BETONBAU DÄMMSTOFFTECHNIK BEFESTIGUNGSTECHNIK UMSETZUNG UND VISUALISIERUNG ZUSAMMENFASSUNG/RESÜMEE TEIL B VERZEICHNISSE QUELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS NORMENVERZEICHNIS VI -

7 0 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit Die vorliegende Diplomarbeit bildet den Abschluss meiner Ausbildung zum Dipl.- Ing. (FH) im Diplomstudiengang Architektur der Fachhochschule Dortmund. Die Erkenntnisse und die gewonnenen Erfahrungswerte der vorliegenden Arbeit mit dem Thema Weißer Ultra-Hochfester Beton Entwicklung und Optimierung einer Feinkornmischung für den Einsatz in der modernen Hochbau-Architektur sollen dazu beitragen, dass einer der wichtigsten modernen Baustoffe, der Beton, trotz seiner jahrtausende alten Geschichte einen weiteren Entwicklungsschritt erfährt. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Verbesserung der Frisch- und Festbetoneigenschaften, die wie in Teil A beschrieben durch die Erarbeitung theoretischer Grundlagen und anschließender Umsetzung und Auswertung in verschiedenen Versuchreihen mit weißem Ultra-Hochfestem Beton (UHPC) analysiert wurden. Im anschließenden Teil B folgte die Beschreibung und Eröffnung neuer und bereits bestehender Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten in der Architektur sowie die exemplarische Entwicklung eines modifizierten Betonbauteils unter Verwendung der im betontechnologischen Teil erarbeiteten Materialien. Diese duale Betrachtungsweise moderner Hochleistungsbetone sowohl aus Sicht der Entwickler, die in den letzten Jahrzehnten ernorme Forschritte im Bereich der Betontechnologie und der Entwicklung von neuartigen Verbundwerkstoffen verbuchen können, als auch der Architekten und Planer, deren Kreativität und Anforderungen stetig wachsen, bietet ein enormes Potenzial bei zukünftigen Projekten und Entwicklungen

8 A Betontechnologie 1 Grundlagen der Betontechnologie In diesem Kapitel erfolgt die Einführung in die Betontechnologie mit grundlegenden Definitionen, die Begriffsbestimmungen der wichtigsten Betoneigenschaften sowie eine detaillierte Übersicht über die Inhaltsstoffe moderner Betone. Vervollständigt werden diese Informationen mit einem kurzen Exkurs zur Geschichte und Entwicklung von Beton bzw. UHPC

9 B Entwicklungen von weißem Ultra-Hochfestem Beton in der Architektur In Abschnitt B dieser Ausarbeitung folgt nun nach kurzer Einleitung ein Überblick über bereits bestehende bzw. vorstellbare Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten für Ultra-Hochfesten Beton mit besonderem Augenmerk auf die in Teil A entwickelte und modifizierte UHPC-Feinkornmischung mit Weißzement. Zur Unterstützung dieser Ausführungen werden in den jeweiligen Kapiteln bereits umgesetzte bzw. zukunftsorientierte Referenzobjekte visualisiert. Abschließend erfolgt die exemplarische Umsetzung einer modifizierten Fassadenkonstruktion in Sandwichbauweise als Betonfertigteil mit entsprechender Darstellung und kurzer Erläuterung der optimierten Einheiten. Die Ausführungen in diesem Abschnitt erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, sondern sollen vielmehr den architektonischen Bezug im Bereich Hochbau herstellen und lediglich einen Überblick über die Vielseitigkeit von weißem Ultra-Hochfestem Beton liefern

10 5 Anwendungsbeispiele für weißen UHPC in der modernen Hochbau- Architektur Architekturbeton Der Begriff Architekturbeton beinhaltet die Ausführungen, die eine besondere Oberfläche, Form und Farbe in Kombination mit speziellen Materialeigenschaften und Funktionen zum Ziel haben. Die so gewünschte Qualität einer Entwurfsidee und Umsetzung einer Konstruktion kann nur durch möglichst wenig Zwänge und möglichst optimierte Lösungen gewährleistet werden. In diesem Bereich setzt Ultra-Hochfester Beton wie bereits verdeutlicht eine Weiterentwicklung der Normalfesten und Hochfesten Betone, doch leider befindet sich die Entwicklung und vor allem die Umsetzung in der Architektur noch weitestgehend im Forschungsstadium. [26] Aktueller Stand und Ausblick der Anwendungsentwicklung von UHPC UHPC wird momentan hauptsächlich für rein konstruktive Anwendungen verwendet. So wurden im Ausland in den letzten zwei Jahrzehnten einige großtechnische Projekte im Bereich von Brückenbauwerken umgesetzt. Für ein in Deutschland realisiertes Projekt ist die Gärtnerplatzbrücke in Kassel zu nennen. Durch ständige Forschung und Weiterentwicklung des Baustoffes entstand dabei ein marktfähiges Produkt mit Druckfestigkeiten von 180 bis 230 N/mm² und Biegezugfestigkeiten von 30 bis 50 N/mm². Weitere Anwendung in der Praxis finden Ultra-Hochfeste Betone bei Hochhäusern, in der Fertigteilindustrie, bei Offshore-Anlagen und Windrädern, sowie als idealer Baustoff für Rohrleitungen, Beschichtungen oder sonstige umweltschutzrelevanten Bauwerke. Jedoch gehen die Entwicklungen von UHPC trotz seiner unbeschränkten konstruktiven Fähigkeiten auch in Richtung des experimentellen Umgangs mit dem Baustoff. Das Spektrum reicht sicherlich von hybriden Möbel- und Designobjekten bis zur Optimierung der Serienfertigung im Betobfertigteilbau. Dann aufgrund seiner thermischen Speicherkapazität und seiner langen

