HV 2.01 B.doc-109

5/9/2018 HV 2.01 B.doc-109 - slidepdf.com

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H. Budelmann, H.-W. Krauss

Einflüsse hochfeiner natürlicher Mineralstoffe

auf Betoneigenschaften

Einleitung und Problemstellung

Ein zentrales Ziel der Zement- und Betonforschung ist die Einsparung bzw. hoheAusnutzung von Portlandzement (PZ). Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Effizienzvon PZ stellt die Herstellung schlanker Bauteile mit höherer Dauerhaftigkeit ausHochleistungsbeton (HLB) dar. Aufgrund des niedrigen w/z-Wertes werden besondersdie groben Partikel des PZ nicht chemisch umgesetzt und können auch durch Füllerersetzt werden /4, 19/. Nachteilig ist dabei die feinere Aufmahlung des PZ, welche dieKosteneffizienz verringert. Zudem wird die Dauerhaftigkeit von Beton bei feinem PZals niedriger eingeschätzt, weil dessen Porosität mit der Feinheit zunimmt /1/. EineStrategie zur Lösung dieses Problems ist der Zusatz hochfeiner Füller, wodurch die

Hydratation des PZ in der Anfangsphase beschleunigt wird. Die Festigkeitsentwicklungwird dann auch durch den Mikrofüllereffekt und somit die dichtere räumliche Lage derPartikel gesteuert. Außer der Effizienzerhöhung von PZ sprechen folgende Gründe fürden Einsatz hochfeiner inerter Füller im Beton: Erhöhung der Effizienz auch derreaktiven Füller (Industrienebenprodukte), Steuerung von Verarbeitungseigenschaftenund die Verfügbarkeit natürlicher Mineralstoffe, wie z.B. Kalkstein, Quarz und Ton.

In dem vorliegenden Artikel werden betontechnologische Vor- und Nachteile diskutiertund versucht, einen Zusammenhang zwischen den Frisch- und Festbetoneigenschaftenund den Stoffparametern der Ausgangsstoffe herzustellen. Grundzüge und Komponen-ten eines Entwurfskonzeptes für Betonrezepturen, das die möglichst effiziente Nutzungder eingesetzten Stoffe ermöglicht, werden vorgestellt und diskutiert.

Entwurfskonzept für Betonrezepturen

Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Zusammenhang zwischen den Eigenschaften und derMenge der Ausgangsstoffe, der Rheologie des Bindemittelleims, der Mikrostruktur desZementsteins sowie den Betoneigenschaften. Strebt man eine bestmögliche Effizienz

der Bindemittelkomponenten an (Verhältnis der Leistungsfähigkeit zu den Kosten bzw.der Menge), so muss neben den Wirkungsmechanismen im Bindemittel auch dieWirkung der Zusatzmittel und der Gesteinskörnung einbezogen werden, weil beiNormalbeton eine optimale granulometrische Abstimmung auch aus wirtschaftlichenGründen meist nicht machbar ist. Vielmehr sind Zusammensetzung und Menge desBindemittels an die Eigenschaften der Gesteinskörnung anzupassen. Neben denZementsteineigenschaften stellt die Packungsdichte der Gesteinskörnung den zweitenHaupteinflussfaktor auf die Betoneigenschaften dar. Die Packungsdichte Pk wurdemehrfach erfolgreich für den Betonentwurf herangezogen, und es konnten mehrereMethoden zur deren realitätsnaher Berechnung entwickelt werden /5, 8, 9, 11, 21/.



BetoneigenschaftenVerarbeitbarkeit, Festigkeitsentwicklung, Schwinden, Porosität

Mikrostruktur ZementsteinPorositätFestigkeitsentwicklungSchwinden

Packungsdichte / Hohlraumgehalt

Zementleimbedarf

GesteinskörnungSieblinie, Kornform, Größtkorn

Bindemittel-zusammensetzung

Zement, Zusatzstoffe

w/z-Wert / äquiv. w/z-WertZusatzmittel

Verdichtungsenergie

Rheologie BindemittelleimViskosität, Fließgrenze

Bornemann /5/ fand eine gute Korrelation zwischen der realen Packungsdichte Pk* undder Betondruckfestigkeit von erdfeuchtem Beton, während der Zusammenhang mitzunehmendem Leimvolumen VB schwächer wird /11/. Sind Pk*, ferner die Rheologiedes Bindemittelleims und die Verdichtungsenergie bekannt, läßt sich der optimale Hohl-raumfüllungsgrad VB /VH* (VH* = 1 – Pk*) und die optimale Bindemittelzusammen-setzung ableiten. Während bei Normalbeton ein Hohlraumfüllungsgrad 1,15 die besteWirkung zeigen kann /11/, dürfte der Wert bei SVB über 1,20 und bei erdfeuchtemBeton deutlich unter 1,0 liegen. Ähnlich funktioniert das Prinzip des überschüssigenLeimvolumens VB

