Zusatzstoffe Einleitung

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1 Zusatzstoffe Einleitung Zusatzstoffe sind in der Regel feinkörnige Mineralstoffe oder Fasern, die die Eigenschaften des Betons verbessern können (Abb ). Sie können bis auf wenige Ausnahmen im Zement als auch im Beton verwendet werden. Zu den Zusatzstoffen zählen: Gesteinsmehle (Kalkstein- und Quarzmehl) Flugasche Silikastaub Gebrannter Schiefer Hüttensandmehl Puzzolane Pigmente Fasern Zementzusatzstoffe werden als Hauptbestandteile zur Reduktion des Klinkeranteils im Zement eingesetzt. Sie werden bereits im Zementwerk durch gemeinsames Vermahlen und/oder Vermischen mit dem Klinker in den Zement eingebracht. Dadurch wird sowohl eine genaue und gleichbleibende Dosierung als auch eine homogene Verteilung der Zementzusatzstoffe erreicht. Betonzusatzstoffe werden erst im Transportbetonwerk dem Beton zugefügt. Der Vorteil ist, dass das Verhältnis von Zusatzstoff zu Zement frei gewählt und anpasst werden kann. Allerdings sind damit auch einige Nachteile verbunden. Die getrennte Lagerung der Zusatzstoffe verlangt zusätzliche Silos und Dosiereinrichtungen sowie zusätzliche Kontrollen. Manche Zusatzstoffe neigen bei längerer Lagerung zur Knollenbildung. Die Herstellung eines homogenen Frischbetons kann eine längere Mischdauer erfordern.

2 Abb : Spezifische Oberflächen von Zusatzstoffen im Vergleich zu Zement. Normative Anforderungen an Zusatzstoffe Im Gegensatz zu den Zusatzmitteln gibt es für jeden einzelnen Betonzusatzstoff eigene Produktnormen. Zusatzstoffe für Zemente sind in der Zementnorm SN EN geregelt. In Tabelle wird ein Überblick über die wichtigsten Betonzusatzstoffe und die dazugehörigen Produktnormen gegeben. Die Norm SN EN unterscheidet zwei Typen von Betonzusatzstoffen. Zusatzstoffe des Typs I beinhalten inerte Stoffe (z. B. Gesteinsmehl und Pigmente), die keine chemische Bindung eingehen. Als Zusatzstoff des Typs II gelten chemisch reaktive Stoffe wie Flugasche, Silikastaub, Hüttensandmehl und Puzzolane. Die Anrechenbarkeit ist nur für Zusatzstoffe des Typs II, d. h. für Flugasche, Silikastaub, Hüttensandmehl und ausgewählte Puzzolane, wie z. B. Hydrolith F200, zulässig. Dabei wird ein Teil des Zusatzstoffes auf den Mindestzementgehalt Zmin und den maximalen w/z-wert mit Hilfe des sogenannten k- Wert Ansatzes für Beton nach Eigenschaften angerechnet. Die Höhe des k-wertes und die maximal anrechenbare Menge hängt vom jeweiligen Zusatzstoff und dessen chemischer Reaktivität ab.

3 Tab : Überblick über die wichtigsten Betonzusatzstoffe und die dazugehörigen Produktnormen.

4 Tab : Anrechenbarkeit von Zusatzstoffen Typ II gemäss Norm SN EN In Tabelle ist eine Zusammenstellung der wichtigsten Informationen k-wert, Zementart, Festigkeitsklasse des Zementes, Expositionsklasse / Betonsorte und maximale

5 Höchstmenge des Zusatzstoffes für die in der Schweiz zugelassenen Zusatzstoffe des Typs II aufgeführt. Nicht aufgeführte Kombinationen von Zusatzstoffen und Zementen sind nicht erlaubt, können aber mit dem Nachweisverfahren gemäss nationalem Anhang L der Norm SN EN zugelassen werden. Für die Anwendung des k-wert Ansatzes müssen die folgenden vier Bedingungen erfüllt sein. Die Bedingung 3 gilt nur bei einer gemeinsamen Verwendung von mehreren reaktiven Zusatzstoffen. Bedingung 1: Berechnung des zulässigen Mindestzementgehaltes bei der Zugabe von reaktiven Zusatzstoffen Zmin, ZS:

6 Gl

7 Kombination von Zement CEM II/B-M (T-LL) und Flugasche, Expositionsklasse XC1 (Mindestzementgehalt Zmin = 280 kg/m3) Zmin, FA Zmin (k (Zmin 200)) = 280 (0.4 ( )) = 248 kg/m3

