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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
Die Schallemissionsanalyse (SEA) ist ein passives zerstörungsfreies Prüfverfahren. mit dem Rissbildung, Risswachstum und andere Gefügeveränderungen delektiert und lokalisiert werden können. Anhand von zwei Beispielen aus der Forschung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wird gezeigt welche Möglichkeiten die SEA beim Bauwerksmonitoring und bei der Untersuchung von Baustoffen bietet. Im ersten Beispiel wird die Ortung von Schallemissionen zur Verfolgung des Risswachstums in Beton eingesetzt. Weiterhin wird mit Zugversuchen an Faserbeton illustriert, dass mit der SEA Versagensmechanismen identifiziert werden können.
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.
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.
Die Versiegelung von Oberflächen, Bebauung und die Ausweitung städtischer Gebiete führen weltweit besonders in sonnenreichen Regionen zu innerstädtischen Hitzeinseln. Diese Flächen wirken als Wärmespeicher, so dass an Sonnentagen eine Temperaturdifferenz bis zu 10 K zwischen Stadt und umliegendem Land entstehen kann. Verstärkt wird dieser sogenannte Urban Heat Island Effect (UHIE) durch die meist direkte Abführung des anfallenden Regenwassers in die Kanalisation, wodurch eine Kühlung durch stetige Verdunstung unterbunden ist, Mit steigender Urbanisierung wächst auch die Bedeutung dieses Phänomens. Innerstädtische Hitzeinseln ziehen direkte wirtschaftliche und soziale Folgen nach sich, da hohe Temperaturen eine teure Klimatisierung der Städte bedingen. So entsteht ein erhöhter Verbrauch an Ressourcen sowie zusätzliche Abwärme. Das Wohlbefinden und die Gesundheit der Bevölkerung verschlechtern sich bei sehr hohen Temperaturen, was zu sinkender Leistungsfähigkeit und sogar zu einer erhöhten Sterberate führen kann.