Ü /21/, das durch Abzug des Hohlraumgehaltes vom Gesamtleim-volumen berechnet wird (VB

Ü = VB - VH*). VBÜ wird auf die gesamte Oberfläche der

Gesteinskörnung verteilt. Mit der mittleren Leimschichtdicke dL kann die Verarbeitbar-keit des Frischbetons vorhergesagt werden. Wüstholz /30/ zeigte, dass die Rheologievon SVB mit beiden Parametern VB /VH* und dL modellierbar ist und dass die Berück-sichtigung des Füllertyps zu besseren Korrelationen mit den Messergebnissen führt. Beisteifen Betonen ist eher die Rheologie der die Gesteinskörnung umhüllenden Leim-schicht VB,G und bei fließfähigem Beton eher die des überschüssigen LeimvolumensVB

Ü maßgebend für die Verarbeitbarkeit /11/. Hochfeine Füller können zur Steuerungder hierfür erforderlichen rheologischen Eigenschaften des Leims eingesetzt werden.Die Mikrostrukturbeeinflussung durch Füller wird weiter unten beschrieben.

Einflüsse hochfeiner natürlicher Mineralstoffe auf die Betoneigenschaften

Wirkungsmechanismen

Die wesentlichen Wirkungsmechanismen von mineralischen Füllern in Beton beruhenauf einer Erhöhung der Partikelpackungsdichte und ggf. einer Beeinflussung der chemi-schen Reaktion. Beide Effekte können zu einer verbesserten Festigkeit und Dauerhaftig-keit führen. Die Frisch- und Festbetoneigenschaften, zu denen die Festigkeits- undPorositätsentwicklung, der Wasseranspruch, die Stabilität und die Verarbeitbarkeit

zählen, werden durch zahlreiche Parameter der Füller beeinflusst: Reaktivität, mineralo-

Abb. 1:Haupteinflüsse auf dieEigenschaften vonBeton mit üblicherZusammensetzung



gische Zusammensetzung, Ionengehalt in der Porenlösung, Oberflächenladung undgranulometrische Eigenschaften (Feinheit, Korngrößenverteilung, Kornform, Morpho-logie und Oberflächentextur) /17/. Cyr et al. /7/ unterteilen die Einflüsse von Füllern inden Verdünnungseffekt (abnehmender PZ-Gehalt), den Keimbildungseffekt und ggf. diechemische Reaktion (Abb. 2). Die Festigkeit von Mörtel nach 28 Tagen (w/z = 0,50)nimmt mit zunehmender Verdünnung f dilution ab, während die Füllerwirkung ∆f ϕ und diepuzzolanische Reaktion f pz dem entgegen wirken. Folglich nimmt die Festigkeit bei

inerten Füllern mit zunehmender Füllermenge deutlicher ab als bei reaktiven Füllern.

Der Einfluss inerter Füller in Mörtel und Beton wurde häufig untersucht /7, 19, 23, 25/.Ein Gehalt von 5 bis 10 M.-% wird allgemein als nicht schädlich angesehen /19, 27/.Inerte Füller zeigen i.W. eine physikalische Wirkung, welche hauptsächlich im jungen

Betonalter wirksam ist /7, 23/. Die physikalische „Füllerwirkung“ besteht aus der Keim-bildungsfunktion, der Beeinflussung der Partikelpackungsdichte im Feinkornbereichund den interpartikulären Wechselwirkungen, welche die Rheologie und die räumlichePartikelanordnung beeinflussen. Chemische Reaktionen spielen eine untergeordneteRolle. Bei Portlandkalksteinzement (PKZ) wird der Verdünnungseffekt durch gemein-same Feinermahlung ausgeglichen /7/. Die resultierende „Mikrofüllerwirkung“ basiertauf der besseren Ergänzung der Korngrößenverteilung des Zements und der Füllung derHohlräume zwischen den Zementpartikeln, wobei der Effekt bei hochfeinen Füllerndurch die Agglomerationsneigung abnimmt /26/. Nehdi und Mindess /19/ sehen ausdiesem Grund bei der Feinermahlung aufgrund der Kornform, der elektrostatischen

Ladung der Partikel und der immer problematischeren Agglomeration Grenzen gesetzt.

