Hochfeste Bindemittel und Zuschlagstoffe. der militärischen Sonderinfrastruktur

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1 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Hochfeste Bindemittel und Zuschlagstoffe für hochfeste Betone unterschiedlicher Güte für Schutzanlagen der militärischen Sonderinfrastruktur Dipl.-Ing. Andrea Kustermann Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser Prof. Dr.-Ing. R. K. Zimbelmann Dr.-Ing. Rainer Grimm Heft

2 Herausgeber: Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München Werner-Heisenberg-Weg Neubiberg Telefon 089/ Fax 089/ ISSN

3 Kurzfassung Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Betonmischungen mit hohem Widerstand gegen Projektilbelastung. Dieses Ziel sollte durch Variationen der Betonrezeptur erreicht werden. Die untersuchten Parameter waren Bindemittelleimmenge, Faserarten, Zuschlagmaterialien, sowie Variationen der Sieblinie. Zur Erhöhung der Zementsteinfestigkeit wurden unterschiedliche als geeignet erscheinende Zusatzstoffe, wie Flugasche, Silikastaub, Glasmehl, Bauxitmehl, Quarzsand, Kalksteinmehl, Kaolin und Metakaolin in verschiedenen Anteilen und verschiedensten Kombinationen eingesetzt. Für die Beschussversuche wurden Platten mit Abmessungen 50 cm x 50 cm unterschiedlicher Dicken verwendet und aus Entfernungen von 25, 50 bzw. 100 m mit dem Scharfschützengewehr Dragunov und dem Gewehr G3 beschossen. Weitere Untersuchungen wurden an Plattenkombinationen durchgeführt, bei denen die verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt wurden. Abstract The research project was focussed on the development of concrete mixtures yielding a high resistance against projectile impact. This was accomplished by varying the concrete mix design. The investiogated parameters were the binder content, the type of fibers added, the aggregate type and the grading of the aggregate. In order to raise the strength of the concretes matrix additives like fly ash, silica fume, ground glass, ground bauxite, quartzite sand, ground limestone and kaolin in different portions and combinations were investigated. For the penetration tests panels with a cross section of 50 cm by 50 cm and different thickness were used. These panels were loaded by projectiles from distances of 25 m, 50 m and 100 m using the sniper gun Dragunov and the German G3. Further investigations were made with panel combinations consisting of two or three layers with different properties. Dieser Forschungsbericht umfasst 134 Seiten und 18 Seiten Anhang. Dieser Forschungsbericht ist während meiner Zeit als wiss. Mitarbeiterin am Institut für Werkstoffe des Bauwesens entstanden. Das Projekt wurde gefördert von der Wehrtechnischen Dienststelle 52 in Oberjettenberg. Andrea Kustermann Neubiberg, Oktober 2001

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5 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr, München I 1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Belastung durch Projektile Stand des Wissens 3.1 Arten dynamischer Belastung 3.2 Testmethoden zur Simulation des Impacts Belastung durch Projektile 3.3 Reaktion des belasteten Materials Art der Lastabtragung 4 Hochfeste Zuschlagstoffe Stand des Wissens 4.1 Arten und Stoffeigenschaften Hochfester Zuschlagstoffe 4.2 Bisherige Einsatzgebiete; Parallelen zur Beschussbelastung 4.3 Glas und Altglas als Zuschlag 5 Hochfeste Bindemittel Stand des Wissens 5.1 Bindemittel im Beton 5.2 Zusatzstoffe Arten und Wirkungsweisen Flugasche Mikrosilika Quarzsand Glasmehl Bauxit Kaolin Metakaolin Gesteinsmehle 6 Hochleistungsbeton - Faserbeton 6.1 Hochleistungsbeton Stand des Wissens Einsatzgebiete von Hochleistungsbeton Werkstoffeigenschaften von Hochleistungsbeton 6.2 Faserbeton Stand des Wissens Fasern Einsatzgebiete von Faserbeton Werkstoffeigenschaften von Faserbeton 6.3 Materialverhalten von hochfestem Beton unter dynamischer und statischer Belastung 6.4 Mischungsentwürfe für Hochleistungsbetone aus der Praxis 7 Experimentelle Untersuchungen 7.1 Ausgangsstoffe 7.2 Herstellung 7.3 Versuchsaufbau 7.4 Versuchsdurchführung 7.5 Vergleich Beschussbelastung durch Dragunov und G Zielsetzung Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand 7.6 Einfluss des Alters der Beschussplatten 7.7 Einfluss des Beschussabstands 8 Versuche und Auswertung im Hinblick auf die Werkstoffentwicklung 8.1 Einfluß des Größtkorns auf den Beschusswiderstand Zielsetzung und Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand Einfluss des Größtkorndurchmessers Auswertung der Versuchsergebnisse

6 II 8.2 Einfluss der Bindemittelmenge auf den Beschusswiderstand Zielsetzung und Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand Auswertung der Versuche zum Bindemitteleinfluss 8.3 Einfluss der Fasern auf den Beschusswiderstand Zielsetzung und Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand Auswertung 8.4 Einfluss der Zuschlagarten auf den Beschusswiderstand Zielsetzung und Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand Auswertung der Ergebnisse zu den Versuchen zum Zuschlageinfluß 8.5 Einfluß der Sieblinie auf den Beschusswiderstand Zielsetzung und Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Ergebnisse der Versuche zum Beschusswiderstand Auswertung der Versuche zur Sieblinienvariation 8.6 Bindemittelentwicklung Zielsetzung und Versuchsprogramm Verwendete Zusatz- und Ausgangsstoffe Frischmörtelkennwerte Festmörtelkennwerte Auswertung der Mörtelversuche 8.7 Umsetzung der Mörtelergebnisse in Betonmischungen Versuchsprogramm Frischbetonkennwerte Festbetonkennwerte Auswertung der Bindemittel und Betonversuche 9 Einfluß der Plattendicke auf den Beschusswiderstand 10 Plattenkombinationen Zielsetzung Versuchsanordnung und Ergebnisse Auswertung und Ausblick 11 Zusammenfassung 12 Ausblick

7 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 1 1 Einleitung Da sich durch die politische Entwicklung die Aufgabenspektren der Bundeswehr gewandelt haben, wird der Einsatz von militärischen Einheiten in anderen Ländern zu deren innerer Stabilisierung und für humanitäre Zwecke als wichtige zukünftige Aufgabe erkannt. Es ist erforderlich, dass die in jene Länder gesandte Truppen vor Heckenschützen und terroristischen Anschlägen geschützt werden. Dabei sollen die Schutzeinrichtungen möglichst kostengünstig und einfach herstellbar sein. Vor diesem Hintergrund wurde uns durch die Wehrtechnische Dienststelle 52 (WTD 52) bzw. dem Bundesministerium für Verteidigung der Auftrag zu dieser Studie erteilt. Ziel unserer Untersuchungen ist, möglichst dünne, leicht zu transportierende und leicht zu montierende Schutzelemente zu entwickeln. Hochfester Beton (HFB) erscheint ein besonders guter Baustoff für diese Anwendung zu sein. Hochfester Beton, der im zivilen Ingenieurbereich schon ca. 15 Jahre verwendet wird, soll in den hier beschriebenen Untersuchungen für diese Schutzfunktion in seiner Zusammensetzung variiert und optimiert werden. 2 Problemstellung und Zielsetzung Ausgehend vom abschließenden Forschungsbericht vom Juni 1997 des Instituts für Werkstoffe des Bauwesens über die Entwicklung eines hochfesten Betons für Schutzbauten mit hohem Beschusswiderstand sollen die dort gewonnenen Erkenntnisse im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erweitert werden. Aufgabe und Ziel des laufenden Forschungsvorhabens ist die Festigkeitssteigerung des Zementsteins mit der Steigerung der Betonfestigkeit und der Einbindung der Zuschläge in die Matrix sowie die Veränderung des Betons hinsichtlich der Zuschlagsmaterialien, der Fasern und deren Verteilung im Beton zur Erhöhung des Beschusswiderstands. Der hochfeste Beton soll für Schutzplatten verwendet werden, die ausreichenden Schutz gegen Beschuss bieten, möglichst preisgünstig in der Produktion sind sowie in der Herstellung und in der Handhabung wenig Aufwand erfordern. Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

