aktuelle und zukünftige entwicklungen im bereich der ... · - starke entschäumer enthalten...
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Aktuelle und zukünftige Entwicklungen im
Bereich der Betonzusatzstoffe und -zusatzmittel
Schwenk Seminar
H.-M. Ludwig
Betonzusammensetzung
früher
3-Stoff-System
Zement
Wasser
Zuschlag
Zement
Wasser
Gesteinskörnung
Zusatzstoff
Zusatzmittel
Fasern
Oberflächen-
funktionalisierung
heute
mindestens 5-Stoff-System
Agenda
•
Betonzusatzstoffe
Allgemeines
Steinkohlenflugasche
Hüttensandmehl
Calcinierter Ton
Stahlwerksschlacken
Betonzusatzmittel
Allgemeines
Fließmittel
Beschleuniger
Schwindreduzierer
Zusammenfassung
Betonzusatzstoffe sind fein verteilte Stoffe, die bestimmte
Eigenschaften des Betons beeinflussen. Dies sind vorrangig die
Verarbeitbarkeit des Frisch- und die Festigkeit und Dichtigkeit des
Festbetons.
Im Gegensatz zu Betonzusatzmitteln ist die Zugabemenge
im Allgemeinen so groß, dass sie bei der Stoffraumrechnung
zu berücksichtigen ist.
Zusatzstoffe dürfen das Erhärten des Zementes sowie die
Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons nicht beeinträchtigen
und den Korrosionsschutz der Bewehrung nicht gefährden.
Betonzusatzmittel
Nur normativ geregelte Zusatzstoffe oder bauaufsichtlich
zugelassene Materialien dürfen eingesetzt werden.
Genormte Betonzusatzstoffe
Quelle: Zement-Merkblatt BetontechnikB 3 2.2014
Mineralogische Zusammensetzung
wichtigster Bestandteil für puzzolanische Reaktion:
alumosilicatisches Glas 50 – 80 M.-%
weiterhin:
Quarz (SiO2)
Mullit (3Al2O3 ∙ 2SiO2)
Eisenoxide (Fe2O3, Fe3O4)
Alkali- und Calciumsulfate (Na2SO4, K2SO4, CaSO4)
Puzzolanische Reaktion
(Flugasche)
SiO2 + Ca(OH)2 CSHH2O
Hydraulische Reaktion
(Portlandzementklinker, Alite)
C3S + H2O CSH + Ca(OH)2
Puzzolanische Reaktion
Vorteile Flugascheeinsatz
Frischbeton:
verbesserte Pumpfähigkeit
sehr gute Verarbeitbarkeit
Stabilisierung/ Verhinderung Bluten
Festbeton:
Hydratationswärmesenkung
im Endzustand dichtes Gefüge
Verbesserung verschiedener Dauerhaftigkeitskriterien
Verringerung Ausblühungen
Zementersatz und Preis:
niedrigerer Preis gegenüber Zement
k-Wert = 0,40, Zementanrechnung bzw. Zementsubstitution
Verringerung Hydratationswärme
Quelle: Schießl et. Al.
Erhöhung Sulfatwiderstand
Quelle: Schießl et. Al.
Problemfelder Flugascheeinsatz
Materialeigenschaften:
sehr langsame Festigkeitsentwicklung
lange Nachbehandlung notwendig
bei hohen Einsatzmengen
- Frost-/ Frost-Tausalz-Widerstand
- schnellere Carbonatisierung
Kraftwerksschließung
- bis 2030 soll bereits die Hälfte
der Kohleverstromumg entfallen
Bedeutung der Energiewende in deutscher Klimaschutzstrategie
Energiereferenzprognose des BMWi - Zielszenario
Quelle: BMWi
Quelle: FEHS
Entwicklung Hüttensandmengen
Verwendung von Hochofenschlacken 2015
Alternative calcinierte Tone
Calcinierung
Kaolinit Metakaolin + WasserAS2H2 AS2 + 2H
Festigkeit durch puzzolanische Reaktion
Stand der Technik
• bereits als Betonzusatzstoff
• als Ersatzstoff für Silicastaub in (ultra-)hochfesten Betonen
• zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Beton (AKR, chemischer
Widerstand etc.)