Beeinflussung der Rheologie des Bindemittelleims und der Frischbetoneigenschaften

Durch Zugabe von Füllern mit ähnlicher Feinheit, jedoch anderer Korngrößenverteilung(KGV) und Kornform, kann der Wassergehalt von Zement verringert werden. Die breiteKGV von Kalksteinmehl wird bei PKZ genutzt, um den Wasseranspruch für die Norm-steife nach EN 196 zu reduzieren und gleichzeitig die Verarbeitbarkeit des Betons zuerhöhen /27/. Nehdi und Mindess /19/ stellten an Mörtel mit geringem w/z-Wert beiZugabe eines sehr feinen Kalksteinmehls eine leichte Abnahme des Fließmittelbedarfs,

eine Zunahme der Fließgrenze und eine leichte Abnahme der plastischen Viskosität mitzunehmendem Fülleranteil fest. Untersuchungen an Betonen mit niedrigem w/z-Wert

Abb. 2: Entkopplung der Festigkeits-anteile durch chemische undphysikalische Wirkungen sowie denVerdünnungseffekt /7/



zeigten ähnliche Ergebnisse. Bei Zugabe von 15 M.-% Füller konnte die Verarbeit-barkeit von Beton mit zunehmender Feinheit der Füller verbessert werden, was mit derbesseren Schmierung zwischen den groben Gesteinskörnern erklärt wurde. Dies ist derHauptgrund dafür, dass die Wirkung von Mikrofüllern im Beton deutlicher ist als imMörtel /19/. Bei hohen spezifischen Oberflächen kann die Füllerwirkung auf die Verar-beitbarkeit durch einen ggf. erhöhten Wasseranspruch verschlechtert werden /17/. Einerhöhter Wasseranspruch kann sich jedoch auf die weiteren Frischbetoneigenschaften

positiv auswirken, indem die Kapillarzugspannung („scheinbare“ Kohäsion) erhöht undsomit das Bluten und die Sedimentation verringert wird.

Zum rheologischen Verhalten von Bindemittelleimen mit verschiedenen inerten Füllernwurden eigene Untersuchungen in einem Rheometer mit einem angerauten Platte-Platte-Messsystem durchgeführt. Die Leime wurden bei 5 Vol.-% Zementersatz durch Zusatz-stoffe und einem Wasser-Feststoff-Volumenverhältnis Vw /Vf = 1,40 (w/b = 0,45) dreiMinuten intensiv gemischt und 10 Minuten nach Wasserzugabe untersucht. Das Scher-profil und die Auswertungsmethode nach Bingham wurden in Anlehnung an Malonn /16/ gewählt. Ein Ergebnisbeispiel ist in Abb. 3 in Form von Fließkurven dargestellt.

Alle Füller bewirken eine Zunahme der Fließgrenze, wobei das Tonmehl T1 (vgl. Tab.1) den höchsten Wert erreicht. Das Quarzmehl Q2 zeigt trotz höherer Feinheit nur einehalb so hohe Fließgrenze, jedoch eine deutlich höhere plastische Viskosität (Anstieg derKurve), während das Kalksteinmehl K2 aufgrund der geringeren Feinheit niedrigereWerte zeigt. Die hohe Fließgrenze, verbunden mit der verhältnismäßig niedrigen plasti-schen Viskosität, verdeutlicht die besondere Wirkung des Tonmehls im Vergleich zuanderen Füllern, die mit der Kohäsion und den plastischen Eigenschaften (Schmierung)der Partikel erklärt wurde /6, 15, 16/. Um die Verdichtung des anfänglichen Porenraumszu demonstrieren, wurde der Wasseranspruch nach Puntke WAP /22/ an verschiedenenBindemittelkombinationen ohne Fließmittelzugabe ermittelt. Die Ergebnisse sind inTab. 1 angegeben. WAP beträgt bei 100% Z1 27,4 M.-%, was dem Wasseranspruch beiNormsteife nach EN 196 entspricht. Bei Ersatz von 5 M.-% Z1 durch K2 und Q1 wurdeWAP verringert und bei Q2 und T2 aufgrund der hohen Feinheit leicht erhöht. EineAusnahme bildet der Ton T1, der trotz sehr hoher Feinheit unter dem Wert von Z1blieb. Die beobachtete Verdichtung des Initialporensystems kann zu einer feinerenPorenstruktur im erhärteten Zementstein führen, weil die Hydratationsprodukte wenigerPorenraum ausfüllen müssen. Bedingung ist allerdings eine gute Verdichtung undDispergierung der feinen Partikel.

