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Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Porenlösung durchgeführt. Die Experimente wurden mit verschiedenen Feststoffvolumenfraktionen durchgeführt und mit den Ergebnissen identischer Systeme mit Wasser anstelle von Porenlösung verglichen. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit Porenlösung. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
Die meisten Einflüsse auf die Rheologie von Beton wirken auf sehr kleinen Skalenebenen. Einflussgrößen im Millimeter oder Zentimeterbereich sind im Wesentlichen auf den Sand und die Gesteinskörnung beschränkt. Letztere machen aber in den meisten Betonen 50 %-70 % des Gesamtvolumens aus, was bei Untersuchungen zur Steuerung der Verarbeitungseigenschaften von Beton häufig vernachlässigt wird. Während Betonzusatzmittel und Zusatzstoffe bei geeigneter Wahl die Rheologie sehr gezielt beeinflussen können, eignen sich Sand und Gesteinskörnung weniger gut zur Steuerung der Rheologie, aber sie tragen zur Rheologie des Gesamtsystems bei. Hierbei können Effekte aus Sand und Gesteinskörnung die Effekte von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen überlagern und im ungünstigsten Falle sogar nahezu unwirksam machen. Deshalb sollten Ergebnisse zur Verarbeitbarkeit von Bindemittelsystemen nur mit großer Sorgfalt auf Beton übertragen werden. Es ist wichtig, den Einfluss des Sandes und der Gesteinskörnung besser zu verstehen, um diese so abzustimmen, dass sie Effekte aus Fließmitteln positiv ergänzen anstatt diesen entgegenzuwirken.
Durch eine gezielte Abstimmung lassen sich Kosten wirksam sparen.
Während für die Bauwirtschaft in den meisten Ländern der nördlichen Halbkugel die Instandhaltung bestehender Strukturen und Infrastruktur im Vordergrund steht, geht es in vielen Ländern der Südhalbkugel in der Hauptsache um die Schaffung von Bauwerken und Infrastruktur zur Verwirklichung angemessener Lebensbedingungen, was wiederum das schnelle Wirtschaftswachstum weiter befeuert.
Beton ist als Massenbaustoff, trotz landläufig anderer Bewertung, aufgrund seines im Vergleich zu anderen Baustoffen günstigen CO2-Footprints und der globalen Verfügbarkeit hierbei aktuell ohne Alternative. Allerdings ist Beton nach Wasser das am zweithäufigsten genutzte Produkt auf Erden [1] und die globale Nachfrage und Produktion steigt dramatisch. Dies hat Konsequenzen für das globale Klima, denn gerade die als Bindemittel eingesetzten Portlandzemente verursachen bei ihrer Herstellung selbst unter modernsten Produktionsbedingungen große Mengen an CO2.
Deshalb müssen für zukünftige nachhaltigere Technologien neuartige Betone entwickelt werden, die bei gleicher oder verbesserter Leistungsfähigkeit, einen geringeren Bedarf an Portlandzement aufweisen.
Um den CO2-Ausstoß, der mit der Betonherstellung verbunden ist zu minimieren, müssen Anteile an Portlandzement im Bindemittel reduziert und durch nachhaltigere Ersatzstoffe ausgetauscht werden. Darüber hinaus muss das eingesetzte Bindemittel im Beton so effizient wie möglich ausgenutzt werden. Das heißt, ein Bauteil oder Bauwerk sollte gerade so viel Bindemittel enthalten, wie für die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit erforderlich ist. Hierfür erscheint der Einsatz von leistungsfähigen bauchemischen Produkten unumgänglich. Diese können zum einen die veränderten Verarbeitungseigenschaften, die Zementersatzstoffe mit sich bringen, ausgleichen und gleichzeitig helfen, den Gesamtwassergehalt zu minimieren, so dass das Bindemittel seine maximale Leistungsfähigkeit erzielt. Fließmittel sind aktuell die wichtigsten Zusatzmittel für Beton. Sie reduzieren den Wasserbedarf und ermöglichen, Zement im Beton effizienter auszunutzen. Darüber hinaus sind Stabilisierer wichtig zur Erhöhung der Robustheit, insbesondere im Hinblick auf die bautechnischen Herausforderungen der Zukunft – vom Pumpen über weite Distanzen, dem Spritzen, dem Betonieren bei extremen Klimabedingungen bis hin zum 3D-Druck.