• als alumosilicatische Komponente in Geopolymer-Systemen
in Form von Metakaolin
= hochreiner, hochreaktiver gebrannter Kaolin
sehr teuer, Konkurrenzsituation andere Anwender (Papierindustrie, Keramikindustrie etc.)
Hauptanwendungsbereiche für calcinierte Tone
heute:
162 168
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Dru
ck
fes
tig
ke
it n
ac
h 7
d in
MP
a
UHPC mit 16 % MS UHPC mit 16 % MC
21,2
30,7
0
5
10
15
20
25
30
35
Bie
gezu
gfe
sti
gk
eit
na
ch
7 d
in
MP
a
UHPC mit 16 % MS UHPC mit 16 % MC
meist höhere Biegezugfestigkeiten als mit SF aufgrund der plattigen Morphologie der gröberen nichthydratisierten Partikel
Festigkeit UHPC
BUDAPESTER CENTRAL ABWASSER ANLAGE
350 .000 m3 Abwasser pro Tag
SRB mit Centrilit NCWannen und Decken
Quelle: MC-Bauchemie
Calcinierter Ton als Flugascheersatz
Chemisch-mineralogische Zusammensetzung
[%] Kaolinite
(K 1)
Illite
(I 1)
Na-Montmorillo-
nite (NaM)
Ca-Montmorillo-
nite (CaM)
Ch
em
ica
l co
mp
osito
n
(XR
F)
SiO2 53,5 62,8 57,0 50,7
Al2O3 32,1 14,8 18,2 15,7
Fe2O3 0,3 5,7 6,4 5,5
CaO 0,1 1,7 0,3 5,7
MgO 0,2 2,4 1,9 3,3
TiO2 0,12 0,72 0,64 0,30
K2O 0,23 4,11 3,04 2,26
Na2O 0,01 1,63 1,01 0,40
Min
era
log
icalco
mp
ostio
n
(XR
D)
Kaolinite 86 10
Illite 47 44
Montm.
60 (mixed-layer)
28
Muskov. 9
Quartz 14 27 20 11
Feldspar 15 5 9
Calcite 4
Chlorite 2 5 4
Festigkeitsentwicklung
0
10
20
30
40
50
60
70
0 14 28 42 56 70 84
Dru
ckfe
sstig
keit
in N
/mm
²
Hydratationszeit in d
OPC
+ cK
+ cI
+ cM
+ GBFS
+ Fly ash
+ Quartz
• Ergebnisse der Betonprüfung:
BESTIMMUNG DES K-WERTES
Nr. Zement w/z Ausbreitmaß Druckfestigkeit fc,cube
[-] [mm] [N/mm²]
2d 7d 28d 90d
1a CEM I0,50
410 31,5 41,0 54,5 54,5
1b 25% Arginotec C 350 24,5 37,5 53,5 55,5
2a CEM I0,60
560 20,5 33,0 43,0 46,5
2b 25% Arginotec C 400 15,5 29,0 43,5 46,5
3a CEM I0,75
> 600 12,5 23,5 30,0 34,0
3b 25% Arginotec C > 600 8,5 17,0 29,0 30,5
k-Wert 0,45 0,55 0,90 0,80
HYDRATATIONSWÄRME
Hydrataionswärme bei 30 %iger Substitution Portlandzement
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,001 0,01 0,1 1
Diffe
rentie
lles
Pore
nvolu
men
[ml/g
]
Pore radius [µm]
OPC
+ cK
+ cI
+ cM
Dichtigkeit
Alkali-Kieselsäure-Reaktion
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 7 14 21 28
Exp
an
sio
n [
mm
/m]
Zeit [d]
OPC
+ cK
+ cI
+ cM
+ GBFS Limit E I-S
Mörtelschnelltest
Wasseranspruch
• Wasseranspruch steigt mit Metaton, aber nur mit Metakaolin in kritische Bereiche
zusätzliche Mahlung bringt deutliche Verbesserung (weiße Kreise)
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