8 2 3 Belastung durch Projektile Stand des Wissens 3.1 Dynamische Belastung Unter dynamischer Belastung versteht man im Gegensatz zu statischer Belastung eine zeitlich veränderliche Einwirkung auf ein Ziel. Ein Sonderfall der dynamischen Belastung ist die kurzzeitige Einwirkung, bei der die Belastung mit einer gewissen Geschwindigkeit auf das Ziel auftritt. Häufig handelt es sich dabei um eine räumlich eng begrenzte Auftrefffläche. Dynamische Belastung auf Ziele kann auf verschiedene Weisen erfolgen: Eine Teilflächenbelastung in Form eines Aufpralls (Impact) oder eine Sprengbelastung, die in freie Detonation und Kontaktdetonation unterschieden wird. Bei Lasten aus bewegten Straßenoder Schienenfahrzeugen, bei Turbinen oder sonstigen Maschinenlasten und bei Wind- und Brandungsbelastung wird ebenfalls von einer dynamischen Belastung gesprochen, die jedoch von längerer Einwirkungsdauer und deutlich niedrigerer Belastungsgeschwindigkeit sind [3.1, 3.2]. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird als normierte Einwirkung eine Beschussbelastung durch ein Hartmetallprojektil mit sehr hoher Geschwindigkeit zugrunde gelegt. Als Beschussabstand wurden vom Forschungsauftraggeber 50 m vorgegeben. Nach Aussagen von Experten bei den wehrtechnischen Dienststellen kann die Nutationsbewegung eines Geschosses nach einer Flugstrecke von 25 m als tolerierbar klein angesehen werden. Die Nutationsbewegung mit dem Anstellwinkel α klingt mit der zunehmenden Entfernung vom Abschußort ab und das rotierende Geschoß wird mit zunehmendem Abklingen des Winkels α als stabil angesehen [3.3]. 3.2 Testmethoden zur Simulation des Impacts - Belastung durch Projektile Zur Simulation des dynamische Aufpralls (Impact) werden in der Literatur verschiedene Testmethoden im Labor verwendet. Ein Großteil der Laborversuche wird mit Fallgewichtsmaschinen durchgeführt. Diese Fallgewichte weisen eine Masse von bis zu 504 kg auf, die aus verschiedenen Höhen fallengelassen werden (bis zu 3,0 m), so dass sich damit Aufprallgeschwindigkeiten bis ca. 3 m/s ergeben [3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8].

9 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 3 In [3.9] und [3.10] sind Beschussversuche mit einem Gasgewehr bzw. einer Gaspistole beschrieben. In diesen Versuchen wurden Projektile mit einem Gewicht von 1500 g [3.9] und 165 g [3.10] aus Hartmetall auf Betonziele geschossen, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 250 m/s [3.10] bzw. bis zu 300 m/s [3.9] auftreffen. 3.3 Reaktion des belasteten Materials Art der Lastabtragung Beim Auftreffen eines Geschosses auf eine Betonplatte wird ein hoch komplexer Beanspruchungszustand erzeugt. Neben lokalen Beanspruchungen im unmittelbaren Auftreffbereich des Projektils wird auch der umliegende Beton statisch und insbesondere dynamisch beansprucht. Durch die hohe Geschwindigkeit eines auftreffenden Projektils auf der vergleichsweise geringen Fläche entsteht eine Druckwelle. Die den Probekörper durchlaufende Druckwelle wird am freien Ende reflektiert. Da am frei liegenden Rand keine Spannung herrscht, geht man in der Modellvorstellung davon aus, dass die reflektierte Zugwelle in der gleichen Geschwindigkeit zurückläuft, d.h. sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Eine Überlagerung stellt sich ein sobald die Druckwelle das freie Ende erreicht hat. [3.2, 3.11]. Die folgenden Bilder (Abbildung 3.1) zeigen die teilweise und vollständig reflektierte Zugwelle [3.2]: Abb.3.1: Idealisiertes Modell einer Wellenreflexion am freien Ende [3.2] Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

10 4 Abb.3.2: Sprödes (linke Spalte) und duktiles (rechte Spalte) Verhalten eines Baustoffs bei dynamischer Belastung durch ein Projektil [3.11]. Beton hat nach Eibl [3.2] unter Kurzzeitbelastung ein ausgeprägt nichtlineares Verformungsverhalten, da Beton hauptsächlich aus spröden Einzelkomponenten besteht. Vor allem in der Zugzone reagiert Beton spröde, die Zugfestigkeit ist niedrig. Es kommt beim Überschreiten dieser Zugfestigkeit zur Rissbildung [3.2], wobei auch im gerissenen Stadium Schubkräfte infolge der Verzahnung des gerissenen Betons übertragen werden können. Nach Zukas [3.11] lässt sich die Stoßbelastung (Impact) in drei Bereiche einteilen: Durch niedrige Geschwindigkeit verursachte Impact-Belastung (<250 m/s) zeigt sich ein strukturdynamisches Problem. Eine lokale Verformung oder Penetration sind eng verbunden mit einer totalen Verformung der Struktur. Belastung und Materialreaktion spielen sich in wenigen Millisekunden ab. Bei höheren Belastungsgeschwindigkeiten (0,5 2 km/s), was der diesem Forschungsvorhaben zugrundeliegenden Belastung entspricht, wird die Reaktion des Projektils im Vergleich zum Verhalten des Materials in einem schmalen Bereich (typischerweise 2-3mal dem Projektildurchmesser) zweitrangig. Die Belastung und die Materialreaktion spielen sich in wenigen Mikrosekunden ab. Eine Wellenbeschreibung des Phänomens liegt nahe. Haupteinflussgrößen sind Geschwindigkeit, Geometrie des Projektils und Materialzusammensetzung des Ziels.

