High-performance mortars and concrete using secondary raw materials

• Main Author: Rizwan, Syed Ali
• Other Authors: TU Bergakademie Freiberg, Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg Universitaetsbibliothek "Georgius Agricola" 2009
• Subjects: Beton; Festigkeit; Flugasche; Hochleistung; Hydratation; Kalksteinmehl; Kalorimetrie; Mikrosilika; Mikrostruktur; Mörtel; Reisschalenasche; Rheologie; Schwindung; Sekundärrohstoff; selbstverdichtend; Stabilisierer; Verflüssiger; Wasserbedarf; Zementleim; ddc:620; rvk:ZI 4850
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-2050170; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-2050170; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/2183/SilikattechnikRizwanSyed_Ali205017.pdf

Das American Concrete Institute (ACI) definiert Hochleistungsbeton (High performance concrete, HPC) als einen Beton, der spezielle Leistungs- und Gleichförmigkeitsanforderungen erfüllt. Die Anforderungen schließen vereinfachtes Ausbringen, verbesserte Frühfestigkeiten und mechanische Langzeiteigenschaften, Härte, Volumenstabilität und Belastbarkeit unter besonderen Umweltbedingungen ein. Diesen Anforderungen kann für gewöhnlich nicht mit klassischen Rohstoffen, normalen Misch- und Abbindeprozeduren entsprochen werden. Daher wurde in dieser Studie in Übereinstimmung mit der Literatur die Einfachheit des Ausbringens beziehungsweise die Selbstverdichtung als Kriterium für Hochleistungseigenschaften genommen. Während einer bautechnischen Begutachtung eines brandgeschädigten Gebäudes in Lahore deutete sich an, dass die Schäden zum größten Teil durch mangelhafte Kenntnis der Materialeigenschaften und mangelhafte Verarbeitung verursacht wurden. Dies war unter anderem Anlass für die Durchführung der vorliegenden Untersuchungen. Die Arbeiten über Hochleistungsbetone begannen mit der Auswahl von alternativen Rohstoffen (secondary raw materials, SRM) entsprechend den Ergebnissen des Literaturstudiums. Die Verwendung von Reisasche (Rice husk ash, RHA) in selbstverdichtenden Betonen (Self compacting concrete, SCC) ist eine neue Idee, die bislang nicht veröffentlicht wurde. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen mit Mikrosilika (Silica fume, SF), amorpher und kristalliner Reisasche (RHA bzw. RHAP) durchgeführt. In vielen Entwicklungsländern ist Mikrosilika guter Qualität auf absehbare Zeit kaum zu vernünftigen Preisen verfügbar, während Reisasche in reisanbauenden Ländern wie Pakistan hochverfügbar ist. Bei entsprechenden Ergebnissen soll mit dieser Studie die Verwendung von RHA alternativ zu SF in SCC empfohlen werden. Das Literaturstudium zeigte ferner, dass die Verwendung von Flugasche in Kombination mit anderen puzzolanischen Materialien wie Mikrosilika in Deutschland nicht üblich ist, während dies in Skandinavien erfolgreich getan wird. Deshalb ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Rolle binärer und ternärer Binder in SCC. Als SRM wurden Kalksteinmehl, Flugasche, Mikrosilika sowie RHA (aus USA) und RHAP (aus Pakistan) ausgewählt. Die Studie beschäftigt sich mit Fließverhalten, Festigkeit, Mikrostruktur und Volumenstabilität (gemessen als frühes Schwinden) von SCC. Die durch binäre und ternäre Binder bewirkte Erhöhung der Gesamtfestigkeit soll möglichst einfach berechnet werden können. Die ist von großem Wert für Bauingenieure, da sie üblicherweise nur an der Gesamtfestigkeit des zementären Systems und nicht an den Festigkeitsanteilen chemischer oder physischer Komponenten interessiert sind. Es wird vorgeschlagen, das vergleichsweise inerte Material für andere puzzolanische Binder und deren Kombinationen als Ausgangspunkt zur einfachen Quantifizierung der Festigkeit zu nehmen. Es ist in der Praxis nicht üblich, die frühe Gesamtschwindung mit deren einzelnen Teilprozessen zu beschreiben. Deshalb wurde die Volumenstabilität als lineare Gesamtschwindung ermittelt. Die Arbeiten begannen mit selbstverdichtenden Pasten (High performance self compacting pastes, HP SCP), die zu selbstverdichtenden Mörteln (High performance self compacting mortars, HP SCM) und selbstverdichtenden Betonen (High performance self compacting concretes, HP SCC) weiterentwickelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten können als anwendungsfreundlicher angesehen werden, als Ergebnisse von Arbeiten durchgeführt ausschließlich an SCC. Darüber hinaus wurden ausgehend von Laborergebnissen einige Versuche an einem Beton-Mischwerk und anschließend während des Einbringens in einen Versuchsstollen des Lehrbergwerks durchgeführt. Zur Abschätzung von Wasserbedarf, Fließverhalten und Festigkeit von HP SCC werden verschiedene einfache Methoden und Konzepte vorgeschlagen. Die Erfindung von Verflüssigern in Deutschland und Japan Anfang der 80er Jahre ermöglichte zusammen mit geeigneten Zuschlägen das Erreichen hoher Festigkeiten und Dauerhaftigkeiten. Es wird eine Methode zur indirekten Berechnung des Wasserbedarfs für jeden Zuschlag, der in geeigneten Mengen mit Zement gemischt wird. Weiterhin schlägt der Autor die Messung der T 25 cm Fließzeit für HP SCM/SCP-Systeme (das Verhältnis zwischen T 25 cm Ausbreitmaß und dem Kegelbodendurchmesser) in Analogie zur Ermittlung des 50cm-Ausbreitmaßes mittels Abrams-Kegel bei SCC vor. Dies wäre ein brauchbarer indirekter Indikator der rheologischen Eigenschaften von SCC-Systemen. Der Durchmesser des Abramskegels ist 20 cm und das besprochene Verhältnis ist 2,5. Ausgehend von den Ergebnissen lässt sich feststellen, dass sicher amorphe RHA als Ersatz für SF in SCC genommen werden kann. Dies gilt selbst bei RHA mittlerer puzzolanischer Aktivität, wie sie von Kraftwerken mit Reistrohfeuerung erhältlich ist. Die Verbesserung von Leistung und Dauerhaftigkeit konnte sowohl für binäre als auch für ternäre Binder in SCC-Systemen festgestellt werden. Für gute Dauerhaftigkeit wie auch aus ökonomischen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Menge des zuzumischenden Wassers in etwa dem Wasserbedarf entspricht.