20
25
30
35
40
45
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55
60
65
CEM I (N↓) Kaolin, 700°C,DRO
Illit. Ton,900°C, DRO
Bentonit,800°C, DRO
Bentonit,900°C, DRO
Kaolin, 730°C,Flash
Illit. Ton,910°C, Flash
Ers
tarr
un
gszeit
[h
:min
]
Wassera
nsp
ruch
[%
]
Erstarren Beginn Erstarren Ende Wasseranspruch
Farbe
+ cM, 91d pre-curing
OPC, 91d pre-curing
Alternative Stahlwerksschlacken
Stahlwerksschlacken
- jährlich ca. 7 Mio. Tonnen Stahlwerksschlacke allein in Deutschland
- 4,5 Mio. Tonnen LD-Schlacke, 2,5 Mio. Tonnen Elektroofenschlacken
- China ca. 65 Mio. Tonnen Stahlwerksschlacken
- im ursprünglichen Zustand wenig reaktiv, im Gegensatz zum HÜS
Mineralogische Zusammensetzung
der verwendeten LD-Schlacken
Mineralogische Zusammensetzung (XRD) der LDS in M.-%
Druckfestigkeit von Mischungen Zement/ LDS A
(70 : 30) im Vergleich mit CEM I
Abschottung der Belitphase durch Fe-haltige
Mineralphasen
New Loesche technology:
Ultra-fine grinding of SCMs
Freilegung von Belitoberflächen und
Rissinduktion nach Feinstmahlung
Druckfestigkeit von Mischungen Zement/ LDS A
(70:30) im Vergleich mit CEM I
Für dieses Jahr ist bei einem großem deutschen Stahlhersteller eine Pilotanlage
geplant. Einsatz der gemahlenen Schlacke zunächst nur in nichtkonstruktiven
Betonen.
Pilotanlage
Agenda
•
Betonzusatzstoffe
Allgemeines
Steinkohlenflugasche
Hüttensandmehl
Calcinierter Ton
Stahlwerksschlacken
Betonzusatzmittel
Allgemeines
Fließmittel
Beschleuniger
Schwindreduzierer
Zusammenfassung
Betonzusammensetzung
früher
3-Stoff-System
Zement
Wasser
Zuschlag
Zement
Wasser
Gesteinskörnung
Zusatzstoff
Zusatzmittel
(7 Mio. t/a)
Fasern
Oberflächen-
funktionalisierung
heute
mindestens 5-Stoff-System
Betonzusatzmittel werden dem Beton zugesetzt, um durch
chemische oder physikalische Wirkung oder durch beides die
Eigenschaften des Frisch- und Festbetons zu verbessern.
geringe Zugabemengen (< 5 M.-% des Zementanteils)
bei Mengen > 3 l/m³ Frischbeton Anrechnung der enthaltenen
Wassermenge auf w/z-Wert
Betonzusatzmittel
Betonzusatztmittel können flüssig, pulverförmig oder als Granulat
geliefert werden
Betonverflüssiger BV
Fließmittel FM
Luftporenbildner LP
Dichtungsmittel DM (z.B. Calciumstearat)
Verzögerer VZ (z.B. Saccarose, Fruchsäure, Phosphate)
Erstarrungs-/ Erhärtungsbeschleuniger BE
Einpreßhilfen EH (i.d.R. Aluminiumpulver + FM)
Stabilisierer ST (z.B. Polysaccaride, Polyacrylate,Nanosilica)
Viskositätsmodifizierer VMA (meist Polyacrylamide)
Betonzusatzmittel
Weitere Mittel, die von außen aufgebracht werden, z.B.