Im Betonbau hat sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte ein grundlegender Wandel von einer Massenanwendung hin zu einer innovativen, zukunftsorientierten und leistungsbasierten Baustofftechnologie vollzogen. Heute besteht Beton nicht mehr lediglich aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen, sondern kann durch die Verwendung von Zusatzstoffen und chemischen Zusatzmitteln signifikant verbessert werden. Der im Bereich der Zusatzmittel erzielte Fortschritt ebnete zudem den Weg für die Entwicklung neuer Betontypen wie zum Beispiel selbstverdichtender Beton (SVB) und Hochleistungsbeton (HLB), indem die Verarbeitbarkeit vom Wasser-Zement-Wert (w/z) abgekoppelt wurde. Während der w/z und die Sieblinie der Gesteinskörnungen bei herkömmlichen Betontypen die für die Verarbeitbarkeit relevanten Mischungsparameter darstellten, weisen SVB und HLB komplexere Leistungsparameter auf; in puncto Leistungsfähigkeit fallen hier insbesondere die Mehlkornkomponenten ins Gewicht. Dadurch wird das System komplexer und zugleich anfälliger für Abweichungen bei der Produktion. Erschwert wird die Identifizierung möglicher Einsparpotenziale durch die Schwierigkeit der Vorhersage der Auswirkungen von Veränderungen im Produktionsprozess und bei der Mischung.
In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Betonbauweise beträchtlich von einer Massenanwendung hin zu einer innovativeren, zukunfts- und leistungsorientierten Werkstofftechnologie weiterentwickelt. Heutzutage besteht Beton nicht mehr länger nur aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen, sondern kann unter Anwendung von Zusatzstoffen und chemischen Zusatzmitteln erheblich verbessert werden. Gleichzeitig beschränken die Betonspezifikationen sich nicht mehr auf den Elastizitätsmodul und Druckfestigkeit, sondern Beton kann ebenfalls zur Erfüllung zahlreicher Anwendungskriterien wie Dauerhaftigkeit, Verarbeitbarkeit, Ästhetik, Brandverhalten und vieler anderer mehr beitragen. Gleichzeitig ist jedoch die Zusammensetzung von Beton wegen der Vielzahl an interagierenden Mischungskomponenten komplizierter geworden. Das Verständnis der Auswirkungen der veränderten Mischungskomponenten ist eine Herausforderung, aber auch der Schlüssel zu einer innovativen Betontechnologie.
Hochduktiler Beton eröffnet neue Möglichkeiten bei der Instandsetzung von Bauwerken, der Herstellung dünnwandiger Bauelemente oder dem Einsatz von Dämpfungselementen in stoßartig beanspruchten Bauwerken (z.B. in Erdbebengebieten).
Die Steigerung der Duktilität kann durch die Zugabe von Kurzfasern erreicht werden. Im Falle einer Rissbildung in der Zementsteinmatrix überbrücken die Fasern den Riss, nehmen die Spannung vollständig auf und stoppen lokal das Risswachstum. Bei weiterer Steigerung der Last reißt die Matrix an anderer Stelle. Auf diese Weise wird die Rissbildung fein verteilt und es werden große Dehnungen erreicht, bevor das Bauteil versagt. Zur Optimierung der Festbetoneigenschaften müssen die Matrixfestigkeit und die Faserart sowie deren Gehalt aufeinander abgestimmt werden. Dabei sind auch die Verarbeitungseigenschaften des Frischbetons zu berücksichtigen.
Anhand der Schallemissionen kann die Rissbildung in der Matrix und die Interaktion mit den Fasern analysiert werden. So konnte in ersten Zugversuchen gezeigt werden, dass sich Schallereignisse dem Versagen der Zementsteinmatrix bzw. dem Auszug der Fasern aus der Matrix zuordnen lassen. Damit steht zur Beurteilung des mechanischen Verhaltens von hochduktilem Beton neben der Spannungs-Dehnungs-Linie ein weiteres Verfahren zur Verfügung.
Steuerung der Mischung
(2015)
Seit Juli 2014 liegt die EN 206:2014 als neue Betonnorm vor. Neben kleineren Änderungen ergibt sich hierdurch als einschneidende Änderung zur Vorgängerversion EN 206-1:2008 ein ergänzendes Konzept zur Konformitätsbewertung der Druckfestigkeit von Beton. An dieser Stelle werden neben dem bekannten Mittelwertkriterium alternativ sogenannte Kontrollkartenverfahren möglich. Für die Konformitätsbewertung stellt in diesem Zusammenhang insbesondere die Kusum-Methode (kumulierte Summen, aus dem Englischen cusum – cumulative sum) ein Novum dar. Weiterführende Informationen zu Kusum-Methode in der Konformitätsbewertung können der Literatur entnommen werden. Eigentlich ist die Kusum-Methode aber nicht für die Konformitätsbewertung entwickelt worden, sondern vielmehr für die Produktionskontrolle. Der Unterschied zwischen Konformitätsbewertung und Produktionskontrolle ergibt sich daraus, dass die Konformitätskontrolle eine Bedeutung für die öffentliche Sicherheit hat und dass eindeutige technische Grenzwerte vorliegen müssen, die nicht unterschritten werden dürfen, während die Produktionssteuerung ein Werkzeug mit frei wählbaren Grenzwerten für Hersteller ist. Der Handlungsbedarf ist für die Produktionskontrolle optional und ergibt sich in der Regel aus Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.