Beeinflussung der chemischen ReaktionenKristalline Füller gelten als chemisch inert. Jedoch wurde z.B. die Reaktion von CaCO3 mit C3A zu Monocarbonat C3A·CaCO3·11H2O festgestellt /3/. Die Umwandlung vonEttringit zu Monosulfat wird durch CaCO3 behindert, so dass Ettringit über einen langenZeitraum bestehen bleibt und die Porosität erhöht wird /24/. Weitere Untersuchungenzeigten, dass CaCO3 mit zunehmender Feinheit die Hydratation des C3S fördert, zumTeil in die C-S-H Phasen eingebunden wird und sich das C/S-Verhältnis mit demCaCO3-Gehalt erhöht /24/. Während Sprung und Siebel /27/ die Bildung gröberer CH-Kristalle bei Kalksteinmehlzusatz feststellten, beobachteten Ramachandran und Zhang /24/ die Bildung deutlich feinerer CH-Kristalle bei Zusatz von CaCO3, was mit der

höheren spezifischen Oberfläche des Feinstoffsystems erklärt wurde. Der Festigkeits-



beitrag des Monocarbonats wird im Allgemeinen als vernachlässigbar angesehen.Anhand des gemessenen CH-Verbrauchs im hohen Betonalter wurde auch bei Quarz-partikeln auf eine geringfügige puzzolanische Reaktion geschlossen /27/.

20 40 60 100 120

Scherrate Á [1/s]

0

20

40

60

80

100% Z1

5% Q2

5% K2

5% T1

80

S c h u b s p a n n u n g

[ P a

]

τ

Zement Z1

Mikrosilika S1

Kalkstein K1

Kalkstein K2

Quarz Q1

Quarz Q2

Ton T1

Ton T2

Chemische Zusammensetzung

SiO2 19,8 98,3 6,5 6,5 99,0 98,5 68,0 46,4Al2O3 5,2 0,3 1,5 1,5 0,3 1,0 24,0 36,4

Fe2O3 2,4 0,05 0,5 0,5 0,05 0,05 2,4 1,6

CaCO3 - - 90,0 90,0 - - - -

MgCO3 - - 0,8 0,8 - - - -

CaO(+MgO) 66,9 0,3 - - 0,1 0,1 0,2 -

Na2O (äquiv.) 0,7 0,2 - - 0,2 0,1 1,2 1,1

Glühverlust 1,3 0,6 40,5 40,5 0,2 0,2 6,9 12,4

Physikalische Eigenschaften und granulometrische Parameter

Rohdichte 3,15 2,20 2,70 2,72 2,65 2,65 2,69 2,69Spez. Oberfl.Blaine (cm²/g)

3.436 - 6.000 12.000 3.800 - - -

Spez. Oberfl.BET (m²/g)

0,91 20,4 4,9 5,0 0,86 22,5 18,4 15,7

d501)

(µm) 14,95 0,17 9,0 2,5 16,0 5,5 4,0 1,9

RRSB1)

n 0,85 - 0,48 1,30 0,89 0,91 0,79 -

RRSB1)

d’ 20,72 - 8,38 2,79 30,37 20,17 7,40 -

WAP 2)

f/z = 0,05

27,40 - 26,20 26,60 26,20 27,40 27,20 27,90

1) Daten aus Lasergranulometrie; 2) Wert für Zement Z1 ohne Zusatzstoffe

Tab. 1: Chemische und mineralogische Zusammensetzungen der untersuchten Stoffe

Abb. 3:Fließkurven von Zusatzstoff-

Zementsuspensionen mit unter-schiedlichen Zusatzstofftypen

Verwendetes Messprofil /16/



Beeinflussung der Mikrostruktur und der Festbetoneigenschaften

Feine mineralische Füller bewirken einen früheren Beginn der Induktionsperiode undeine Beschleunigung der Hydratation im frühen Betonalter. Die Wirkung nimmt mitzunehmendem Alter ab und, bezogen auf den Zementgehalt, mit zunehmendem Füller-anteil und zunehmender Feinheit zu /19, 23/. Cyr et al. /7/ erkannten keine signifikantenUnterschiede zwischen der Beschleunigungswirkung von Quarz-, Kalkstein- und Flug-aschefüllern gleicher Feinheit. Quarz- und Kalksteinfüller zeigten ähnliche Steige-

rungen des Hydratationsgrades im jungen Alter, während im höheren Alter bei Quarzgrößere Hydratationsgrade und höhere Festigkeiten erreicht wurden /23, 25, 27/. Zuanderen Ergebnissen gelangten Stark et al. /28/, die bei Quarzfüllern nur bei sehr hohenspezifischen Oberflächen eine beschleunigende Wirkung beobachteten. Kalksteinfüllerübt dagegen aufgrund der hohen Affinität für C-S-H und CH, deren Wachstum an denKalksteinoberflächen beobachtet wurde, eine erhöhte Wirkung aus /28/. Die Beschleu-nigung wird unter anderem mit der schnelleren Lösung der Calciumionen und dergeringeren Sättigungskonzentration, die zur Ausfällung von Hydratationsproduktenerforderlich ist, begründet /24, 28/. Eine Erklärung für die Kurvenverläufe in Abb. 2liefert der niedrigere Gelvolumenanteil Vg im erhärteten Zementstein, der gut mit der