11 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 5 Bei noch höheren Geschwindigkeiten (2-3 km/s) und >12 km/s kommt es zu solch hohen Drücken an der Auftreffstelle, dass es zur explosiven Verdampfung der aufeinander treffenden Materialien kommen kann. Die Beschuss- bzw. Impact-Belastung kann nach verschiedenen Gesichtspunkten wie Auftreffwinkel, Geometrie, Materialcharakteristika des Ziels und des Projektils und der Auftreffgeschwindigkeit charakterisiert werden. [3.11] Untenstehende Tabelle 3.1 zeigt eine Aufteilung nach der Auftreffgeschwindigkeit, den erzielten Effekt und der möglichen Methode der Belastung [3.11]. Tabelle 3.1: Materialreaktionen nach Impactbelastung [3.11]. Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

12 6 4 Hochfeste Zuschlagstoffe Stand des Wissens 4.1 Arten und Stoffeigenschaften hochfester Zuschlagstoffe Als geeignete Zuschlagstoffe zur Herstellung von hochfestem Beton eignen sich nach [4.1] v.a. gebrochener Basalt, Gabbro oder Granit. Ausgehend von der Druckfestigkeit können nach der DIN [4.2, 4.3] Basalt, Diorit und Gabbro, Quarzporphyr und Quarzit als hochfeste Zuschläge angesehen werden. Allerdings schwanken die angegebenen Werte stark, da bei natürlichen Gesteinen, je nach Lager, stets von einer unterschiedlichen Qualität ausgegangen werden muss. Basalt ist ein feinkörniges, geologisch junges Ergußgestein. Basalte sind sehr fest, haben keine Schichtflächen und sind sehr schwierig zu bearbeiten. Basalt besitzt einen rd. dreimal so großen Schleifwiderstand wie z. B. Kalkstein. Quarzit ist ein sehr fester, schwer zu bearbeitender quarzreicher Metamorphit aus Sandstein. Er weist einen rd. doppelt so großen Widerstand gegen Schleifen wie Kalkstein auf. Mit der Druckfestigkeit verhält es sich analog. Kalkstein ist ein weitverbreitetes Sedimentgestein, das hier aus dem Vorkommen der Münchener Schotterebene stammt. Es wird auch als Münchener Moränenkies bezeichnet. Korund besitzt eine wesentlich größere Härte als die o.g. anderen verwendeten Gesteinsarten. Auf der Mohs schen Härteskala liegt Korund bei Stufe 9, Quarzit bei Stufe 7, Basalt bei Stufe 6 und Kalk bei Stufe 4. [4.4.] 4.2 Bisherige Einsatzgebiete; Parallelen zur Beschussbelastung Beim hochfesten Beton nimmt der Zuschlag ausgehend von den hier verwendeten Rezepturen einen Volumenanteil von rd. 66% des gesamten Betonvolumens ein und hat infolgedessen einen erheblichen Anteil am Widerstandsvermögen des Betons. Um der konzentriert angreifenden Belastung durch ein Projektil möglichst großen Widerstand entgegensetzen zu können, sollte ein möglichst fester und zäher Zuschlag verwendet werden. Im Bereich des Straßenbaus werden Zuschläge verlangt, die einen besonders hohen Widerstand gegen Abrieb bieten und eine hohe Kornfestigkeit aufweisen [4.5]. Hier wird

13 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 7 häufig Basalt und Granit verwendet. Um den hohen Beanspruchungen an Straßenrändern gegen anfahrende Lastkraftwagen u. ä. gerecht zu werden, werden in diesem Bereich vielerorts Granitblöcke als Randsteine verwendet, da diese eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Am Rand von Kanälen und Dämmen und an Brückenpfeilern werden die Begrenzungen mit Platten aus Granit und Basalt sowie aus Beton - hergestellt mit diesen Zuschlägen angebracht, um den evtl. möglichen Anpralllasten zu widerstehen und das eigentliche Bauwerk zu schützen. Im Eisenbahnbau werden die Schotterbette, die ebenfalls dynamischen Belastungen beim Überfahren der darüberliegenden Gleise ausgesetzt sind, aus Granit oder Basalt hergestellt. 4.3 Glas und Altglas als Zuschlag Glas bzw. Altglas ist ein hochfestes Material, das aufgrund seiner Festigkeitseigenschaften gut als Betonzuschlag für hochfeste Betone geeignet erscheint. Glas weist mit 800 bis 1000 N/mm² eine sehr hohe Druckfestigkeit auf. Mit einem Elastizitätsmodul von N/mm² zeigt es sich als ein äußerst spröder Werkstoff. Durch die Kombination des sehr festen, aber spröden Werkstoffes Glas mit einer Einbettung in eine hochfeste Betonmatrix ist unter Projektilbelastung eine gute Widerstandswirkung zu erwarten. In Untersuchungen von Meyer [4.6] zeigte sich, dass die Druckfestigkeitswerte bei 100% Ersatz des Zuschlags durch Glas, dem sogenannte Glasbeton, vergleichbar hoch lagen wie bei einem Referenzbeton mit herkömmlichem Naturzuschlag. Die Vermutung, dass Beton mit Glasbruch als Zuschlag an der Kontaktzone eine geringere Festigkeit aufweist als Normalbeton, hat sich nach Meyer [4.6] nicht bestätigt. Durch Kleinmahlen des Glases auf eine Größe von 38µm und kleiner zeigen sich puzzolanische Eigenschaften des Glasmehls, die es als Zementersatz sinnvoll erscheinen lassen [4.6, 4.7]. Je feiner das Glas gemahlen wird, um so reaktiver wird es [4.7]. Bei der Zugabe von Glas in größeren Kornfraktionen kann sich eine Alkali-Silika Reaktion (ASR) einstellen. Nach Meyer [4.6] kommt es bei der Zugabe von Glas als Zuschlag, mit einer Korngröße kleiner als 600µm, zu keiner schädlichen Reaktion verursacht durch Alkali-Silika Reaktion (ASR). Die puzzolanische Reaktivität von Glas korreliert mit der Alkali-Silika Reaktivität. Je reaktiver das Glas bzgl. Alkali-Silika Reaktion ist, um so geringer ist die bedenkenlos zu verwendende Korngröße [4.7]. Nach [4.8] kann diese ASR durch einen 20%-igen Ersatz des Zements durch Metakaolin unterdrückt werden (siehe dazu auch Kap. 5.2) [4.8]. Durch Zugabe des Metakaolins Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

14 8 konnten bei Versuchen von Meyer [4.8] auch mit 100% Glas als Zuschlag Druckfestigkeitswerte um bis zu 26% über denen des Referenzbetons erzielt werden [4.8]. 4.4 Alkali-Silika Reaktion Zuschläge, die alkalilösliche Kieselsäure enthalten z.b. Oberrheinkies, Flint, etc., können in Gegenwart von Feuchtigkeit mit Alkalihydroxid in der Porenlösung des Betons reagieren. Zuschläge sind alkaliempfindlich, wenn sie bestimmte reaktionsfähige amorphe und wasserhaltige Modifikationen der Kieselsäure enthalten. Bei natürlichen Zuschlägen gilt Opal als am reaktionsfähigsten vor Obsidian, der auch als vulkanisches Glas bezeichnet wird. Zu diesen empfindlichen Zuschlägen zählt auch Glas, wie es in den hier beschriebenen Unersuchungen verwendet wurde. Diese Zuschläge können bei ausreichender Feuchtigkeit und Temperaturen zwischen 10 und 60 C mit einem Pessimum bei etwa 40 C eine Alkalireaktion im Beton hervorrufen, wenn ihre Anteile in den einzelnen Korngruppen bestimmte Grenzwerte überschreiten. [4.9] Im Feinstbereich werden die Alkalien gebunden und sind damit unschädlich. Im gröberen Sand- und im Kiesbereich bildet die Kieselsäure dagegen mit dem Alkalihydroxid eine zunächst klare, häufig hoch konzentrierte und dann dickflüssige Alkalisilikatlösung. Der Glaszuschlag kann erweichen oder in Lösung gehen. Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Reaktion zu einer Volumenvergrößerung, also zum Alkalitreiben führen. [4.9] Die Alkalireaktion verläuft sehr langsam und führt je nach Umweltbedingungen erst nach vielen Monaten oder Jahren zu Ausblühungen, Ausscheidungen, Auswachsen von Zuschlagkörnern, trichterförmigen Absprengungen, feinen, meist nicht tief reichenden, netzartigen oder strahlenförmigen Rissen und im Extremfall zur völligen Zerstörung. [4.9]

