Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Um den Abbau primärer Rohstoffe zu reduzieren, wurden deponierte oder niederwertig eingesetzte industrielle Reststoffe hinsichtlich einer höherwertigen Verwendung im Betonbau untersucht. Zur Bewertung des Einsatzpotentials als Zementbestandteil oder Betonzusatzstoff erfolgte zunächst eine chemisch-mineralogische und betontechnologische Charakterisierung der Materialien. Reststoffe, die die normativen Anforderungen hinsichtlich der Zementzusammensetzung erfüllen, wurden anschließend zu verschiedenen Anteilen als Zementsubstitut in Mörtel eingesetzt. In vergleichenden Untersuchungen erfolgte die Ermittlung der Frisch- und Festmörteleigenschaften.
Kalorimetrische Untersuchungen sollten die Auswirkungen der Reststoffe auf die Zementhydratation zeigen. Ausgewählte Untersuchungsergebnisse an Reststoffen aus der Industrieabwasseraufbereitung, dem Altpapierrecycling, der Biomasseverbrennung und der Metallurgie werden vorgestellt.
Der Filterschlamm (FS) fällt als Reststoff bei der Abwasserbehandlung des Chemiewerkes an. Er liegt als feinteiliges Granulat vor und enthält als Hauptbestandteil amorphe Kieselsäure. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, ihn wie einen mineralischen Zusatzstoff bei der Beton- und Mörtelherstellung zu verwenden.
Als Betonzusatzstoff werden fein aufgeteilte Zusätze zum Beton bezeichnet, die durch chemische und/oder physikalische Wirkung die Betoneigenschaften beeinflussen, und die als Stoffraumkomponente zu berücksichtigen sind.
Hausmüllverbrennungsasche soll aufgrund ihrer chemisch-mineralogischen Eigenschaften als Gesteinskörnung zur Herstellung von Normalbetonen eingesetzt werden. Durch Bestandteile, wie Chloride, metallisches Aluminium und Altglasfragmente, entstehen aber in kürzester Zeit beträchtliche Betonschäden. Durch zusätzliche mechanische, chemische oder thermische Aufbereitungsschritte können diese betonschädigenden Inhaltsstoffe minimiert werden. Dadurch lässt sich die Qualität der Asche soweit verbessern, dass sie gut zur Betonherstellung verwendbar ist.
Kiefernholz wird durch Imprägnieren mit einem Vorkondensat aus organischen Disäuren und Glycerin, das kolloidale Kieselsäure enthält, sowie nachfolgende Ofenhärtung in Kieselsäure/Alkydharz/Holz-Verbunde umgewandelt. Diese Nanoverbunde haben eine geringere Porosität als Holz, da Teile der Holzzellen mit Harz und Kieselsäure ausgefüllt sind. Die kugelförmigen, etwa 60 nm großen (SiO1)x-Teilchen liegen in der Polymermatrix mikrophasensepariert vor. Der kolloidale Zustand der eingebrachten Polykieselsäure bleibt erhalten. Durch ihr günstiges Eigenschaftsprofil sind die Verbundmaterialien als modifizierter Holzbaustoff interessant.
Recyclingzuschläge (rezyklierte Gesteinskörnungen, Betonsplitt) werden großtechnisch aus dem Material, das beim Abbruch von Betonbauwerken anfällt, hergestellt. Sie bestehen zu mehr als 90% aus Altbeton. Die Wiederverwendung dieser Materialien zur Herstellung von neuen hochwertigen Beton erfordert umfangreiche Kenntnisse über ihre betontechnologischen und chemisch-physikalischen Eigenschaften. Zwei unterschiedliche Recyclingzuschläge und die damit hergestellten Betone wurden im Vergleich zu einem Referenzbeton mit natürlichen Zuschlägen gleicher Sieblinie untersucht.