Festigkeit korreliert /2, 4/. Die Beschleunigung bewirkt nur zu Beginn der Hydratationeine höhere Festigkeit, kann aber später von dem Verdünnungseffekt übertroffenwerden, was sich in geringerem Gelvolumen und niedrigeren Festigkeiten äußert. DieVerdichtung der Kontaktzone durch hochfeine Füller könnte bei annähernd konstantemGelvolumen eine höhere Festigkeit und Dauerhaftigkeit bewirken. So wiesen Betonemit PKZ und PZ gleicher Festigkeitsklasse nach 28 Tagen ähnliche Porenstrukturen undHydratationsprodukte auf /25/. Dies hatte zur Folge, dass auch die Dauerhaftigkeit(Frostangriff, Carbonatisierung, Chloriddiffusion) bei beiden Zementtypen ähnlich warund i.W. von der chemischen Zusammensetzung des Klinkers abhing.

In eigenen Versuchen wurde der Einfluss der Feinheit und der Mineralogie inerterFüller auf die Beschleunigung der Zementhydratation und auf die Mikrostrukturent-wicklung untersucht. Die Entwicklung des Hydratationsgrades wurde mittels isothermerKalorimetrie mit dem von Nothnagel /20/ verwendeten Versuchsaufbau und dem Aus-wertungsprinzip nach Leusmann /13/ untersucht. Die Untersuchungen erfolgten anBindemitteln mit jeweils 5 M.-% Zementersatz durch Füller T1, Q1, Q2, K1, K2 und S1(vgl. Tab. 1), konstantem w/b = 0,40 und ohne Fließmittelzugabe.

20

22

24

26

0 5 10 15 20Hydratationsdauer [h]

T e m p e r a t u r [ ° C ]

w/z = 0,40 ; 100% Z1

w/b = 0,40 ; 5% T1

w/b = 0,40 ; 5% Q2

w/b = 0,40 ; 5% S1

Abb. 4: Temperaturverläufe

bei Zementstein mit hoch-feinen Füllern; f/z = 0,05;isotherme Kalorimetrie



In Abb. 4 ist die Temperaturentwicklung im Vergleich zu 100 % Z1 dargestellt. Es istzu erkennen, dass alle Füller die Hydratation beschleunigen, ohne dass sich der Beginnder Induktionsperiode sichtbar verschiebt. Das Tonmehl T1 beschleunigt die Zement-hydratation weit stärker als die noch feineren Stoffe Q2 und S1. Die Ergebnisse deshochfeinen Kalksteinmehls K2 sind in Abb. 4 nicht dargestellt, liegen aber auf dem-selben Niveau wie bei Q2. In Abb. 5 ist die Steigerung des Hydratationsgrads nacheinem und nach 28 Tagen (α(t)f,i), bezogen auf Zementstein mit 100 % Z1 (α(t)Z1) und

somit als Maß für die Effizienzsteigerung, dargestellt. Die Beschleunigungswirkungnimmt mit zunehmendem Alter ab und ist nach 28 Tagen bei allen Füllertypen etwagleich. Die Beschleunigungswirkung kann nicht allein mit der KGV oder der Feinheitnach BET erklärt werden. Vielmehr wird der Einfluss der mineralogischen Eigenschaf-ten auf die Beschleunigungswirkung deutlich. Es ist zu erwähnen, dass die errechneteGesamtwärmemenge bei Reduzierung des Zementgehalts mit zunehmender Beschleuni-gung in der Anfangsphase überproportional zur Zementersatzmenge abnimmt. Diesdeutet auf eine Veränderung der Reaktionskinetik hin und zeigt, dass eine schnelleErhärtung nicht zu einem größeren Zementumsatz im hohen Betonalter führen muss.

-10

0

10

20

30

T1 K1 K2 Q1 Q2 S1

nach 1 Tag nach 28 Tagen

(

( t ) - ( t ) ) /

( t ) i n

α

f , i

Z 1

Z 1

α

α

Um die Entwicklung der Phasenvolumen im Zementstein, z.B. des Gelvolumenanteils,zu verfolgen, wurde das chemisch gebundene Wasser wn in Anlehnung an die Methodevon Nothnagel /20/ mittels Vakuumtrocknung und Glühen bis 1000°C unter Abzug desGlühverlusts der Ausgangsstoffe ermittelt und auf die Zementtrockenmasse bezogen. InAbb. 6 ist die Zunahme von wn bei Zementstein mit 5 M.-% Füller wn,f,i, bezogen auf