15 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 9 5 Hochfeste Bindemittel Stand des Wissens 5.1 Allgemeines Ein Bestandteil des Forschungsauftrags ist es, die Bindemittelzusammensetzung zu variieren und zu verbessern. Ziel ist es, eine möglichst gute und dichte Mörtelmatrix mit hochfesten, möglichst zähen Zuschlägen zu kombinieren. Allgemein soll deshalb erst einiges über den hochfesten Beton gesagt werden. Nach [5.1, 5.2] bilden drei wesentliche Erkenntnisse die Grundlage für die Technologie des hochfesten Betons: 1. Die Festigkeit des Betons wird grundlegend von der Festigkeit des Zementsteins und diese vom Wasser-Zement-Wert gesteuert. Bei normalfesten Betonen beträgt die Wasserzugabe in der Regel das 0,5 bis 0,7-fache der Zementmasse. Diese Relation wird bei hochfesten Betonen auf Werte zwischen 0,35 und 0,25 reduziert. Damit wird diesen Betonen weniger Wasser zugegeben als zur vollständigen Hydratation des Zementes notwendig ist (Wasser-Zement-Wert =0,4). Im Zementstein verbleibt also nahezu kein Überschußwasser, das die Bildung von Kapillarporen hervorrufen könnte. 2. Die Leistungsfähigkeit von Beton wird nachhaltig durch die Ausbildung der Grenzflächen (Kontaktzonen) zwischen Zuschlagskörnern und Zementsteingefüge bestimmt [5.3]. Die Kontaktzone bildet sich um jeden Zuschlagpartikel schon kurz nach dem Mischen des Betons infolge der Anlagerung eines Wasserfilms mit einer natürlichen Dicke von etwa 10 µm [5.4, 5.5]. Die Dicke des Wasserfilms kann nach [5.1] durch die Wirkung eines Wasserentspannungsmittels reduziert werden. Diese Kontaktzone kann durch die Reaktion des dort in großen Mengen angelagerten Calciumhydroxids Ca(OH) 2 mit einem puzzolanischen Stoff zu Calciumsilicathydraten (CSH) in ein dichtes, festes Gefüge überführt werden. 3. Durch die große Verfügbarkeit und die wirtschaftlichen Preise von industriellen Nebenprodukten mit puzzolanischen bzw. latent hydraulischen Eigenschaften, wie Flugaschen und Hochofenschlacken, kommen heutzutage diese mineralischen Zusatzstoffe in der Betontechnologie immer mehr zum Einsatz. Vereinfacht können mineralische Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

16 10 Zusatzstoffe einerseits durch ihr Verhalten in Wasser, Zement und Beton, andererseits durch ihre Herkunft unterschieden werden [5.6]: - Latent-hydraulisch bedeutet, dass in Gegenwart von Wasser und nach geeigneter Aktivierung über chemische Reaktionen ähnliche Hydratationsprodukte entstehen wie beim Portlandzement. Damit ergibt sich auch ein entsprechender Beitrag zur Festigkeitsentwicklung des Betons. Allerdings verläuft die Festigkeitsentwicklung i. A. langsamer als bei Portlandzement. Der wichtigste latent-hydraulische Stoff ist nach [5.6] die granulierte Hochofenschlacke (Hüttensand). - Puzzolanisch nennt man einen Zusatzstoff, wenn er in Gegenwart von Wasser mit Calciumhydroxid reagiert und dabei ebenfalls ähnliche Hydratationsprodukte wie beim Portlandzement mit entsprechender Festigkeitsentwicklung bildet. Diese Reaktion verläuft jedoch langsam und ist abhängig von der vorgängigen Hydratation des Portlandzementes, damit das hierzu notwendige Calciumhydroxid verfügbar wird. Zu den natürlichen Puzzolanen zählen Traß, Lavamehl und Phonolit. Das wichtigste künstliche Puzzolan ist nach [5.6] Filterstaub aus Kraftwerken, Flugasche genannt. - Die Bezeichnung inert besagt, dass der mineralische Zusatzstoff (beispielsweise Gesteinsmehle nach DIN 4226 [5.7]) nur wenig in den chemischen Hydratationsablauf einbezogen ist. Hingegen hat er, wie auch latent-hydraulische und puzzolanische Stoffe, durch seine Feinheit, seinen Kornaufbau und seine Kornform einen z. T. erheblichen Einfluß auf das Gesamtgefüge des Betons und damit ebenfalls auf dessen Festigkeit und Dichtigkeit [5.5]. Abb. 5.1: Dreistoffdiagramm nach Rankin Abbildung 5.1 zeigt die Lage verschiedener Bindemittel und anderer Stoffe im Dreistoff- Diagramm CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 nach Rankin.

17 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München Zusatzstoffe - Arten und Wirkungsweisen In den folgenden Abschnitten soll der Einfluß verschiedener Zusatzstoffe auf die Mörtel- bzw. Betoneigenschaften genauer untersucht werden. Einen Überblick über die chemischen Bestandteile, Korndurchmesser sowie die spezifische Oberfläche von Zement, Steinkohlenflugasche, Microsilica und Nanosilica gibt Tabelle 5.1: Tabelle 5.1: Vergleich ausgewählter Eigenschaften von Zement, Steinkohlenflugasche (SFA), Microsilica (MS) und Nanosilica (NS) [5.8]. Zement SFA MS NS chem. Bestandteile SiO Al 2 O 3 [M.-%] ,5...3,0 - Fe 2 O ,1...5,0 - CaO ,6...8,5 0,7...2,5 - Mittlere Partikelgröße [µm] ~ ~ ~0,1 ~0,015 Spez. Oberfläche [m²/g] 0,3...0,6 0,3...0, Unter dem Aspekt einer baustellengerechten Verarbeitbarkeit sind niedrige Wasserzementwerte nur mit Hilfe von leistungsfähigen Fließmitteln möglich. Dies sind besonders hochwirksame Betonverflüssiger auf Melaminharz- oder Ligninsulfonatbasis, die ein Entmischen des Betons bei fließfähiger Konsistenz verhindern [5.6]. Die Wirkungsdauer der Fließmittel ist zeitlich begrenzt; sie kann zwischen 15 und 45 Minuten nach Zumischen zum Beton liegen [5.6]. Bei Verwendung von Fließmitteln ist nach [5.9] die "Richtlinie für Beton mit Fließmitteln und für Fließbeton" des DAfStb [5.10] zu beachten Flugasche Flugaschen fallen als Rückstände bei der Verbrennung fein gemahlener Kohle an. Sie sind im Rauchgas enthalten und werden über Elektrofilter abgeschieden. Nach [5.6] spielt die Qualität der verwendeten Kohlen, die Art des Verbrennungsprozesses sowie der Abscheidungsprozeß der mit dem Verbrennungsgas in die Filter ausgetragenen Aschen eine entscheidende Rolle für die Qualität. Für den Einsatz als Betonzusatzstoff benötigen Flugaschen die Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik [5.11]. Seit ihrer bauaufsichtlichen Einführung 1996 gelten für Flugaschen die europäischen Stoff- und Prüfnormen. Zusätzlich wurde vom Deutschen Ausschuß für Stahlbeton die Richtlinie Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

