Innovative Betone: UHPC Von ultrahochfest bis ... · 3 Gärtnerplatzbrücke Kassel, Deutschland...
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1 Innovative Betone: Von ultrahochfest bis selbstreinigend Dipl.-Ing. Birgit Westermann, HeidelbergCement AG, Mainz Gliederung UHPC Lichtbeton Photokatalyse Die neue Straße Textilbeton Neue Anwendungen Gliederung UHPC Lichtbeton Photokatalyse Die neue Straße Textilbeton Neue Anwendungen Was ist UHPC? U ltra H igh P erformance C oncrete - Ultra-Hochfester Beton Druckfestigkeit ≤ C50/60 Normal- beton ≤ C100/115 Hochfester Beton > C100/115 Ultra-Hochfester Beton Druckfestigkeitsklasse Historie Densit A/S (DK) hochfester Einpressmörtel 1981 1982 Imperial Chemical Industries 80 % Zement, 20 % Wasser + PVA Ductal ® Quasi-duktiles Tragverhalten 2000 Eigenschaften von UHPC 1 - 4 8 – 10 Zugfestigkeit [MPa] 20 - 40 55 – 60 E-Modul [GPa] 36 – 40 180 – 220 2,45 – 2,55 UHPC (Beispiel) 2 - 8 Biegezugfestigkeit [MPa] 10 - 60 2,2 – 2,5 Normalbeton Druckfestigkeit [MPa] Dichte [kg/dm³] Eigenschaft
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Innovative Betone:
Von ultrahochfest bis selbstreinigend
Dipl.-Ing. Birgit Westermann, HeidelbergCement AG, Mainz
Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
Was ist UHPC?
Ultra High Performance Concrete - Ultra-Hochfester Beton
Dru
ckfe
stig
keit
≤ C50/60
Normal-beton
≤ C100/115
HochfesterBeton
> C100/115
Ultra-HochfesterBeton
Druckfestigkeitsklasse
Historie
Densit A/S (DK)hochfester Einpressmörtel
1981
1982
Imperial Chemical Industries80 % Zement, 20 % Wasser + PVA
Ductal®Quasi-duktiles Tragverhalten
2000
Eigenschaften von UHPC
1 - 48 – 10Zugfestigkeit [MPa]
20 - 4055 – 60E-Modul [GPa]
36 – 40
180 – 220
2,45 – 2,55
UHPC(Beispiel)
2 - 8Biegezugfestigkeit [MPa]
10 - 60
2,2 – 2,5
Normalbeton
Druckfestigkeit [MPa]
Dichte [kg/dm³]
Eigenschaft
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Dimensionierung – Träger gleicher Tragfähigkeit
UHPC Stahl
StahlbetonSpannbeton
Eigenschaften von UHPC
510 kg/m
700 mm
Stahl-beton
110 kg/m
360 mm
Stahl
130 kg/m
360 mm
UHPC
470 kg/m
700 mm
Spann-beton
Gewicht
Trägerhöhe
Baustoff
Materialkosten
UHPC 700 - 1000 €/m³ (0,30 - 0,40 EUR/kg)
Normalbeton 50 - 75 EUR/m³
Stahl 0,65 EUR/kg
Beispiel für einen Träger vergleichbarer Tragfähigkeit:
UHPC 50 €/m
Normalbeton 15 €/m
Stahl 70 €/m
Anwendungen
Sherbrooke Footbridge, Kanada 1997Spannweite 60 m
Seonyu Footbridge, Seoul Südkorea 2002Spannweite 120 m
Anwendung
Sakata-Mirai Footbridge, Japan 2004Spannweite 50 m
Anwendung
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Gärtnerplatzbrücke Kassel, Deutschland 2007Länge 120 m
Anwendung Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
Lichtbeton
FARBE
LICHT
SCHATTEN
Lichtbeton
LICHTLICHT
SCHATTEN
FARBE
SCHATTEN
Das Prinzip
Fasern werden in Beton eingebettet
Die Fasern …
… liegen senkrecht zur Stein- bzw. Wandoberfläche
… verlaufen von Steinvorder- zu -rückseite
Licht Licht
Das Prinzip
Verwendung von optischen Fasern
Mantelmaterial (Brechzahl n1)
Kernmaterial (Brechzahl n2)
n2 > n1
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Lichtbeton
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Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
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Problem Luftqualität Problem Luftqualität Problem Luftqualität
EU - Rahmenrichtlinie (EG – RL 96/62) zur Luftqualitätsüberwachung vom 27. September 1996 wurde 2002 in deutsches Recht umgesetzt (22. BImSchV)
-40 µg/m³
max. 18 Überschreitungen je Jahr
200 µg/m³ab 01.01.2010
max. 175 Überschreitungen je Jahr
-200 µg/m³bis 31.12.2009
Mittelwert über ein Kalenderjahr
1 Stunden-Mittelwert
Immissions-grenzwerte für NO2
Problem Luftqualität - Stickstoffoxide Grundlage der Photokatalyse
Katalysator (Definition von J. J. Berzelius, 1836):
Ein Katalysator ist eine Substanz, die – ohne selbst bei der
Reaktion maßgeblich verbraucht zu werden – die
Bildungsgeschwindigkeit von Reaktionsprodukten erhöht.