den Wert bei 100 % Z1 wn,Z1, nach einem und 28 Tagen in Prozent dargestellt. Es wirddeutlich, dass die Entwicklung des chemisch gebundenen Wassers von der desHydratationsgrades in Abb. 5 abweicht. Dies ist mit dem o.g. Zusammenhang zuerklären, dass offensichtlich stark beschleunigende Füller zu einer geringeren maxi-malen Temperatur führen als aus der Gesamtwärmemenge zu erwarten wäre. EineErklärung hierfür könnte auch die Wasserspeicherung in den Agglomeraten bei denhochfeinen Füllern T1, Q2 und S1 liefern, die zu einer Verringerung des effektiven w/z-Werts (w/z)eff führt, während bei weniger feinen Füllern (w/z)eff ansteigt. Auch hierbeeinflusst die mineralogische Zusammensetzung das Ergebnis, wie am Beispiel vonT1, T2, K1 und Q1 zu sehen ist. Die Wirkung der Kalksteinmehle und Tonmehle ist zu

Beginn der Hydratation besonders hoch, während Q1 nach 28 Tagen aufholt.

Abb. 5:Effizienzsteigerung des Port-landzements (Erhöhung desHydratationsgrades α(t))durch Füller nach einem undnach 28 Tagen;w/b = 0,40, f/z = 0,05;isotherme Kalorimetrie



Die geringere Wirkung von Q2, die Abnahme der Wirkung von T1 nach 28 Tagen unddie geringe Wirkung von Mikrosilika S1 ist ebenfalls mit dem hohen Eigenwasser-anspruch bzw. der Agglomeration der Partikel zu erklären. Das Argument wirdunterstützt durch die Beobachtungen von Kroyer et al. /12/, die bei einem w/z-Wert von0,40 bei 10 M.-% Mikrosilika im Vergleich zu Kaolinit und zu reinem Portlandzementebenfalls geringere Werte für wn feststellten.

0

10

20

30

40

50

T 1

T 2

K 1

K 2

Q 1

Q 2

S 1

( w

- w

) / w

i n

n ,

f , i

n ,

Z 1

n ,

Z 1

nach 1 Tag nach 28 Tagen

Besondere Wirkung alumosilikatischer Füller und Anwendungsbeispiele

Zur Wirkung von Tonmineralen auf die Rheologie und das Erhärtungsverhalten zement-gebundener Systeme existieren wenige Veröffentlichungen. Natürlichen Tonen wirdteilweise eine gewisse puzzolanische Reaktivität zugewiesen /10, 14/, während mancheUntersuchungen keine Reaktivität erkennen ließen /12/. Auf den Oberflächen derTonpartikel wurde ein Wachstum von C-S-H-Phasen beobachtet /14/, wobei die Länge

der C-S-H-Nadeln von der Tonmineralogie abhängt /12/. Es wurde eine von der Ton-mineralogie und -feinheit abhängige Beschleunigung der Zementhydratation festgestellt /10, 12, 14/. Bei 30 M.-% Zementersatz durch Tonminerale wurde eine Festigkeits-abnahme bei Mörteln beobachtet, die mit der Tonart, insbesondere mit der Festigkeitder Tonplättchen, sowie der Feinheit korrelierte /10/. Malonn /16/ kam zu demErgebnis, dass sich Tone mit nicht quellenden Mineralen (Kaolinit, Illit) und Quarz gutals Betonzusatzstoff eignen. Untersuchungen mittels Heliumporosimetrie ergaben bei10 M.-% Zementersatz durch Kaolinit gleiche Porositäten im Zementstein wie beiMikrosilika und reinem Portlandzement /14/. Im Unterschied zu Mikrosilika leistet

Kaolinit jedoch keine Nacherhärtung. Der Austausch eines geringen Sandvolumensgegen Tonmehl T1 führte zu einer deutlichen Verbesserung der Verarbeitbarkeit, derPorosität, der Festigkeit und der Dauerhaftigkeit von Betondachsteinen /15/. Auch dieVerbesserung der Verarbeitbarkeit erdfeuchter Betone und somit die Erzielung höhererPackungsdichten und Festigkeiten gelang mehrfach /15/. Die Rolle der die Gesteins-körnung umhüllenden Leimschicht für die Verarbeitbarkeit bei geringen Hohlraum-füllungsgraden wurde oben verdeutlicht /7/. Tonminerale führen zu einer deutlichenVerbesserung der rheologischen Eigenschaften dieser Schicht. Ihre Wirkung wird durchdie Ionenkonzentration in der Porenlösung, die Feststoffkonzentration und die Zusatz-menge gesteuert /6, 16/. In der Praxis werden Tonminerale daher auch zur Stabilisierung

setzungsempfindlicher Betone genutzt.