18 12 "Verwendung von Flugasche nach DIN EN 450 im Betonbau" erarbeitet, in der die Anrechenbarkeit von Flugaschen auf den Zementgehalt und die Obergrenze des Wasser- Zement-Wertes geregelt wird. Die mittlere Partikelgröße von Steinkohlenflugaschen liegt im Bereich der Zemente (siehe Tabelle 5.1). Flugaschepartikel haben jedoch, anders als Zementkörner nach [5.12], eine kugelige Form, was sich auf die Verarbeitbarkeit des Frischbetons positiv auswirkt [5.12]. So kann nach [5.13] bei teilweisem Ersatz des Zementes durch Flugasche der Wasseranspruch des Betons reduziert, bzw. bei gleichbleibendem Wassergehalt die Konsistenz verbessert werden. Die Reaktionsfähigkeit der Flugaschen und die damit verbundene festigkeitssteigernde Wirkung im Festbeton ist einerseits auf die kleine Partikelgröße, andererseits auf die teilweise amorphe, d. h. glasige Struktur, zurückzuführen, die sich aufgrund der schnellen Abkühlung ausbildet. Der Glasanteil der Aschen ist von der Feuerungsart im Kohlekraftwerk abhängig. Deshalb wird zwischen Flugaschen aus Trockenfeuerungs- und Schmelzfeuerungsanlagen unterschieden [5.14]. Aufgrund der höheren Brenntemperatur haben Schmelzkammeraschen einen höheren Glasanteil als Aschen aus Trockenfeuerungsanlagen, und somit ist bei diesen auch eine höhere Reaktionsfähigkeit zu erwarten [5.14]. Dies kann jedoch nach [5.15, 5.16] nicht verallgemeinert werden. Nach [5.17] ist die physikalische Wirkung der Flugasche infolge Kornform und Korngrößenverteilung (unter 40 µm über 45 M-%, unter 20 µm zwischen 30 und 97 M-%) größer als die chemische Wirkung. Flugasche ist meist feiner als der gemahlene Portlandzementklinker und wirkt als Füller in den Zwickeln zwischen den Zement- und Zuschlagpartikeln [5.6]. In [5.3] wird durch Untersuchungen der Kontaktzone zwischen Flugaschepartikeln und Zementstein mittels Rasterelektronenmikroskop und Röntgenspektrometer gezeigt, "dass die Innenseite des nach Herauslösen eines Flugaschekornes entstandenen Hohlraumes die Chemie des Zementsteins widerspiegelte". In [5.1] dargestellte Untersuchungsergebnisse der Flugasche zeigen, dass die verwendete Flugasche in allen Fällen entgegen der Richtlinien dem Zement gleichwertig (k = 1) bei der Berechnung des Wasser-Bindemittel-Wertes (w/b - Wert) eingesetzt werden konnte. In Abbildung 5.2 wird die Festigkeitsentwicklung von Betonen mit Portlandzement (PZ) als alleinigem Bindemittel (Nullmischung), Betone mit PZ und Flugasche als Bindemittel und PZ und Inertstoff (Quarz) als Bindemittel dargestellt. Nach [5.6] beginnt die puzzolanische Reaktion erst nach einigen Tagen der Hydratation. Unterschiede in der

19 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 13 Festigkeitsentwicklung der verschiedenen Betone (Abbildung 5.2) sind meist erst nach 7 Tagen, oft erst nach 28 Tagen festzustellen [5.6]. Nach [5.17] beruht der Festigkeitszuwachs der Flugasche hauptsächlich auf der Füllerwirkung. Jedoch ist hier anzumerken, dass Untersuchungen am Institut für Werkstoffe des Bauwesens der Universität der Bundeswehr München [5.1] gezeigt haben, dass selbst bei einem Zementersatz von 30% durch Flugasche die Druckfestigkeit einer Mischung mit Zement als alleinigem Bindemittel nach 90 Tagen sicher erreicht bzw. deutlich überschritten wurde. Abb. 5.2: Entwicklung der puzzolanischen Reaktion, dargestellt durch den Festigkeitsverlauf [5.13] Mikrosilika Höhere Betonfestigkeiten werden durch Beimengung feinster puzzolanischer Zusatzstoffe erzielt; es wird daher bei der Herstellung von hochfesten Betonen alternativ zu Flugaschen Silicastaub zugegeben. Dieser fällt als Nebenprodukt bei der Herstellung von Silicium und Siliciumlegierungen während der Reaktion von Quarz und Kohle im Lichtbogen aus dem SiO-Dampf als oxidierter und kondensierter Flugstaub an [5.18]. Silicastaub wird als Pulver oder in wäßriger Suspension geliefert. In wäßrigem Zustand ist er einfacher zu dosieren und verteilt sich beim Mischen besser im Frischbeton. Die Silicapartikel (Partikelgröße von 0,05 bis 0,5µm) sind ca. 30 bis 100 mal kleiner als die Zementkörner. Diese sehr kleinen Silicapartikel sind in der Lage, die Räume zwischen den Zementkörnern (Zwickel) auszufüllen und somit die Packungsdichte in der Zementsteinmatrix wesentlich zu erhöhen. Nach [5.19, 5.15] beruht die festigkeitssteigernde Wirkung im Wesentlichen auf diesem Füllereffekt; die puzzolanische Reaktion hat trotz eines hohen Gehaltes an amorphem SiO 2 einen geringeren Anteil an der Festigkeitsentwicklung des Zements. Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