8 Bedingung 2: Berechnung der maximal anrechenbaren Höchstmenge an reaktivem Zusatzstoff max. ZSanrech. (siehe Tab ).

9 Bedingung 3: Berechnung der maximalen Höchstmenge an reaktiven Zusatzstoffen max. ZS bei gemeinsamer Verwendung von mehreren reaktiven Zusatzstoffen. Damit soll eine ausreichende Alkalität der Porenlösung bei Stahl- und Spannbeton sichergestellt werden. Die Berechnung gilt nur für die Zementarten CEM I und CEM II/A-LL und für die Kombinationen mit Flugasche und Silikastaub sowie Hydrolith F200 und Silikastaub. Eine gemeinsame Verwendung von Silikastaub und Hüttensand oder Silikastaub und anderen puzzolanischen Zusatzstoffen ist nicht zulässig. Es müssen 2 Teilbedingungen (3a und 3b) erfüllt werden. Teilbedingung 3a: max. Flugasche (0.66 Z 3 S) oder max. Hydrolith F200 (0.66 Z 3 S) Teilbedingung 3b: max. Silikastaub 0.11 Z Bedingung 4: Berechnung des äquivalenten w/zeq-wertes

10 Gl In der Stoffraumrechnung können dabei 2 Fälle unterschieden werden, um den max. w/z- Wert ohne Anrechnung von Zusatzstoffen einzuhalten. Fall 1: Verringern des Wassergehaltes Fall 2: Erhöhen des zulässigen Mindestzementgehaltes bei Anrechnung von Zusatzstoffen Zmin, ZS auf den Mindestzementgehalt Zmin ohne Anrechnung von Zusatzstoffen Fall 1:

11 Der Wassergehalt muss bei der Anwendung des k-wert Ansatzes von 182 kg/m3auf 179 kg/m3 verringert werden. Fall 2: Der zulässige Mindestzementgehalt Zmin,ZS muss bei der Anwendung des k-wert Ansatzes von 276 kg/m3 auf den Mindestzementgehalt Zmin von 280 kg/m3 erhöht werden. Werden gemeinsam mehrere reaktive Zusatzstoffe eingesetzt, dürfen sie unter Berücksichtigung ihres k-wertes (Zeq = Zmin,ZS + Σ ki max. ZSanrech.) zusammen auf den Zementgehalt angerechnet werden. Inerte Zusatzstoffe Gesteinsmehle Gesteinsmehle wie Kalkstein- und Quarzmehl verbessern aufgrund ihrer geringen Korngrösse, ihrer Kornzusammensetzung und Kornform den Kornaufbau des Betons im Mehlkornbereich. Sie werden zugesetzt, um beispielsweise bei Gesteinskörnungen mit mehlkornarmen Sanden einen für die Verarbeitbarkeit und für ein geschlossenes Gefüge ausreichenden Mehlkornanteil einzubringen. Durch den Füllereffekt vermindern sie die Porosität. Kalkstein- und Quarzmehl sollten auf ihre Eignung für den vorgesehenen Zweck geprüft werden. Pigmente Anorganische Pigmente werden zum Einfärben von Beton und Mörtel verwendet. Den hohen Anforderungen bezüglich Beständigkeit und Korngrössenverteilung genügen praktisch nur Oxid- und Spinellpigmente. Pigmente haben keine chemische Wirkung im Beton. Wegen ihres meist hohen Wasserbedarfs bedingen sie einen höheren Wasserzementwert, sofern dieser Effekt nicht durch den Einsatz eines Fliessmittels kompensiert wird. Die Pigmentdosierung, meist wenige Prozente bezogen auf die Zementmasse, richtet sich nach der gewünschten Farbintensität und wird vom Lieferanten angegeben. Auch die besten Farbpigmente verhindern nicht, dass die Farbe des Betons mit der Zeit etwas stumpfer wird. Farbbetone können sowohl mit Grau- und Weisszementen hergestellt werden (siehe Sichtbeton).