11 Lebensdauer ist Beton ein energieeffizienter und nachhaltiger Baustoff und nimmt eine herausragende Stellung in der Bauwirtschaft ein. So ergeben sich weitere spannende Einsatzgebiete wie Sichtbetonoberflächen und modifizierte Treppenund Tragkonstruktionen sowie mögliche Anwendungen als Vergussmörtel, Verbundbauteil oder für Krafteinleitungsbereiche. Entwurfskonzept Aufgrund der komplexen Betrachtungsweise des Baustoffes Beton und der unzähligen Anwendungsformen beschränkt sich die nachfolgende Analyse auf Anwendungsgebiete im konventionellen Hochbau. Zur Unterstützung dieser Thesen wurden Piktogramme entwickelt. Diese verdeutlichen außerdem die universelle Einsetzbarkeit von UHPC ohne sich auf eine bestimmte Gebäudetypologie oder Nutzung festzulegen (Abb. 5-1). Abb. 5-1: Exemplarisches Piktogramm Anwendungsgebiet

12 6 Entwicklung und Optimierung einer Fassaden-/Tragkonstruktion aus UHPC Im folgenden 6. Kapitel werden nun die beschrieben Anwendungen und Eigenschaften exemplarisch an der Modifizierung und Konstruktion einer Sandwichfassadentafel in Betonfertigeilbauweise vertief und entsprechend visualisiert. Durch die Entwicklung innovativer Produktionstechniken und die Verwendung hochwertiger Betone kann schon heute die Herstellung von Betonfertigteilen in höchster Qualität ermöglicht werden. Insbesondere durch neue Oberflächenbehandlungen sowie Struktur- und Farbgebungen lassen sich architektonisch anspruchsvolle Fassaden mit Fertigteilen wirtschaftlich planen und ausführen. Aus diesen Gründen ist davon auszugehen, dass die Betonfertigteile im allgemeinen Sinne auch in Zukunft nicht an Bedeutung verlieren werden. Allerdings werden die Ansprüche und Anforderungen an moderne Bauwerke in allen Bereichen eines Bauteils immer komplexer. Hierfür sind Verbesserungen der Gesamtstruktur vor allem im Bereich des Tragwerks, der bauphysikalischen Eigenschaften, der Befestigungstechnik und der Gesamtwirtschaftlichkeit nötig. So ist z. B. unter dem Aspekt der Energieeffizients und Energieerzeugung festzustellen, dass die Kosten für Energie aus etablierten Ressourcen weiter steigen werden und somit ein wirtschaftlicher Umgang mit den zur Verfügung stehenden Materialien und Techniken unumgänglich und erstrebenswert ist. Die Kombination all dieser Aspekte lassen sich sehr gut an der Sandwichfassade verdeutlichen. Einsatzgebiete solcher Betonfertigteile reichen von Einfamilienhäusern bis hin zum komplexen Verwaltungs- oder Industriebauwerk und vereinen trotzdem komplexe Anforderungen an Brandschutz, Schall- und Feuchteschutz, Korrosionsschutz sowie die Standsicherheit. Durch den Einsatz verschiedener neuer Technologien speziell im Bereich der Betontechnologie und der Wärmedämmung lassen sich auf diese Weise noch schlankere Wände konstruieren. Das monolithische Betonbauteil, insbesondere im Vergleich zum Mauerwerk oder den herkömmlichen Bauweisen, weist eine bemerkenswerte Verbesserung auf

13 6.4 Umsetzung und Visualisierung Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich) Perspektivische Darstellung

14 Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich) Anischt / Draufsicht / Schnitt M 1:

15 Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich) Modellfotos

16 Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert) Perspektivische Darstellung

17 Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert) Anischt / Draufsicht / Schnitt M 1:

18 Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert) Modellfotos