20 14 Eine weitere Eigenschaft ist die Verbesserung der Kontaktzone [5.4] zwischen Zementsteinmatrix und Zuschlag [5.8]. Wie bereits beschrieben hydratisiert der Zement unter Abspaltung von Calciumhydroxid und anfänglicher Bildung von Ettringit (Trisulfat 3 CaO Al 2 O 3 CaSO 4 32 H 2 O) [5.6]. Diese Reaktionsprodukte lagern sich vorzugsweise an den Oberflächen der Zuschläge an und verhindern somit den Kontakt zur Zementsteinmatrix. [5.8] Durch Zugabe von Silikatzusätzen werden das Calciumhydroxid und Ettringit in festigkeitsfördernde Endprodukte umgewandelt. Bei der Druckfestigkeitsprüfung kann das Ergebnis dieser Reaktion anhand der Bruchflächen, welche bei Betonen normaler Festigkeit überwiegend um die Zuschlagskörner herum verlaufen, genau beobachtet werden. Durch die Verbesserung der Kontaktzone, welche die Zugabe von Microsilica bewirkt, verändert sich dieses Bruchbild entscheidend: der Bruch verläuft nicht "um die Zuschlagskörner herum" sondern "durch Zuschlagskörner hindurch" [5.1]. Weiterhin verbessert sich nach [5.8] durch die Zugabe von Microsilica der Widerstand gegen das Eindringen von Flüssigkeiten, chemische Angriffe und mechanische Einwirkungen Quarzsand Quarz ist nach Feldspat das häufigste gesteinsbildende Mineral in der oberen Erdkruste und besteht nahezu vollständig aus Kieselsäure (SiO 2 ) [5.20]. Durch sein trigonales kristallines Gefüge ist er gegen chemische Angriffe sehr beständig und somit wenig reaktionsfähig [5.6]. Jedoch ist Kieselsäure nicht völlig inert. So können z. B. durch Feinmalen die Kristalle (siehe Abbildung 5.3) zerstört und somit zusätzliche Reaktionsflächen gebildet werden, wodurch die Reaktionsfähigkeit ansteigt. In Abbildung 5.3 sind zwei verschiedene Kristallformen der Quarze dargestellt. Die gewöhnliche Form entsteht bei Kristallisationstemperaturen unter 573 C, die Hochtemperaturmodifikation bei Kristallisationstemperaturen über 573 C. Aus Abbildung 5.2 wird ersichtlich, dass die puzzolanische Reaktion durch inerte Ersatzstoffe, die anstelle Zement in den Beton oder Mörtel eingebracht werden, einen wesentlich geringeren Anteil an der Festigkeitsentwicklung hat.

21 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 15 Abb. 5.3: Quarzkristalle - (A) Gewöhnliche Form, (B) Hochtemperaturmodifikation Nach [5.21] wurde neben Microsilica gemahlener Quarz für die Herstellung von Reactive Powder Concrete verwendet und so Druckfestigkeiten von 200 N/mm 2 bis 800 N/mm 2 erreicht. Weiterführende Untersuchungen in [5.22] zeigten, dass der gemahlene Quarz puzzolanische Eigenschaften aufwies Glasmehl Glas ist die Bezeichnung für eine Gruppe von Materialien, die nach [5.23] eines gemeinsam haben: Sie wurden bei hohen Temperaturen geschmolzen und in diesem Zustand zügig abgekühlt. Dabei haben die Atome keine Möglichkeit sich zu ordnen, sondern bleiben regellos verteilt. Dieser Zustand wird als amorph bezeichnet und ist typisch für Gläser aller Art [5.24]. Glas ist ein Sammelbegriff und sagt nichts über Zusammensetzung, Aussehen oder Nutzungsart aus. Nach [5.23] kann beispielsweise in Silicat-, Borat-, Phosphat-, Alumosilicat- und Bleigläser unterschieden werden. Für den Einsatz in Beton finden nach [5.23] meistens Silicatgläser Anwendung. Hierbei ist jedoch eine Eigenschaft besonders wichtig: Das Material muss laugenbeständig sein, da das bei der Zementhydratation gebildete Alkalihydroxid mit den Silicatgläsern reagieren und diese zerstören kann. Das bei der Hydratation von Zement hauptsächlich freigesetzte Calciumhydroxid Ca(OH) 2 reagiert mit Wasser und Silicatglas zu Calciumsilicathydrat (CSH), welches in Wasser schwerlöslich ist und eine Schicht um das Glaskorn bildet, die einen weiteren Angriff erschwert. Diese Reaktion verbessert nach [5.23] den Verbund zwischen Zuschlag und Zementmatrix. Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

22 16 Die Alkalihydroxide reagieren analog mit dem Silicatglas und Wasser zu Alkalisilicat, welches jedoch im Unterschied zu CSH gut wasserlöslich ist und bei Durchfeuchtung des Betons herausgewaschen werden kann. Hierdurch verschlechtert sich nach [5.23] der Verbund zwischen dem Glaszuschlagkorn und der Zementmatrix und das Glaskorn wird allmählich zerstört. Mit dem in der Luft enthaltenen Kohlendioxid reagieren die Alkalisilicate zu wasserlöslichen Alkalicarbonaten und Kieselsäure, die weiße Ablagerungen bilden (siehe dazu auch Kap. 4.3). Die beschriebenen Schadensreaktionen sind nach [5.23] sehr stark von der Feuchtigkeit und Temperatur abhängig und werden durch Erhöhung dieser Einflußfaktoren beschleunigt. Durch den Einsatz von alkaliresistenten Glassorten, die in [5.6] als AR-Glas bezeichnet und mit Zusatz von Zirkondioxid ZrO 2 hergestellt werden, kann die beschriebene Reaktionsbereitschaft des Glases reduziert werden. Ebenso kann der Zusatz von Metakaolin die ASR (4.3) unterbinden Bauxit Bauxit ist ein Sedimentgestein, ein Gemenge von Brauneisen, Tonmineralien, Quarz und besonders Aluminium-Hydroxiden (Al 2 O 3 2H 2 O) [5.24]. Entsprechend der Gesteinsart, aus der die Bauxite durch Verwitterung hervorgegangen sind, wird bei den Tonerdehydraten zwischen Silikatbauxiten und Kalkbauxiten unterschieden. Die chemische Zusammensetzung von Bauxiten schwankt zwischen folgenden Grenzen [5.24]: SiO % Al 2 O % Fe 2 O % H 2 O 12-40% Bauxit wird zu Herstellung von Tonerdeschmelzzement verwendet. [5.25] Kaolin Der Name Kaolinit stammt aus dem Chinesischen. Kao-Ling ist der Name eines Berges in Nordchina, an dem Ton zur Porzellanherstellung abgebaut wurde. In Europa wurde er als Porzellanerde bezeichnet. Mittlerweile wird der Name Kaolin dem Mineral- und Porzellanrohstoff zugeordnet, obwohl Kaolin selbst aus Kaolinit mit Beimengungen von Quarz und Feldspat besteht. Kaolinit ist das Hauptmineral der Kaolin-Gruppe, nach dem sie auch benannt wurde. In dieser Gruppe werden die Zweischichtminerale zusammengefasst.

23 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 17 Weitere Minerale dieser Gruppe sind Nakrit, Dickit, Halloysit und Fireclay. [5.26, 2.27, 5.28, 5.29] Eigenschaften Die Minerale der Kaolin-Gruppe bauen sich aus einer zweidimensionalen unendlichen Schicht von SiO 4 -Tetraedern und einer Schicht von Al(OH) 6 -Oktaedern auf (Abbildung 5.4). Beide Schichten sind durch Brückensauerstoff fest miteinander verbunden. Die chemische Formel des Kaolinits lautet [5.27]: Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ] Abb. 5.4: Grundstruktur des Kaolinits [5.30] Kaolin ist ein reinweißes bis graugelbes Pulver. Es ist in Wasser sowie in verdünnten Laugen und Säuren unlöslich. Es kann bis zu 130% Feuchtigkeit aufnehmen. Kaolin weist eine Korngröße von 0,2-1 µm auf und liegt damit im kolloidalen Bereich. [5.31, 5.28] Durch die Zementhydratation entstehendes Ca(OH) 2 bewirkt bei einem Ton eine Gerinnung der Tonsubstanz und eine Erhöhung der Scher- und Wasserfestigkeit. Durch die Reaktion eines Zementes mit der reaktionsfähigen Kieselsäure der Tonsubstanz wird eine puzzolanische Wirkung hervorgerufen. [5.32] Metakaolin Als Metakaolin wird das zwischen 500 und 800 C dehydrierte Kaolin bezeichnet. Bei etwa 400 C spalten sich die zwischen den Si- und Al-Atomen sitzenden OH-(Hydroxyl)-Gruppen Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