Abb. 6:Effizienzsteigerung des Port-landzements (chem. geb.Wasser wn,f,i durch Füller,bezogen auf das chem. geb.Wasser ohne Füller wn,Z1)nach einem und 28 Tagen;w/b = 0,40, f/z = 0,05



Durch die Anlagerung der Tonpartikel in der Kontaktzone wird die Permeabilität gegen-über reinem Zementstein verringert, aber auch das mechanische Verhalten und dieDauerhaftigkeit beeinflusst. Bedingung für einen höheren Frost-Tausalz-Widerstand mitTon modifizierter erdfeuchter Betone ist die Erhöhung der Packungsdichte /15/. Abb. 7zeigt Ergebnisse der kapillaren Wasseraufnahme nach DIN EN 408-5 an Mörtelprismenmit 0%, 10% und 20% Tonmehl T1. Auch bei Zementersatz nimmt das kapillareWassersaugen mit zunehmendem Tongehalt kontinuierlich ab. Parallel sinkt der mittlere

Porenradius durch Tonzugabe geringfügig während die Gesamtporosität leicht ansteigt(Ergebnisse der Quecksilberdruckporosimetrie nicht dargestellt).

0

2

4

6

8

f / z = 0

f / z = 0 , 1

( E )

f / z = 0 , 1

( Z )

f / z = 0 , 2

( E )

f / z = 0 , 2

( Z )

K a p i l l a r e W a s s e r a u f n a h m e

n a c h

2 4 h i n M . - %

Diskussion und weiterer Forschungsbedarf

Abb. 8 zeigt den prinzipiellen Zusammenhang zwischen der Bindemittelzusammen-setzung und der Mikrostruktur von Zementstein sowie der Rheologie des Bindemittel-leims. Eine wichtige Rolle spielt dabei die räumliche Anordnung der Partikel, die nebenden rheologischen Eigenschaften auch das Initialporensystem beeinflusst, das späterdurch Hydratationsprodukte gefüllt wird. Der Partikelabstand wird unter anderem durchKorngrößenverteilung, Mahlfeinheit, Kornform, Füllermenge (f/z), w/b-Wert, Fließ-mittelgehalt, Oberflächenladung und Ionenkonzentration in der Porenlösung bestimmt.Nothnagel /20/ hat in sein Mikrostrukturmodell einen Ansatz integriert, mit dem eineagglomerierte Partikelanordnung in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung undder Partikelgröße erfolgt, um darauf basierend die Entwicklung des Porensystems

realitätsnah zu simulieren. Eine noch genauere Lösung ist bei Berücksichtigung derelektrostatischen und mineralogischen Eigenschaften sowie der Kornform möglich.Wallevik /29/ ordnet in seinem Modell den Zementpartikeln anhand des resultierendenelektrostatischen Potentials einen Zustand a) koaguliert, b) reversibel koaguliert oderc) dispergiert zu. Darauf basierend werden die Fließgrenze und Viskosität unter Berück-sichtung eines Reibungsbeiwerts numerisch berechnet. Im Hinblick auf die Frischbeton-eigenschaften sind die rheologischen Eigenschaften des Leims in der die Gesteins-körnung umhüllenden Schicht und der Leimmatrix differenziert zu betrachten, weil dieWirkung beider Komponenten vom Hohlraumfüllungsgrad abhängig ist. Folglich sindfür verschiedene Betonarten auch unterschiedliche Leimeigenschaften für eine optimale

Verarbeitbarkeit erforderlich.

Abb. 7: Kapillare Wasseraufnahme nachDIN EN 480-5 an Mörteln; Z = 280 kg/m³,w/z = 0,50; f/z = 0,1 und 0,2 (Ton T1);60% zusätzliches Adsorptionswasser fürTon; E: Zementersatz, Z: Zusatz;Alter = 28 Tage



Die Berechnung der Mikrostruktur bei Füllerzusatz mit einem bestehenden Modell, z.B.von Nothnagel /20/, erfordert die Anpassung der Algorithmen. Bentz /2/ zeigte, dass derZusatz von Kalksteinmehl bei der Struktursimulation mit wenigen Parametern erfasstwerden kann. Das Simulationsmodell CEMHYD3D wurde um die Bildung von Mono-carbonat und um die Beschleunigungswirkung ergänzt. Mit Hilfe der Modellrechnungkonnte belegt werden, dass die Wirkung inerter Füller in Beton mit niedrigem w/z-Wertbesonders hoch ist. Auch hier gilt, dass verbesserte Modellansätze die Wirkung der

Agglomeration und der mineralogischen Zusammensetzung zu unterschiedlichenHydratationszeitpunkten berücksichtigen müssen. Das Ergebnis von Mikrostruktur-berechnungen sind Porositätskenndaten und die Volumenanteile der Zementstein-komponenten, woraus alle wichtigen Eigenschaften des Zementsteins berechnet werdenkönnen. Struktursimulationen könnten auch zur Entwicklung makroskopischer Modelledienen, indem komplexe Parameterstudien simuliert und auf einfache Zusammenhängereduziert werden. Die Modellkalibrierung muss nur an wenigen Versuchen erfolgen.