Leichte Gesteinskörnungen mit Kornrohdichten < 2 g/cm³ werden industriell aus natürlichen Rohstoffen, wie Ton und Schiefer, hergestellt. Dabei fallen hohe Energiekosten an, während außerdem fortwährend die Verfügbarkeit geeigneter Rohstoffe sinkt. Eine Alternative stellen Leichtgranulate, die aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen hergestellt werden, dar.
Im Forschungsprojekt „Aufbaukörnungen“ wurde eine Technologie zur Herstellung hochwertiger leichter Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch entwickelt. Ziegelhaltige Bau- und Abbruchabfälle fallen in Deutschland mit bis zu 26 Mio. t pro Jahr an und weisen größere Verwertungsdefizite als Betonbruch auf. Der neuen Verwertungsstrategie liegt die Idee des rohstofflichen Recyclings zu Grunde.
Die leichten Gesteinskörnungen werden am Ende eines mehrstufigen Herstellungsprozesses durch thermische oder hydrothermale Erhärtung im Labor- und halbtechnischen Maßstab produziert. Für Herstellungstechnologie und Eigenschaften der Leichtbetone sind neben Kornfestigkeit und Rohdichte die Porosität und Wasseraufnahme der leichten Gesteinskörnungen entscheidende Größen, die wiederum von Kornform, Oberflächenrauigkeit, Sinterschale und Porenstruktur der Körnungen beeinflusst werden.
Hochfeste Betone werden durch die Zugabe puzzolanischer Zusatzstoffe (Microsilica, Flugasche) und die Reduzierung des Wasser-Zement-Wertes bei gleichzeitiger Verwendung eines Fließmittels hergestellt. Diese Modifizierungen des Betons beeinflußen die Zusammensetzung und die Mikrostruktur seiner Mörtelmatrix.
Im Rahmen eines DFG-Forschungsvorhabens (FOR 537) wird ein Teilprojekt an der BAM bearbeitet. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Beschreibung und Bewertung des Korrosionsfortschrittes an Stahlproben mit kleinen Kathodenflächen (Eigenkorrosion) mittels elektrochemischer Messungen. Für die Untersuchungen wurden Betonproben mit eingebetteten Stahlelektroden hergestellt. Dabei wurden gezielt betontechnologische Parameter variiert. Dabei ist der Beton als Elektrolyt zu betrachten. Nach bestimmten Zeitintervallen werden die Betonproben aufgebrochen und die eingebetteten Stahlelektroden durch visuelle Inspektion und anschließende Bestimmung des Masseverlustes bewertet. Zur Charakterisierung des Betons (Elektrolyt) dient das Verfahren der Quecksilberporosimetrie. Mit dem Verfahren lassen sich die Zusammenhänge zwischen den betontechnologischen Parametern und der Porenstruktur aufzeigen und mittels der umfangreichen Variation der Betonparameter die Auswirkung auf den Korrosionsfortschritt nachweisen.
Ultrahochfeste Betone (UHPC) sind durch Druckfestigkeiten > 150 MPa und eine besonders hohe Dauerhaftigkeit gekennzeichnet. Ihre Herstellung gelingt durch die Optimierung der Mischungszusammensetzung, des Mischprozesses und der Nachbehandlung. Maßnahmen dazu bestehen in der Verwendung feinstgemahlener Zemente, puzzolanischer und inerter Feinststoffe, dem Einsatz gezielt ausgewählter grober und feiner Gesteinskörnungen, der Reduktion des Wasser/Bindemittel-Wertes bei Zugabe von Fließmitteln auf Polycarboxylat-Basis sowie einer Wärmebehandlung der Betone.
Das Ziel dabei ist es, eine möglichst hohe Packungsdichte in der Bindemittelmatrix bei Ausbildung einer sehr gleichmäßigen und extrem dichten Gefügestruktur mit einem hohen Anteil an Calciumsilicathydrat-Phasen zu erreichen. Deshalb sind Untersuchungen zur Porosität und Porenstruktur ein wichtiger Bestandteil zur Materialcharakterisierung im Rahmen der Mischungsoptimierung. Die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen werden im Vergleich zu denen an einem hochfesten Beton und einem Normalbeton betrachtet.