24 18 ab. Nach dem Austritt dieses Konstitutionswassers (ca. 12,6 M-%) bei C (Abbildung 5.6) ist zwar noch eine geringe Gitterordnung vorhanden, sie wird aber mit steigender Temperatur geringer. Infolge der instabilen Atombindungen, besonders zwischen Aluminium und Sauerstoff, ist Metakaolin in alkalischen Lösungen viel reaktionsfreudiger als Kaolin. Da aber das Wasser über die Hydroxyl-Gruppen aufgenommen wird, führt dies zu einer geringeren Wasseraufnahme des Metakaolins. [5.32, 5.27, 5.33, 5.34] Abb. 5.6: Wasserverlust des Kaolins zwischen 500 und 600 C [5.28] Herstellung Ein entscheidenender Punkt bei der Herstellung des Metakaolins ist das Einstellen der richtigen Temperatur beim kalzinieren. Diese liegt nach [5.35] zwischen 700 und 900 C und hängt von der mineralischen Zusammensetzung des Kaolins ab. Nach [5.33] liegen optimale Bedingungen vor, wenn man das Kaolin 6 Stunden lang bei einer Temperatur von 700 C aussetzt. Auch in [5.36] geht man von einer Temperatur von 700 C aus, ohne jedoch eine Zeitdauer anzugeben. Eigenschaften, Verwendung Die Idee, einen kalzinierten Ton mit Zement zu mischen, ist nach [5.35] und [5.37] wohl aus der Not heraus entstanden. In den 60er Jahren hat man für den Bau von Dämmen in einer abgelegenen Amazonasregion rund Tonnen örtlich vorkommenden Tons kalziniert und mit Portlandzement vermischt. So wollte man sich einen Teil der Transportkosten für den Portlandzement sparen. Später wurde hierzu berichtet, der kalzinierte Ton habe eine Schädigung durch Alkalitreiben verhindern können, obwohl alkaliempfindliche Zuschläge verwendet wurden. [5.35, 5.37] Ein großer Anteil an Langzeitschäden an Betonkonstruktionen entsteht nach [5.37] durch Alkalireaktion. Sie kann durch Zuschläge, welche alkalilösliche Kieselsäure enthalten, ausgelöst und z. B. durch Einwirkung einer Natriumchloridlösung beschleunigt werden. Die wesentlichen Bestandteile einer solchen Reaktion sind freies Ca 2+ und OH - sowie Alkalien

25 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 19 und Wasser. Die Alkalireaktion führt zu Ausblühungen, Auswachsen von Zuschlagkörnern, trichterförmigen Absprengungen oder netzartigen bzw. strahlenförmigen Rissen. Diese treibende Reaktion kann durch die Verwendung von Metakaolin begrenzt werden (Abbildung 5.7). [5.6, 5.35, 5.37] Abb. 5.7: Volumenvergrößerung einer Mischung ohne und einer mit 15%-igem Zementersatz durch Metakaolin, infolge Lagerung in einer gesättigten Natriumchloridlösung [5.37]. Die Einschränkung der Alkalireaktion wird durch die starken puzzolanischen Eigenschaften des Matakaolins (AS 2 ) hervorgerufen. Es reagiert schnell mit Calciumhydroxid (CH) zu Calciumaluminathydrat und Calciumsilikathydrat [5.35]. H 2 O AS 2 + CH C 2 AH 8 + CSH Dabei bindet 1 kg Metakaolin bis zu 1,25 kg Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ) (Tabelle 5.2). Da etwa 20% eines Portlandzements zu Ca(OH) 2 reagieren, benötigt man ca. 15 M.-% Metakaolin, um das Ca(OH) 2 zu binden und so ein mögliches Alkalitreiben zu verhindern [5.35, 5.38]. Tabelle 5.2: puzzolanische Reaktionsfähigkeit (Chapelle Test) [5.35, 5.39, 5.38] Material Puzzolanische Reaktivität (mg Calciumhydroxid pro g) kalzinierte Bauxite 534 Mikrosilica 427 Hüttensand 40 Flugasche 875 Metakaolin Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

26 20 Da Metakaolin das Calciumhydroxid bindet, verringert sich dementsprechend auch die Calciumhydroxid-Konzentration der Porenlösung des Zementsteins (Abbildung 5.8). Nach [5.6] begrenzt dies die Bildung sekundären Ettringits und erhöht durch die größere Betondichtigkeit den Diffusionswiderstand gegen Sulfationen [5.37, 5.6]. Nach [5.40] geht der relative Calciumhydroxidgehalt nicht wie in Abbildung 5.8 dargestellt, gegen Null. Hier sind nach einem Jahr, je nach Metakaolinzugabe, etwa 10% der Zementmasse als Calciumhydroxid vorhanden. Dagegen sind im Mörtel ohne Metakaolin etwa 18 M.-% Ca(OH) 2 vorhanden. Diese 10% Ca(OH) 2 entsprechen einem relativen Ca(OH) 2 -Gehalt von mehr als 50% [5.41]. Der ph-wert der Porenlösung nimmt durch die Metakaolinzugabe etwas ab. Nach [5.35] ging er bei einer Zugabe von bis zu 20% Metakaolin von 13,7 auf 13,3 zurück. Da ein im Beton befindlicher Stahl bei ph-werten über 12,5 nicht korrosionsgefährdet ist, führt dies nach [5.35] nicht zu Problemen. Abb. 5.8: Relativer Calciumhydroxidgehalt bei verschiedenen Mischungen ohne und mit Zementersatz durch Metakaolin [5.37]. Durch die Verwendung von Metakaolin wird die Zementsteinmatrix gestärkt. Da Metakaolin mit dem in der Kontaktzone angelagerten Calciumhydroxid zu Calciumsilikathydraten reagiert, verringert sich die Porosität und die Stärke der Kontaktzone zwischen Zementstein und Zuschlag. [5.35, 5.37, 5.42]

27 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 21 Die Anwendung von Metakaolin wirkt sich nach [5.43] leistungssteigernd auf die Druckfestigkeit eines Betons aus. Es werden geringfügig größere Festigkeiten als bei mit Mikrosilika versetzten Mischungen erreicht. Die Festigkeitssteigerung bildet sich nach [5.39] mit zunehmendem Probenalter deutlicher heraus. Dagegen zeigen Versuche nach [5.43] eine signifikante Steigerung der Betondruckfestigkeit im jungen Alter, welche im Lauf der Zeit im Vergleich zur Vergleichsmischung abnimmt (Abbildung 5.9). Dabei wirkt sich nach [5.43] ein feineres Metakaolin (M1 bis M3) stärker auf die Steigerung der Festigkeitswerte in den ersten 28 Tagen aus, als die Zugabe von Mikrosilika. [5.39, 5.43, 5.6] Abb. 5.9: Druckfestigkeitsentwicklung einer Portlandzementmischung (C), einer Mischung mit Mikrosilikazugabe (S) und Mischungen mit Metakaolinzugabe (M1 bis M4) [5.43]. Nach [5.44] und [5.41] sind die Gründe für die Festigkeitssteigerung das Füllerverhalten des Metakaolins, eine Beschleunigung der Zementhydratation und eine schnelle Umwandlung des Ca(OH) 2 aus der Zementhydratation in feste Reaktionsprodukte im jungen Betonalter. Bedingt durch die Beschleunigung der Zementhydratation stellt man in [5.41] einen Anstieg der Frischbetontemperatur, welcher bei einer 10%-igen Metakaolinzugabe ein Maximum erreicht, fest. Wird ein größerer Anteil als diese 10 M.-% zugegeben, so sinkt die Frischbetontemperatur infolge der Verdünnung des Zementklinkers wieder ab [5.41]. Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