Grundlage der Photokatalyse
Der Katalysator erhöht die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Lichteinwirkung
indirekte Reaktion:auf der Oberfläche des Katalysators bilden sich unter Einwirkung von Lichtstrahlung stark reaktive Substanzen (Radikale)diese Radikale sind in der Lage mit organischen und anorganischen Substanzen zu reagieren
direkte Reaktion:direkte Oxidation bzw. Reduktion von Schadstoffen an der Oberfläche des Katalysators
Der Photokatalysator regeneriert nach jedem Zyklus der Interaktion.
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Laborprüfverfahren zur Ermittlung der photokatalytischen Effektivität
Verfärbungstest am Würfel
Mörtelrezeptur: Plastischer Mörtel aus 2 Teilen Sand + 1 Teil Zement + 0,6 Teile Wasser
Form: Würfel (50 x 50 x 50) mm³
Farbstoff: Rhodamin-B (organische Farbe)
Messung: Farbmessung nach einer Bestrahlungs-dauer von 4 , 6 und 24 Stunden
nach 24 Stunden
Laborprüfverfahren zur Ermittlung der photokatalytischen Effektivität
G1 – Beton ohne TitandioxidG5 – Beton mit titandioxidhaltigem Zement
TioCem®
Auftrag von Rhodamin B(organischer Farbstoff)
Titandioxid mit “normaler“Kristallitgröße > 250 nm:
Weißpigment
Photokatalysator Titandioxid
Titandioxid mit “normaler“Kristallitgröße > 250 nm:
Weißpigment
Bekannteste und meistverwendete Weißpigment aufgrund seines hohen Aufhell- und Deckvermögens
Einsatz in Lacken, Anstrichfarben, Kunststoffen und Papier sowiekosmetischen und pharmazeutischen Produkten
Titandioxid ist wegen der untoxischen Eigenschaften auch für die Lebensmittelindustrie zugelassen
Photokatalysator Titandioxid
Nano-Titandioxid mit “kleiner“Kristallitgröße < 50 nm:
UV-Licht
z.B. UV-Schutz,
Photokatalysator
Photokatalysator Titandioxid
Nano-TiO2 mit “kleiner“ KristallitgrößeTiO2 mit “normaler“ Kristallitgröße
Photokatalyse
Haardurchmesser bei 0,1 mm ⇒ 10.000 nm
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TioCem®High-Tech-Zement zur Reduktion von LuftschadstoffenGliederung
Problem Luftqualität
Grundlage der Photokatalyse
Stickoxidreduktion durch photokatalytisch aktive Betonoberflächen
Anwendungsbeispiele für TioCem®
Stickoxidreduktion durch photokatalytisch aktive Betonoberflächen
Photokatalytisch aktive Oberflächen können einen erheblichen Beitrag zur Luftreinhaltung in den Städten und zur Einhaltung der ab 2010 geltenden, neuen europaweiten Grenzwerte für NOx erbringen.
TioCem® ist ein Premium-Zement, der mittels eingebautem Photokatalysator schädliches NOx in harmloses NO3
- umgewandelt.
Stickoxidreduktion durch photokatalytisch aktive Betonoberflächen
Die photokatalytische Oxidation des NOx in harmloses NO3- ist eine
Kontaktreaktion die durch Licht angeregt wird und daher nur an der Oberfläche abläuft.
Das dabei entstehende NO3- ist weder giftig noch gesundheits-
gefährdend. Es reagiert mit dem Calciumhydroxid der Betonoberfläche und fließt mit dem nächsten Regen ab.