Nachbehandlungsmittel, Oberflächenverzögerer Waschbeton,
Hydrophobierungen, Beschichtungen etc. gehören lt. Definition nicht zu BZM
Erstarrungsbeschleuniger für Spritzbeton SBE (z.B. Aluminiumsulfat, -hydroxid)
Sedimentationsreduzierer SR (siehe Stabilisierer)
Chromatreduzierer CR (z.B. Zinn (II) sulfat, Eisen (II) sulfat)
Recyclinghilfen RH (Langzeitverzögerer siehe VZ)
Passivatoren (z.B. Nitrite)
Schwindreduzierer (höhermolekulare Glykole, z.B. Dipropylenglykol
Schaumbildner SB (anionische Tenside, z.B. Polyglykolsulfat)
Mengenanteile Zusatzmittel
Quelle: Deutsche Bauchemie
Betonverflüssiger/ Fließmittel
Elektrostatische Abstoßung
konventioneller Fließmittel(Lignin-, Melamin, Naphthalinsulfonat)
Quelle: BASF
Erstes Großprojekt mit
Polycarboxylaten 1988 Akashi;
Channel Bridge
Erstes Patent zur neuen „FC-
Technologie“ (FC = „Fluid
Concrete“) 1981 von Nippon
Shokobai
Widerlager
L: 84,5 m
B: 83 m
H: 47,5 m
Siegeszug der neuen Fließmittelgeneration auf Basis PCE
Quelle: BASF
Elektrostatische und sterische
Abstoßung von PCE‘s
Quelle: BASF
- hervorragender Verflüssigungseffekt
- sehr lange Konsistenzhaltung ohne zusätzlichen Verzögerer
- höhere Frühfestigkeiten verglichen mit konventionellen FM
- aufgrund der flexiblen molekularen Architektur sind Anpassungen
für spezielle Applikationen möglich
Leistungsfähigkeit moderner PCE
Absatzentwicklung BV und FM
Quelle: Deutsche Bauchemie
(Transport / Einbau)
Konsistenzhaltung
W/Z
Red
uk
tio
n(F
esti
gk
eit/
Da
uer
ha
ftig
kei
t)
Lignosulfonate
Melamin-/Naphthalinharze
PCE für Fertigteile
PCE für Transportbeton
PCE-Fließmittel
Quelle: BASF
- Mischzeit beachten (i.d.R. nicht unter 45 Sekunden), sonst
Nachverflüssigung und u.U. Entmischung
- starke Entschäumer enthalten – LP-Beton u.U. schwieriger
- höhere Klebrigkeit
- Thixotropie, Ruhezustand – erscheint steif, durch Einführen von
Energie wieder weich, besonders beim Glätten muss darauf
geachtet werden – Glättzeitpunkt in Vorversuchen ermitteln
- ausgeprägte Zementabhängigkeit
- Dosierempfindlichkeit – Sättigungspunkt
- Zusammenspiel mit Verzögerern z.T. schwierig (z.B.
Trinatriumcitrat)
Besonderheiten PCE`s
490 mm
730 mm
Zementabhängigkeit PCE-Wirkung
Zement 1
Zement 2
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5000 10000 15000 20000 25000
Sulfatkonzentration in der Porenlösung in mg/l
Ad
so
rpti
on
sg
rad
des F
M in
%
Versuche mit PCE A
Versuche mit PCE B
Zusammenhang zwischen Sulfatkonzentration und AG
Quelle: VDZ
Sulfat in Porenlösungen deutscher Zemente
Einfluss von Fließmittelwirkstoffen auf den
Sättigungspunkt
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Wirkstoffmenge in M.-% v. Z
Sch
erw
ide
rsta
nd
T in
N·m
m
MS
NS
LS
PCE
Scherwiderstand
bei 80 U/min nach 20 min
CEM I 32,5 R
w/z = 0,45
Quelle: VDZ
Neue PCE-Fließmittel mit Aryl-Ether-Struktur
• kürzere Mischzeiten
• leichtere Pumpbarkeit
• kürzere Einbauzeiten
• einfachere Oberflächenbearbeitung