28 Gesteinsmehle Gesteinsmehle, deren genaue Anforderungen in der DIN 4226 [5.45] zusammengefaßt sind, zählen nach DIN 1045 zu den Betonzusatzstoffen [5.46]. Eigenschaften Gesteinsmehle sind weitgehend inerte mehlfeine Stoffe aus natürlichem oder künstlichem mineralischen Gestein. Sie können aber auch schwach ausgeprägte hydraulische, latent hydraulische oder puzzolanische Eigenschaften aufweisen. Durch die Zugabe von Gesteinsmehl kann auf die Korngrößenverteilung eines Zements Einfluß genommen werden. Ein feiner als der Zement gemahlenes Gesteinsmehl kann somit das Lückenvolumen im Klinkeranteil füllen und den Wasseranspruch des Zements senken. Es entsteht infolgedessen ein festeres Zementsteingefüge [5.47, 5.48]. Untersuchungen nach [5.47] haben ergeben, dass die Zugabe von inerten Gesteinsmehlen als Feinstfüller zu einer begrenzten Steigerung der Festigkeit führen kann. In [5.49] dargestellte Ergebnisse zeigen mit abnehmender Teilchengröße des Zumahlstoffes ein Ansteigen der Festigkeit. Diese Festigkeitssteigerungen wurden in erster Linie auf den Füllereffekt zurückgeführt. Weil durch das Zumahlen von Gesteinsmehl eine Verdünnung des Portlandzements eintritt, nimmt die relative Festigkeitszunahme mit steigendem Prüfalter ab, da sich das Gesteinsmehl als inerter Füller nicht an den Hydratationsreaktionen beteiligt. Bei entsprechend großer Zugabe fehlt dem Kompositzement im Vergleich zum Portlandzement der jeweilige Anteil an Hydratationsprodukten. So tritt ein Festigkeitsverlust ein, der durch eine stärkere Feinmahlung nur noch begrenzt ausgeglichen werden kann. [5.47, 5.49] In [5.49] wird festgestellt, dass ein Zumahlen von reaktionsträgen Stoffen, wie Quarzmehl, unter gleichen Bedingungen höhere Festigkeiten bewirkt, als die Zugabe des reaktionsfreudigen Mikrosilikas. Es wurden in der Porenstruktur der Proben keine wesentlichen Unterschiede erkannt. So wurde das Ergebnis durch den Füllereffekt und die puzzolanischen Eigenschaften des Quarzmehles erklärt [5.49]. Anforderungen Gesteinsmehle dürfen nicht unter Einwirkung von Wasser erweichen, sich nicht zersetzen und mit dem Zement keine schädlichen Verbindungen eingehen. Nach [5.50] bestehen an die Kornzusammensetzung die Anforderungen gemäß Tabelle 5.3:

29 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Universität der Bundeswehr München 23 Tabelle 5.3: Anforderungen an die Kornzusammensetzung von Gesteinsmehlen nach [5.50] Siebgröße [mm] Siebdurchgang [M.-%] , bis 100 0, bis 100 Füller müssen sachgerecht aufbereitet sein. Sie müssen je nach Gewinnungs- oder Anlieferungszustand ausgewählt, homogenisiert und getrocknet sein [5.47, 5.48]. Werden sie höchstens in einem Anteil von 5 M.-% dem Zement zugemahlen, gelten sie noch als Nebenbestandteile und müssen keine besonderen Anforderungen erfüllen. Übersteigt aber ihr Anteil 5 M.-%, so gelten sie als Hauptbestandteil des Zements. Hierzu wird beispielsweise Kalkstein für die Herstellung von Portlandkalksteinzement verwendet. [5.47] Telefon: 089/6004(1) /2510 BwFspN: 6217(8) - Telefax: 089/ Anschrift für Frachtsendungen: Werner-Heisenberg-Weg 39 - D Neubiberg

30 24 6 Hochleistungsbeton - Faserbeton 6.1 Hochleistungsbeton Stand des Wissens Einsatzgebiete von Hochleistungsbeton Unter dem Begriff Hochleistungsbeton, kurz HLB, werden heute nicht mehr nur Betone mit hohen Druckfestigkeiten subsummiert, sondern er steht allgemein für Betone, die für spezielle Eigenschaften entwickelt werden. Die Materialwissenschaften ermöglichen zunehmend, Betone zu kreieren, die fließfähig sind, sich selbst verdichten, sich selbst nachbehandeln, große Zähigkeit, hohe Festigkeiten, hohe Abriebfestigkeit und enorme Resistenz gegen chemische Beaufschlagung besitzen. Für jeden Zweck wird zukünftig ein auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmter Beton konzipiert werden können. Die Grenzen der Einsatzgebiete von Hochleistungsbeton (HLB) sind derzeit noch nicht absehbar. Zur Zeit wird unter dem Begriff HLB in erster Linie ein Beton mit hoher Druckfestigkeit verstanden. Diese Eigenschaft des hochfesten Betons war der Ausgangspunkt sowohl der Forschung, als auch der bisherigen Anwendungen. Eine umfassende Übersicht gibt [6.1]. Nachfolgend werden die wesentlichen Einsatzgebiete für Hochleistungsbeton zusammenfassend beschrieben Hochhäuser Maßgebend für die Entwicklung war der Hochhausbau in den USA in den 70er Jahren. Um mit Stahlskelettbauten konkurrieren zu können, war es erforderlich, höhere Betondruckfestigkeiten zu erreichen. Dies gelang bei dem 1975 fertiggestellten 262 m hohen Water Tower Place Building in Chicago, mit einer Zylinderdruckfestigkeit des verwendeten Betons von 62 N/mm 2, eindrucksvoll. Höhere Betonfestigkeiten wurden mit der Entdeckung neuer, höchst effizienter Fließmittel auf Melamin- und Naphthalinbasis Ende der 80er Jahre möglich. Rekordhalter im Hinblick auf die Druckfestigkeit ist das 220 m hohe Hochhaus Two Union Square in Seattle mit einer Druckfestigkeit des verwendeten Betons von 131 N/mm 2. Zusammen mit neuen Pumptechnologien, die Steighöhen bis zu 300 m ermöglichen, stieg die Bedeutung des Werkstoffes Beton gegenüber der klassischen Ausführung der Hochhäuser als Stahlskelettbau. Auch in Deutschland wurden, insbesondere in Frankfurt, seit dem Jahr 1990 einige Hochhäuser mit dem neuen Material ausgeführt. Mit