Stickoxidreduktion durch photokatalytisch aktive Betonoberflächen
Stickstoffoxide spielen bei der Bildung des gesundheitsschädlichen Ozon in bodennahen Schichten im Sommer eine mitentscheidende Rolle. TioCem leistet somit auch einen aktiven Beitrag zur Reduktion des Sommersmogs.
Die Geschwindigkeit der photokatalytischen Oxidation hängt von der Lichtintensität und der Luftströmung ab. In Laborversuchen wurden 40 % NOx sofort zu NO3
- oxidiert.
Stickoxidreduktion durch photokatalytisch aktive Betonoberflächen
Natürliches Tageslicht reicht aus, um die photokatalytische Wirkung auszulösen.
Der Photokatalysator verbraucht sich während der photokatalytischen Reaktion nicht. Die Wirkung hält die gesamte Lebenszeit der Betonoberfläche an.
Bestimmung der NOx Reduktion im Labor
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Beispiel einer NOx Reduktion aus der Praxis "Via Borgo Palazzo”, Bergamo
Quelle: C.L.Guerrini et al., RILEM Symposium in Florenz (2007)Quelle: C.L.Guerrini et al., RILEM Symposium in Florenz (2007)
Beispiel einer NOx Reduktion aus der Praxis "Via Borgo Palazzo”, Bergamo
Einsatzgebiete für TioCem®
Dachsteine
Pflastersteine
Fahrbahndecken
Lärm- und Sichtschutzwände
Tunnel-Innenverkleidungen
Beton-Leitwände
Fassadenverkleidungselemente
Das Wichtigste im Überblick
Natürliches Tageslicht reicht aus, um die photokatalytische Wirkung auszulösen.
Der Photokatalysator verbraucht sich während der photokatalytischen Reaktion nicht. Die Wirkung hält die gesamte Lebenszeit der Betonoberfläche an.
TioCem® und damit hergestellte Betonprodukte sind eine ökologisch saubere und unbedenkliche Lösung für Mensch und Umwelt
TX Active®, ein Qualitätslabel für die photokatalytische Aktivität von Baustoffen
Anwendungsgebiete für TioCem Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
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Die Straße der Zukunft
die „schadstofffreie Straße“
die „langlebige Straße“
die „Energiespeicherstraße“
die „energieautarke Straße“
die „eisfreie Straße“
die „immerwährend trockene Straße“
die „leise Straße“
die „intelligente Straße“
die „ausrollbare Straße“
Fragen zum Stand der Technik
Wo stehen wir mit der Baustoff-und Fertigungstechnik heute?
Welche Chancen und Märkte bieten sich uns?
Welcher ökologische und ökonomische Mehrwert kann generiert werden?
die „schadstofffreie Straße“
die „langlebige Straße“
die „Energiespeicherstraße“
die „energieautarke Straße“
die „eisfreie Straße“
die „immerwährend trockene Straße“
die „leise Straße“
die „intelligente Straße“
die „ausrollbare Straße“
Whitetopping & photokatalyt. Effekt
Kombinationslösungsansatz für
Methode zur Instandsetzung von geschädigten, bituminösgebundenen Verkehrsflächenbefestigungen
Dünne Betondecke aus frühhochfestem Beton auf Asphaltbelag
Es werden zwei Klassen von Whitetopping unterschieden:
dünn (TCW): Dicke 100 bis 200 mm, i. d. R. mit Verbund zum Asphalt
ultra-dünn (UTW): Dicke 50 bis 100 mm, zwingend Verbund zum Asphalt
Was ist Whitetopping? Instandzusetzende Problemstellen
Bereiche mit hoher Schubbean-spruchung, wie z. B.
Ampelbereiche
Kreuzungsbereiche
Die Folge sind z. B.