12 Reste von gefärbtem Beton müssen sorgfältig aus Mischer, Transportfahrzeug und Umschlaggeräten entfernt werden, um die nachfolgenden Betonchargen nicht zu verunreinigen. Abb : Eingefärbter Beton durch Pigmente. Chemisch reaktive Zusatzstoffe Chemische Zusammensetzung Das Dreistoffdiagramm CaO / SiO2 / Al2O3 + Fe2O3 zeigt die stoffliche Verwandtschaft der chemisch reaktiven Zusatzstoffe gebrannter Schiefer, Flugasche, Silikastaub und Hüttensand zum Portlandzementklinker (Abb ). Zusatzstoffe mit einem hohen CaO- Anteil reagieren verstärkt hydraulisch, während solche mit einem hohen SiO2-Anteil

13 puzzolanisch reagieren. Die Reaktionsmechanismen von Portlandzementklinker und den chemisch reaktiven Zusatzstoffen werden hier näher beschrieben: Grundlagen. Abb : Dreistoffdiagramm CaO / SiO2 / Al2O3 + Fe2O3 für chemisch reaktive Zusatzstoffe und Portlandzementklinker. Portlandzementklinker hat beispielsweise die Zusammensetzung 68 M.-% CaO / 24 M.-%

14 SiO2 / 8 M.-% Al2O3 + Fe2O3. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass gebrannter Schiefer und Hüttensand am nächsten zum Portlandzementklinker liegen und dementsprechend eine hydraulische bzw. latent hydraulische Reaktion zu erwarten ist. Gebrannter Schiefer Ölschiefer ist ein Sedimentgestein, das brennbare organische Anteile (sogenanntes Kerogen) enthält (Abb ). Aufgrund dieser Anteile verbrennt Ölschiefer bei rund 800 C eigenständig (d. h. ohne jegliche Energiezufuhr). Dabei entsteht feinkörniger, gebrannter, Schiefer, der aus verschiedenen mineralischen Bestandteilen zusammengesetzt ist, die chemisch reaktive Eigenschaften besitzen. Die beim Brennprozess frei werdende Energie kann zur Stromproduktion genutzt werden. Gebrannter Schiefer wird nur als Zementzusatzstoff eingesetzt. Zemente mit gemahlenem, gebranntem Schiefer verhalten sich ähnlich wie Zemente mit Puzzolanen. Sie zeichnen sich durch eine moderate Wärmeentwicklung, ein ausgezeichnetes Wasserrückhaltevermögen, gute Grünstandfestigkeit und erhöhte Dauerhaftigkeit aus. Abb : Ölschiefer-Steinbruch in der Nähe von Rottweil/D.

15 Flugasche Die Flugasche fällt als Nebenprodukt in thermischen Kraftwerken an. Ihre Qualität hängt von der verwendeten Steinkohle, von der Anlagentechnik des Kraftwerks sowie seiner Betriebsweise ab. Die hohe Feinheit der Flugaschen und deren überwiegend kugelige Kornform (Abb ), bewirken eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Flugaschen sind typisch puzzolanische Zusatzstoffe. Entsprechend der langsamen Reaktion zeigen Flugaschebetone reduzierte Wärme- und Festigkeitsentwicklungen. Dies bedingt längere Einschalzeiten und eine verlängerte Nachbehandlungsdauer. Dagegen führt die auch über das übliche Prüfalter von 28 Tagen andauernde puzzolanische Reaktion zu einer deutlichen Nacherhärtung und zusätzlichen Gefügeverdichtung. Abb : Charakteristische, kugelige Kornform von Flugasche (Rasterelektronenmikroskopaufnahme).

16 Silikastaub Bei Silikastaub handelt es sich um reaktionsfähige SiO2- haltige Stäube, die bei der Herstellung von Silizium- Legierungen bei hohen Temperaturen entstehen und in Staubfiltern abgeschieden werden. Sie werden pulverförmig oder in wässriger Suspension (Slurry) geliefert und aufgrund ihres relativ hohen Preises nur in Spezialfällen eingesetzt, wie z. B. für Spritzbeton, hochfesten Beton oder Ultrahochleistungsbeton. Silikastaub, auch Kieselsäurestaub oder Microsilica genannt, entwickelt wegen seiner extrem hohen Feinheit und seines hohen Kieselsäuregehalts eine sehr grosse chemische Reaktivität. Silikastaub ist schwierig zu dosieren und homogen im Frischbeton zu verteilen. Deshalb wird empfohlen, Portlandsilikastaubzement einzusetzen. Mit Silikastaub können folgende Betoneigenschaften beeinflusst werden: gesteigerte Kohäsion, damit erhöhte Klebrigkeit und stark erhöhtes Wasserrückhaltevermögen im Frischbeton, damit keine Entmischung Verminderung des Rückpralls beim Spritzbeton erhebliche Verminderung der Betonporosität, damit eine wesentliche Verbesserung der Dauerhaftigkeit: erhöhter Chloridwiderstand, erhöhter Widerstand gegen Frost-, Frosttaumittel- und Sulfatangriff sowie gegen andere chemisch aggressive Stoffe bedeutende Erhöhung der Betonfestigkeit, dadurch gesteigerte Betonsprödigkeit Hüttensandmehl Granulierte Hochofenschlacke fällt als Nebenprodukt bei der Roheisenherstellung (Verhüttung) an. Getrocknet und mindestens auf die Feinheit von Zement gemahlen, wird die Hochofenschlacke als sogenanntes Hüttensandmehl eingesetzt.