• bessere Entlüftung
• geringere Lunkerbildung
geringere Viskosität
Quelle: BASF
PCE mit verringerter Viskositätsauswirkung
MasterEase
Quelle: BASF
Erhärtungsbeschleuniger
Beschleunigte Betone im Fertigteilbereich
Hauptanwendung
Beschleunigung des Entschalens und
Abhebens
Anforderungen
meist 15 N/mm² Druckfestigkeit nach
5 - 6 h
Klassische Konzepte für hohe Frühfestigkeiten
Zemente hoher Festigkeitsklassen und Frühfestigkeit (42,5 R, 52,5 R)
relativ hoher Zementgehalt (oft 350 – 400 kg/m³)
u.U. Warmbehandlung des Betons
niedriger w/z-Wert (oft 0,40 – 0,45)
prinzipielle Möglichkeiten:
- Änderung der Porenlösungszusammensetzung
Beeinflussung der Geschwindigkeit der C-S-H - Bildung
Ca(OH)2 mit BET = 40 m²/g
- Zugabe heterogener Keime bzw. alternativer
Wachstumsflächen
Einsatz von Calciumsalzen
Besonders effektive Calciumsalze sind nach DIN 1045 für Stahlbeton
nicht erlaubt:
Chloride, Thiocyanate, Nitrite, Nitrate
Für Spannbeton nicht erlaubt:
Formiate
Beeinflussung der Porenlösung
alle effektiven Beschleuniger in Deutschland nicht einsetzbar
Einsparung der Zeit zur Bildung stabiler (ausreichend großer) Cluster (Kristallkeime) = Zeitersparnis bei der Erhärung des
Betons
t0entfällt durch Zugabe stabiler Keime
beschleunigte Erhärtung
durch Zugabe von
Kristallkeimen
(heterogene Keim-
bildung)
Heterogene Keimbildung - Theorie
t0
Konventionelle
Erhärtung (vorw.
homogene
Keimbildung)
Subkeime stabile Keime PhasenwachsumZerfall der Subkeimeübersättigte Lösung
Beeinflussung der C-S-H - Bildung
C3S + (3+y-x)H CxSHy + (3-x)CH
Mögliche Beschleunigungsstrategien
Ziel: Schnellere Verkittung der einzelnen Partikel
Gefügeentwicklung nach 4 h
Bildgebende Gefügeentwicklung im
Rasterelektronenmikroskop
Wirkung an einer beispielhaften Fertigteilrezeptur
Eckdaten der Beispielrezeptur
Bindemittel CEM I 52,5 R
Bindemittelgehalt 370 kg/m³
w/z-Wert 0,40
Zusatzmittel FM, PCE-Basis
Zusatzmittelgehalt 1,0 M.%
Warmbehandlung keine
Frischbetontemperatur 20°C
KonsistenzF5
Wirkung von 3,5% C-S-H-Suspension auf
Konsistenz neutral
Ansteifenbeschleunigt bei CEM II,
neutral bei CEM I
Frühfestigkeit beschleunigt bis 48h
Endfestigkeit ± 5%
Wirkung an einer beispielhaften Fertigteilrezeptur
Anwendungsspezifische Optimierungsansätze aus diesem
Beschleunigungseffekt könnten sein:
Prüfung von Optimierungsmöglichkeiten
Reduzierung des Zementgehaltes
verstärkter Einsatz von Steinkohleflugasche in
Fertigteilrezepturen
Substitution der Zementfestigkeitsklasse 52,5 R durch 42,5 R
zusätzliche Erhöhung der Performance von Schnellzementen
Einsatz von Zementen mit hohem Compositanteil anstelle des CEM I
Transportbetonrezeturen
5°C 20°C
Festigkeitsklasse C 30/37
Konsistenzklasse F3/F4
Zementgehalt 340 kg/m³
Anrechenbarere Wassergehalt 170 kg/m³
w/z-Wert 0,50
fGK 0/2 670
gGK 2/8 579
gGK 8/16 616
Dosiermenge X-Seed 100 3,5 M.% v.Z.
Dosiermenge Glenium Sky 593 0,20 M.% v. Z. 0,65 M.% v. Z.
