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Organisationseinheit der BAM
In Produktionspausen können in Betonwerken nennenswerte Lagerungsintervalle entstehen. Auf Baustellen und in den Instandsetzungen werden Zement- und Trockenmörtelsäcke teilweise über längere Zeiträume gelagert. Auch im Zusammenhang mit Zementimporten und zunehmend filigran abgestimmten Betonrezepturen die bereits bei kleinen Änderungen der Ausgangsstoffe sensibel reagieren, nimmt die Relevanz der Zementlagerung zu. Aus diesem Grund wurde der Einfluss der Zementlagerung auf die Eigenschaften von Betonen in einer Versuchsreihe an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ermittelt.
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.
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.
Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Microcon wurden wirtschaftliche und ökologische Ansätze zur Verwendung von Feinstfüllstoffen so genannten Microfillern in Bauprodukten, die auf zementgebundenen Systemen basieren, untersucht. Hauptzielsetzung war die Entwicklung von modifizierten Bindemitteln und Zusätzen für die Transportbeton- und Fertigteilindustrie bis hin zur Marktreife. Eine der Neuentwicklungen war eine leicht handhabbare Werktrockenmischung für selbstverdichtenden Beton (SVB), die alle Schlüsselkomponenten bis auf das Bindemittel und die grobe Gesteinskörnung enthält und eine hohe Robustheit in der Anwendung gewährleistet.
Zur Untersuchung der Wirkungsweise von ST ohne und in Gegenwart von FM wurden Untersuchungen an Zementleimen mit unterschiedlichen Φρ und variierten St-Modifikationen durchgeführt. Folgendes kann zusammengefasst werden:
Mit zunehmendem Φρ nimmt der Einfluss aller beobachteten ST auf To und Πpl gegenüber dem wässrigen System ab. Bei hohem Φρ reduzieren alle ST Πpl. Diutan Gum und die hochmodifizierte Stärke können aber ein erhöhtes -r0 bewirken. In Gegenwart von FM werden ST insbesondere bei höheren FM-Dosierungen wirksam mit Bezug auf erhöhtes Πpl. Erhöhtes t0 erzielten nur ST-DG und ST-npg. Setzfließmaßversuche konnten darüber hinaus zeigen, dass Stärken besonders effektiv wirken, wenn der Feststoffgehalt sehr hoch ist, während Diutan Gum eine höhere Wirksamkeit aufweist, wenn höhere Wassergehalte im System sind. Die Wirkungsweise von ST ist sehr stark von <l>p und der Gegenwart von FM abhängig. Die Ergebnisse zeigen. dass für Stärken die Modifikation eine sehr große Rolle spielen kann und dass weitere Untersuchungen zeigen müssen, inwieweit ST auf bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden können.
Nachdem vor ca. 20 Jahren in Japan die Entwicklung der selbstverdichtenden Betone begann, dauerte es weitere 10 Jahre, bis diese Entwicklung auch Europa erreichte. Obwohl im Fertigteilsektor bereits deutlich mehr SVB zum Einsatz kommt als im Transportbetonbereich, bleiben die Produktionsmengen hinter dem zurück, was die Potenziale und Chancen dieser Technologie eigentlich erwarten ließen. Eine Ursache für die geringe Marktverbreitung sind die stark schwankenden und teilweise nur schwer beherrschbaren Frischbetoneigenschaften dieser Betone.
Selbstverdichtender Beton (SVB) findet kaum Anwendung als Transportbeton. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Außentemperaturen auf der Baustelle nicht gesteuert werden können. Während des Betonierens können allerdings Schwankungen in der Umgebungstemperatur die rheologischen Eigenschaften aber auch das Erstarrungsverhalten signifikant beeinflussen, wodurch in der Folge auch Veränderungen im Festbeton auftreten können. Durch geeignete Wahl der Komponenten kann die Robustheit von SVB gegenüber Einflüssen aus den Umgebungsbedingungen deutlich verbessert werden.
In der vorgestellten Arbeit werden anhand von Untersuchungen am Betonrheometer, am Setzfließmaß und am Erstarren nach Vicat die Einflüsse von veränderlichen Umgebungstemperaturen auf die frühen Eigenschaften von SVB dargestellt. Der Fokus liegt auf Effekten, die durch die Modifikation von Polycarboxylatether-Fließmitteln und durch Stabilisierer eingetragen werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Mischungsentwurfes gezeigt. Die Ergebnisse werden mit Relevanz für praktische Betonanwendungen analysiert und es werden die wichtigen Einflussgrößen zur Verbesserung der Robustheit von SVB gegenüber Temperaturschwankungen herausgearbeitet.