Hochleistungs- beton Hauptseminarvortrag am 21.06.2011 Jessica Goller

Gliederung · Beton · Herstellung von Zement · Brennen von Zement · Abbinden von Zement · Hydrolyse von Portlandzement · Veränderungen der Viskosität, der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Festigkeit · Hochleistungsbeton · Motivation · Bauen mit UHFB – Einsatzbereiche · Zusammensetzung von UHFB · Zusammenfassung

Beton Drei wichtige Bestandteile: · Zement · Wasser · Füllstoff (z.B. Sand / Kies) Betonzusatzstoffe und –zusatzmittel: · Betonstahl -> Stahlbeton · Fasern -> Faser- / Stahlfaserbeton · Verflüssiger · Beschleuniger

Herstellung von Zement

Brennen von Zement Wichtige Bestandteile: CaO SiO2 Al2O3

Brennen von Zement Wichtig: Ca2Si -> Dicalciumsilicat Ca2SiO4 Ca3Si -> Tricalciumsilicat Ca3SiO5 -> Inselsilikate

Brennen von Zement Inselsilikate hcp der Sauerstoffionen Schichtfolge (ABAB) grün: Ca in ½ der OL rot: Si in 1/8 der TL isolierte [SiO4]-Tetraeder Schicht A Schicht B

Abbinden von Zement · Hydrolyse von Portlandzement · Veränderungen der Viskosität, der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Festigkeit · Beispiel: Betonverflüssiger

Hydrolyse von Portlandzement 1. Phase: 3 CaSO4 + 32 H2O + Ca3Al2O6 -> 3 CaO · Al2O3 · 3 CaSO4 · 32 H2O Ettringit (kleine faserförmige Kristalle) Ohne CaSO4 – Zugabe: Ca3Al2O6 + H2O -> Ca3Al2O6 · 6 H2O große Kristalle führen zu schnellem Erstarren

Hydrolyse von Portlandzement 2. Phase: lange Ettringit-Kristalle bilden mit Silicaten ein festes Netzwerk Erhärtungsphase: Ettringit reagiert während der Zementhärtung mit Tricalciumaluminat: 3 CaO ·Al2O3 · 3 CaSO4 · 32 H2O + Ca3Al2O6 + 4 H2O -> 3 (3 CaO · Al2O3 · CaSO4 · 12 H2O)

Hydrolyse von Portlandzement Erhärtungsprozess: 2 Ca3SiO5 + nH2O –> Ca3Si2O7 · nH2O + 3 Ca(OH)2 -in Tagen abreagiert Tobermonit-Phasen (z.B. Jaffeit) 2 Ca2SiO4 + nH2O –> Ca3Si2O7 · nH2O + Ca(OH)2 -in Monaten abreagiert Weiterhin Reaktion mit CO2 aus der Luft: Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O Volumenvergrößerung

Hydrolyse von Portlandzement

Veränderungen der Viskosität, der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Festigkeit durch Zugabe von Zusatzstoffen: · Beschleuniger: beschleunigt Erhärtungsprozess Anwendung: Betonieren bei tiefen Temperaturen/ in fließendem Gewässer · Verzögerer: verzögert den Erhärtungsprozess Anwendung: Betonieren bei hohen Temperaturen Transport über große Distanzen

Veränderungen der Viskosität, der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Festigkeit Beispiel: Betonverflüssigern Anwendung: · Pumpbetone · Beton mit sehr hohen Druckeigenschaften Vorteile: · Erhöhung der Druckfestigkeit/Dichtigkeit · vermindert Wasseranspruch Nachteil: · starke Verzögerung beim Abbinden

Veränderungen der Viskosität, der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Festigkeit Beispiel: Betonverflüssigern Polycarboxylate mit Seitenketten

Hochleistungsbeton - Motivation · steigende Gebäudehöhe Petronas Towers in Kuala Lumpur

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Bauen mit UHFB – Einsatzbereiche ·druckbeanspruchte Bauteile, z. B. hoch beanspruchte Stützen · biegebeanspruchte Bauteile, z. B. Brückenträger, Balken · Bauteile zum Schutz vor umweltgefährdenden Stoffen, z. B. Auffangwannen, Chemikalienlager · chemisch hoch beanspruchte Bauteile, z. B. Kühltürme, landwirtschaftliche Bauteile

Hochleistungsbeton Beton: Ultrahochfester Beton (UHFB): Druckfestigkeit: 40 N/mm² (~ 250 Kleinwagen) Zugfestigkeit: 4 N/mm² Ultrahochfester Beton (UHFB): Druckfestigkeit: 200 N/mm² (~ Stahl) Zugfestigkeit: 15 N/mm² Biegzugfestigkeit: 50 N/mm²

Zusammensetzung von UHFB · Reaktive SiO2 erhöhte Keimbildungsrate · Kontrolle der Morphologie der Hydratphasen · Fuller – Verteilung der Füllstoffe mikrofeine mineralische Feinstoffe, z. B. Quarzmehl + 6 bis 17 mm lange Stahl- oder Kunststofffasern

Reaktive SiO2 Silicastaub: SiO2 + Ca(OH)2 + nH2O -> Ca3SiO5 + mH2O SiO2 im Überschuss, dient als Nukleierungsmittel -> Bildung vieler kleiner Kristallite anstatt weniger großer Kristallite

Fuller - Verteilung

Zusammenfassung - UHFB · höhere/ größere Bauwerke · Druckfestigkeit: 200 N/mm² · Optimierte Inhaltsstoffe · Einsatzgebiete: · druck- und biegebeanspruchte Bauteile · chemisch beanspruchte Bauteile · Forschung an erhöhter Festigkeit

Literaturverzeichnis · www.beton.org · http://cms.uni-kassel.de/unicms/index.php?id=6596 · http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/beton/beton.htm · http://www.basf-cc.de/de/produkte · Manfrinetti P., Fornasini M.L., The phase diagram of the Ca-Si-system, 1999 ·http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kalkofentemperatur.png&filetimestamp=20080101213548 · http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/metalle_3_8.html

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