17 Abb : Granulierung von Hochofenschlacke durch Einleitung von glühender, flüssiger Hochofenschlacke in einen Wasserstrahl. Hochofenzemente (CEM III) zeigen eine verlangsamte Erhärtung und erfordern eine deutliche Verlängerung der Ausschalfristen und der Nachbehandlungsdauer. Vorteilhafte Eigenschaften von Betonen mit Hüttensandmehl sind: dichteres Zementsteingefüge, damit deutlich erhöhter Widerstand des Betons gegenüber dem Angriff von Sulfaten, Chloriden, AAR und anderen aggressiven Stoffen geringe Hydratationswärme und langsamere Wärmeabgabe, daher Einsatz bei massigen Betonbauteilen und bei hoher Umgebungstemperatur verminderte Ausblühungsgefahr (bei hohem Hüttensandgehalt) verminderte Anfangsfestigkeit und höheres Nacherhärtungspotential nach 28 Tagen Puzzolane Natürliche Puzzolane wie z. B. Trass unterscheiden sich je nach Herkunft stark in ihren Eigenschaften. Sie sind Stoffe vulkanischen Ursprungs oder Sedimentgesteine mit bestimmter chemisch-mineralogischer Zusammensetzung. Natürliche, getemperte Puzzolane sind thermisch aktivierte Stoffe vulkanischen Ursprungs

18 (Phonolite), Tone oder Sedimentgestein. Puzzolane haben in der Regel hohe Alkaliengehalte. In Verbindung mit potentiell alkalireaktiver Gesteinskörnung ist der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) besondere Beachtung zu schenken (siehe AAR-beständiger Beton und Alkali-Aggregat- Reaktion). Fasern Einleitung Fasern unterschiedlicher Materialien und Art können dem Beton als Zusatzstoffe zugegeben werden. Es wird zwischen Fasern für tragende (Bewehrung) und andere Zwecke (z. B. Brandwiderstand, Grünstandfestigkeit) unterschieden. In der Regel werden vereinzelte Kurzfasern verwendet. Es existieren aber auch Faserbündel aus Langfasern (Garne, Rovings), die zu sogenannten Gelegen verarbeitet und als textile Bewehrung eingesetzt werden. Die Fasern werden dem Frischbeton untergemischt und sind im Idealfall homogen im Beton verteilt und räumlich gleichmässig ausgerichtet. Sie entfalten ihre Wirkung lokal. Fasern für tragende Zwecke (Bewehrung) übertragen im Rissquerschnitt Kräfte, die vor der Rissbildung der Beton übertragen hat. Je nach Faserdosierung, -material und -form lassen sich so die Rissbildung und die Rissweiten kontrollieren. Beton erhält durch die Faserzugabe eine Nachrissfestigkeit und eine grössere Verformbarkeit. Wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit von Fasern für tragende Zwecke ist ihr Verbund mit dem umgebenden Zementstein. Fasern erlangen ihren Verbund durch die Oberflächenbeschaffenheit und die mechanische Verankerung durch spezielle Formen. Die Fasern müssen so dimensioniert werden, dass sie ausgezogen werden und nicht reissen. Neben dem Verbund und der Dosierung spielt auch die Faserschlankheit das Verhältnis von Länge zu Durchmesser eine wichtige Rolle. Je schlanker die Fasern sind, umso grösser ist ihre Wirksamkeit. Die Verarbeitbarkeit des Frischbetons nimmt mit höherer Dosierung, grösserer Faserschlankheit und zunehmender Abweichung der Faserform von der Geraden ab (siehe Faserbeton). In Tabelle wird eine Übersicht über die wichtigsten Fasermaterialien und ihre charakteristischen Eigenschaften gegeben.