Rheologie des LeimsViskosität, Fließgrenze

Kohäsion, (Plastizität)

Bindemittelzusammensetzung

ZementMineralogieKorngrößenverteilungMahlfeinheit

Ionenfreisetzung, pH

ZusatzstoffeMineralogie, Reaktivität

KorngrößenverteilungKornform, MorphologieMahlfeinheitOberflächenladung

f/z

Räumliche Anordnungder Partikel Mikrostruktur des

ZementsteinsPorositätsentwicklung

HydratationsgradFestigkeitsentwicklungSchwinden

w/b, Fließmittelgehalt

Zur Vorhersage der Betoneigenschaften kann die Wirkung der Gesteinskörnung über

den Ansatz des Hohlraumfüllungsgrades VB /VH* erfasst werden. Der Zementstein hat inAbhängigkeit von VB /VH* einen unterschiedlichen Anteil bei der Bestimmung derBetoneigenschaften. Bei der Modellierung der Festigkeits- und Transporteigenschaftenist jedoch auch der Einfluss der Kontaktzone zu berücksichtigen, deren Eigenschaftenmaßgeblich von Zusatzstoffen beeinflusst werden. Ein Modellierungsansatz mit einemDreistoffsystem, bestehend aus Zementstein, Kontaktzone und Gesteinskörnung, wurdebereits für die Vorhersage der mechanischen Betoneigenschaften entwickelt /18/. DasFernziel muss lauten, den in Abb. 1 gezeigten Zusammenhang zwischen Ausgangs-stoffen (inkl. inerter und reaktiver Zusatzstoffe), Rezepturparametern und den Frisch-und Festbetoneigenschaften in einem Modell abzubilden, das die Eigenschaften der

Kontaktzone, des Zementsteins und der Gesteinskörnung berücksichtigt.

Abb. 8:

Einflussparameter auf die Mikrostruktur vonZementstein und dieRheologie des Leims



Zusammenfassung

Es wurde gezeigt, wie inerte Füller die Frisch- und Festbetoneigenschaften beeinflus-sen, wobei die mineralogische Zusammensetzung und die Agglomeration eine großeRolle spielen. Tone besitzen aufgrund ihrer Kohäsion und Plastizität verbesserte rheolo-gische Eigenschaften gegenüber üblichen inerten Füllern. Dagegen wird die Hydratationund die Entwicklung des Porensystems bis auf die Anfangsphase ähnlich beeinflusst.

Die effizienteste Lösung für die Nutzung der Beschleunigung und der rheologischeWirkung hochfeiner inerter Füller in Beton könnte in dem Dreistoffsystem „Zement / Puzzolan / inerter Füller“ bestehen, wodurch sowohl die Frühfestigkeit als auch dieDauerhaftigkeit begünstigt wird. Solche Bindemittelsysteme ermöglichen neben Hoch-leistungsbeton auch bei Normalbeton eine effizientere Nutzung der eingesetzten Stoffe.

Einige Mikrostruktur- und Rezepturmodelle wurden bereits um die Wirkung der Füllerergänzt. Für eine realitätsnahe Berechnung der Mikrostruktur von mit Füllern modifi-ziertem Zementstein wird empfohlen, neben den Parametern Hydratationsgrad, w/b-Wert und Korngrößenverteilung auch die mineralogische Zusammensetzung und das

Agglomerationsverhalten zu berücksichtigen. Ein Langzeitziel muss sein, den Einflussder Oberflächeneigenschaften feiner Partikel, wie z.B. der Kornform, der Oberflächen-ladung und der Morphologie, auf die Rheologie und die Mikrostruktur zu klären. DieErgebnisse einer Mikrostrukturberechnung müssen in makroskopische Modelle inte-griert werden, mit denen ein einfacher Zusammenhang zwischen Ausgangsstoffen undRezepturparametern sowie den Betoneigenschaften hergestellt werden kann. Hierfürsind Modelle geeignet, welche den Einfluss des Zementsteins, der Gesteinskörnung undder Kontaktzone berücksichtigen.

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Verfasser:

Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann Hans-Werner KraussTechnische Universität Braunschweig Technische Universität BraunschweigiBMB - Institut für Baustoffe, iBMB - Institut für Baustoffe,Massivbau und Brandschutz Massivbau und BrandschutzBeethovenstr. 52 Beethovenstr. 52

D – 38106 Braunschweig D – 38106 Braunschweig

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