Spurrinnen
Verdrückungen
Instandgesetzter Kreuzungsbereich
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Die Lösung von zwei Problemen in einem:
nachhaltige Beseitigung von Spurrinnen und Verformungenan stark belasteten innerstädtischen Verkehrsflächen
nachhaltige Reduzierung von Luftschadstoffen (z. B. NOX, SOX, NH3, CO, Benzol, Toluol, organische Chloride, Aldehyde und polykondensierte aromatische Stoffe)
Die Zukunft: Whitetopping mit fotokatalytischem Effekt
die „schadstofffreie Straße“
die „langlebige Straße“
die „Energiespeicherstraße“
die „energieautarke Straße“
die „eisfreie Straße“
die „immerwährend trockene Straße“
die „leise Straße“
die „intelligente Straße“
die „ausrollbare Straße“
Lösungsansatz für
Durchgehend bewehrte Fahrbahnen Erprobungsstrecke A5 Darmstadt – Frankfurt (2004)
Mehrwert der durchgehend bewehrten Fahrbahn
keine wartungsintensiven Fugen, keine Dübel und Anker
lange Lebensdauer mit geringem Unterhaltungsaufwand (> 40 Jahre)
Reduzierung der Deckendicke um 10 bis 20 % möglich
zusätzliche Tragreserven durch die Bewehrung bei Zunahme der Achslasten und Verkehrsbelastung
unempfindlich gegenüber ungleichmäßig verdichteten Tragschichten bzw. möglichen Setzungen des Untergrundes
hoher Fahrkomfort (keine Querscheinfugen, keine „Stufenbildung“)
die „schadstofffreie Straße“
die „langlebige Straße“
die „Energiespeicherstraße“
die „energieautarke Straße“
die „eisfreie Straße“
die „immerwährend trockene Straße“
die „leise Straße“
die „intelligente Straße“
die „ausrollbare Straße“
Fahrbahn aus offenporigem Beton
Lösungsansatz für
Leistungsspektrum von Dränbeton
hohe Lärmminderung(Reduzierung des Schalldruckpegels ≥ 5 dB(A)
hohe Schallabsorption (bis zu 98 % in kritischen Frequenzbereichen)
kein Aquaplaning, keine Sprühfahnen (schneller Wasserab-fluss)
gute Griffigkeit
gute Längs- und Querebenheit
helle Oberfläche, günstige Lichtreflexionseigenschaften
Entlastung von Kläranlagen und Kanalisationen
höhere Verdunstung
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Versuchsstrecke Hockenheimring
die „schadstofffreie Straße“
die „langlebige Straße“
die „Energiespeicherstraße“
die „energieautarke Straße“
die „eisfreie Straße“
die „immerwährend trockene Straße“
die „leise Straße“
die „intelligente Straße“
die „ausrollbare Straße“
Fahrbahnabsorber
Lösungsansatz für
Mit Sommerwärme gegen Winterglatteis
Die Betonfahrbahn der Zukunft?!
schadstofffrei
langlebig
energiespeichernd
eisfrei
immerwährend trocken
leise
Die Betonfahrbahn der Zukunft
Dränbeton, zweischichtig ausgeführt
photokatalytisch wirksame Oberfläche
durchgehend bewehrte Fahrbahn
Betonmassivabsorber
Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
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Matrix aus Feinbeton(Größtkorn i. d. R. ≤ 1 mm)
Fasern aus
alkaliresistentem Glas (AR-Glas)
Carbon
dehnungsarmem Polypropylen
Was ist Textilbeton?
Verbundwerkstoff aus Beton und Textilien
Bildquelle: RWTH Aachen
Die Bewehrung von Textilbeton
Filamente
∅10
–30
µm
TextilienGarne
Multiaxialgelege Rundgewirk Konturenabstandsgewirk
Bildquelle: RWTH Aachen
Eigenschaften von Textilbeton
Duktiles Tragverhalten
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6Mittendurchbiegung [mm]
Kra
ft [k
N]
Eigenschaften von Textilbeton
Duktiles Tragverhalten
Kurzfaserbewehrung(3,00 Vol.-%)
Textile Bewehrung(0,72 Vol.-%)
ohne Bewehrung
Hohlbalken
⇒
⇒
⇒
⇒
Duktiles Tragverhalten
Textile Fasern sind nicht korrosionsanfällig
geringe Bewehrungsüberdeckung erforderlich
schlanke und leichte Konstruktionen möglich
Textilien können gezielt in den Beton eingebracht werden
Fasereinsparungen bis zu 80 %
Optimierung der Bewehrung auf die Spannungsverteilung
Sehr gute Rissverteilung (viele kleine anstatt weniger großer Risse)
Eigenschaften von Textilbeton Anwendungsbeispiele
Bauteilintegrierte Schalungen
Bildquelle: RWTH Aachen
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Anwendungsbeispiele
Fassadenelemente
Bildquelle: RWTH Aachen
Anwendungsbeispiele
FachwerkkonstruktionenBildquelle: RWTH Aachen
Gliederung
UHPC
Lichtbeton
Photokatalyse
Die neue Straße
Textilbeton
Neue Anwendungen
Heizkörper Möbel
Bildquelle: DuraPact
… ein Baustoff für alle Wünsche!Innovativer Beton
Betonkanus