19 Fasermaterialien Stahlfasern Aufgrund der hohen Zugfestigkeit und des hohen E-Moduls im Vergleich zum Beton sind Stahlfasern besonders für tragende Zwecke geeignet. Die mechanischen Eigenschaften hängen neben dem Ausgangsmaterial stark vom Herstellungsprozess ab. Stahlfasern können gezogen, gefräst, gespant, geschnitten, gestanzt oder aus Schmelzgut hergestellt werden. Die höchste Zugfestigkeit wird bei Fasern aus gezogenem Stahldraht erzielt und beträgt bis zu 2600 N/mm2. Diese Fasern werden typischerweise für Ultrahochleistungs-Faserbeton verwendet. Fasern anderer Herstellungsart weisen deutlich geringere Festigkeiten auf. Stahlfasern können mit verschiedenen anderen Metallen beschichtet werden, um die Korrosionsneigung zu verringern. Der Verbund von Stahlfasern im Zementstein kann durch Endhaken, Verdickungen oder Profilierungen verbessert werden. Typische Dosierungen liegen im Bereich von kg/m3, in Ausnahmefällen bis 120 kg/m3, bei Ultrahochleistungsfaserbeton bis zu 400 kg/m3 (5 Vol.-%). Polymerfasern (Kunststofffasern) Die verschiedenen Kunststofffasertypen unterscheiden sich durch ihre chemische Zusammensetzung und die daraus resultierenden Eigenschaften. Mit wenigen Ausnahmen (Tab ) weisen die meisten Kunststofffasern einen im Vergleich zu Stahlfasern niedrigen E-Modul auf. Der Einsatz erfolgt vor allem für folgende Zwecke: Reduktion der Rissbildung infolge Frühschwindens Reduktion des Rückpralls bei Spritzbeton Erhöhung des Brandwiderstands von hochfesten und ultrahochfesten Betonen Erhöhung der Grünstandfestigkeit von Frischbeton Verbesserung des Wasserrückhaltevermögens

20 Tab : Übersicht über Fasermaterialien und ihre charakteristischen Eigenschaften. Kunststofffasern nach SN EN werden unterteilt in: Klasse Ia: Mikrokunststofffasern mit einem Durchmesser < 0.30 mm, als Monofilamente ausgebildet Klasse Ib: Mikrokunststofffasern mit einem Durchmesser < 0.30 mm, fibriliert Klasse II: Makrokunststofffasern mit einem Durchmesser > 0.30 mm Polypropylenfasern (PP-Fasern) werden häufig zur Vermeidung von Frühschwindrissen eingesetzt. Sie steigern das Wasserrückhaltevermögen und können im noch jungen Zementstein die Rissbildung verhindern bzw. Rissbreiten begrenzen. Ihr Schmelzpunkt liegt bei ca. 170 C. Sie werden daher auch zur Erhöhung des Brandwiderstands von hochfesten und ultrahochfesten Betonen verwendet. Durch das Schmelzen der Fasern entsteht ein vernetztes Porensystem im Beton, durch welches der Dampfdruck, der durch die Verdampfung von Wasser im Beton entsteht, reduziert wird. Damit können Abplatzungen verhindert werden. PP-Fasern werden in einer Menge von 0.5 bis 4 kg/m3 dosiert. Polyethylenfasern (PE-Fasern) sind aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften als Bewehrung sehr geeignet, sind aber relativ teuer und kommen daher nur wenig zur Anwendung. Polyvinylalkoholfasern (PVA-Fasern) wurden ursprünglich als Ersatz für Asbestfasern verwendet. Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften eignen sie sich zur Steigerung der Biegezugfestigkeit von Beton. Glasfasern Glasfasern erreichen hohe Zugfestigkeiten ( N/mm2) und einen E-Modul, der denjenigen des Betons um das 2 bis 3-fache übertrifft. Herkömmliches Glas ist

21 im alkalischen Milieu des Betons nicht resistent. Durch die Zugabe von Zirkoniumdioxid und eine spezielle Beschichtung der Glasfasern lässt sich die Alkaliresistenz deutlich steigern, so dass Glasfasern auch über längere Zeiträume ihre Eigenschaften im Beton behalten. Die Empfindlichkeit von Glas gegenüber Beschädigungen der Oberfläche, wie sie beim Mischen entstehen können, reduziert die theoretisch sehr hohe Festigkeit. Je nach Anwendungszweck werden dem Beton 0.5 bis 15.0 kg/m3 Glasfasern zugegeben. Kohlenstofffasern (Carbonfasern) Fasern aus Kohlenstoff sind bezüglich Zugfestigkeit und E-Modul Stahlfasern sehr ähnlich bzw. überlegen. Die Herstellung ist aufwendig und kostenintensiv. Kohlenstofffasern finden zunehmend Anwendung in Form von Faserbündeln aus Langfasern in Gelegen als textile Bewehrungen. Abb : Verschiedene Arten von Fasern.