Druckfestigkeitsentwicklung bei 20 °C
Druckfestigkeitsentwicklung bei 5 °C
Schwindreduzierer
• nichtionische Tenside (organische, grenzflächenaktive Stoffe)
• setzen die Oberflächenspannung der Porenlösung herab
• bestehen i.A. aus höheren Alkoholen (z.B. Glykole, Glykolether, Diole)
Schwindreduzierer
Schwindkompensation
Schwindreduzierung
Normaler Beton
Feucht-
lagerung Austrocknung
Vo
lum
en
än
deru
ng
Qu
ellen
Sch
win
den
• Wirksamkeit von handesüblichen SRA (nach Schäffel)
• SRA 1:
• 2-Buthylaminoethanol
• 2.2.-Dimethyl-1.3propandiol
• SRA 2:
• Polyoxyalkalyne Alkylether
• Poly(Ethylenglykol ran-Propylenglykol)
• Monobutylether
• SRA 3:
• Dipropylenglykol
• Dipropylenglykol-tert.-buthyl-ether (DPTB)
• Dipropylenglykol-di-tert.-buthyl-ether
SCHWINDREDUZIERER
76
Wirkung verschiedener Schwindreduzierer
0
20
40
60
80
100
120
Rheo DPTB Neop Eclipse Sika
Sch
win
dre
du
zie
run
g [%
]
3
7
14
28
56
84
140
364
1 2 3 4 5
Druckfestigkeitsververlust
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
Referenz DPTB Neop. Rheomac Eclipse SikaControl
Dru
ckfe
stig
keit
[N
/mm
²]
2
7
28
1 2 3 4 5
Aktivitäten im Bereich Schwindreduzierer
- Arbeit an einer prEN 12390-xx:201x „Testing hardened
concrete - Determination of the shrinkage of concrete“
- erhöhte Anzahl an Zulassungsverfahren beim DIBT
- vorbereitende Arbeiten, um die Schwindreduzierer in
die Zusatzmittelnorm DIN EN 480 aufzunehmen
Zusammenfassung - Betonzusatzstoffe
• die verfügbare Menge an Flugasche wird in den nächsten Jahren/
Jahrzehnten signifikant zurückgehen
• die bisher ermittelten k-Werte liegen gegenüber der Flugasche
signifikant höher im Bereich zwischen 0,8 und 1,0
• als realistische Alternative kommen calcinierte Tone in Frage
• Betone mit calcinierte Tonen weisen identische oder verbesserte
Festbetoneigenschaften gegenüber Betonen mit Flugasche auf
• insbesondere bei einigen Dauerhaftigkeitseigenschaften entfalten
calcinierte Tone im Beton eine sehr hohe Leistungsfähigkeit
• momentan benötigen Betonzusatzstoffe auf Basis calcinierter Tone
noch eine Bauaufsichtliche Zulassung, hier ist auch tonspezifisch
die Frage der Stahlpassivierung zu klären
• für Spezialaufgaben werden zukünftig auch speziell aufbereitete
Stahlwerksschlacken zum Einsatz kommen
Zusammenfassung - Betonzusatzmittel
• die PCE-Fließmitteltechnologie hat sich fest in der Beton-
technologie etabliert
• Problemstellungen, wie beispielsweise die starke Zementab-
hängigkeit, die hohe Viskosität und die Gefahr der Überdosierung
wurden mit Produktanpassungen/ -neuentwicklungen behoben
• momentan benötigen Betonzusatzstoffe auf Basis calcinierter Tone
noch eine Bauaufsichtliche Zulassung, hier ist auch tonspezifisch
die Frage der Stahlpassivierung zu klären
• mit den synthetischen C-S-H-Phasen steht nunmehr ein leistungs-
starker, zugelassener Beschleuniger zur Verfügung, der unein-
geschränkt im Stahl- und Spannbeton eingesetzt werden kann
• Schwindreduzierer werden immer populärer, die Zahl der
Zulassungen wächst schnell, eine europäische Norm ist in
Vorbereitung
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!