Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit von ultrahochfestem Beton
Ergebnisse von Laboruntersuchungen
Müller, Harald S. / Scheydt, Jennifer C.
Ultrahochfester Beton ist die jüngste Entwicklung der Betontechnologie und wird erst seit etwa zehn Jahren baupraktisch eingesetzt. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Ergebnisse der Untersuchungen sowohl im Rahmen eines Schwerpunktprogramms „Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton“ als auch von anderen nationalen und internationalen Forschungsprojekten. Wie sich gezeigt hat, wird die Dauerhaftigkeit von ultrahochfestem Beton maßgeblich durch die Zusammensetzung und das Nachbehandlungsregime beeinflusst. Insbesondere die Zugabe einer Stahlfaserbewehrung kann zu einer Reduzierung des Korrosionswiderstands führen, was maßgeblich auf Störungen (Poren, Mikrorisse) in der Kontaktzone zwischen Zementstein und Faser zurückgeführt werden kann. Vor allem in Kombination mit einer Wärmebehandlung können Stahlfasern eine Mikrorissbildung initiieren. Aufgrund der dichteren Kontaktzone zwischen Zementstein und grober Gesteinskörnung ist der Einfluss der groben Gesteinskörnung meist weniger stark ausgeprägt. Allerdings kann es auch durch den Einsatz einer groben Gesteinskörnung zu einer Reduzierung der Dauerhaftigkeit kommen, wie z.B. die Versuchsergebnisse zur Frostbeanspruchung von Schmidt et al. gezeigt haben. Als erwiesen kann angesehen werden, dass für wärmebehandelte ultrahochfeste Betone keine Gefahr der Gefügeschädigung durch Sekundärettringitbildung besteht. Dem erhöhten Risiko einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion aufgrund des hohen Silikastaubgehalts in ultrahochfestem Beton kann mit der Vermeidung von Agglomerationen bei der Herstellung der Betone begegnet werden. Da wärmebehandelte Bauteile ein erhöhtes Risiko hinsichtlich der Alkali-Kieselsäure-Reaktion besitzen, ist hier allerdings die Verwendung eines Zements mit niedrigem Alkaligehalt ratsam. Bei der Nachbehandlung von Bauteilen aus ultrahochfestem Beton werden i.d.R. Nachbehandlungstemperaturen bis 90 °C eingesetzt. Dies führt zu einem starken Rückgang der Kapillarporosität und damit verbunden auch zu einer deutlichen Verkleinerung des Porenraums, über den Transportprozesse stattfinden können. Allerdings ist hiermit häufig kein Anstieg, sondern sogar ein Rückgang des Korrosionswiderstands verbunden. Dies ist maßgeblich auf die Ausbildung von Mikrorissen im Betongefüge zurückzuführen, über die dann ein verstärktes Eindringen korrosiver Flüssigkeiten oder Gase stattfinden kann. Bei einer Wärmebehandlung von Bauteilen sollte daher auf ein sehr langsames Aufheizen und Abkühlen geachtet werden, um die Rissgefahr zu senken. Sehr intensive Temperaturbeaufschlagungen oder eine zu scharfe Abkühlung können außerdem zu einem thermisch bedingten Stress der Gesteinskörnung führen und ggf. Folgeschäden nach sich ziehen (AKR). Ultrahochfester Beton erscheint aufgrund seiner Zusammensetzung auf den ersten Blick teuer und auch ökologisch ungünstiger als konventioneller Konstruktionsbeton. Allerdings dürfen Vergleiche nur auf Basis einer ganzheitlichen Betrachtung, die technologische und ökologische Kriterien gleichermaßen berücksichtigt, vorgenommen werden. So sind Bauprodukte aus ultrahochfestem Beton zunächst zwar teurer, erweisen sich aufgrund ihrer deutlich erhöhten Lebensdauer im Vergleich zu konventionellem Beton letztlich aber doch als wirtschaftlich überlegen und nicht zuletzt auch als ökologisch günstiger.
Durability and sustainability of ultra high-performance concrete
Ultra high-performance concrete (UHPC) is the latest development in concrete technology and has been used in building practice for about the last ten years. This article gives an overview of the results of investigations both from a priority programme entitled “Sustainable building with ultra high-strength concrete” and from other international research projects. It has been found that the durability of UHPC is influenced significantly by the composition and by the curing regime. In particular, the addition of steel fibre reinforcement can lead to a reduction in corrosion resistance, which can be attributed essentially to faults (pores, microcracks) in the contact zone between hardened cement paste and fibre. Steel fibres can initiate microcracking, especially when combined with heat curing. The influence of coarse aggregate is usually less strongly marked because of the denser contact zone between hardened cement paste and coarse aggregate. However, the use of coarse aggregate can also cause a reduction in durability, as has been shown by, for example, the test results of freeze-thaw stressing by Schmidt et al. It has been shown that for heat-cured UHPCs there is no danger of damage to the microstructure by secondary ettringite formation. The increased risk of an alkali-silica reaction due to the high silica fume content in UHPC can be countered by avoiding agglomeration during production of the concretes. Heat-cured structural elements have an increased risk with respect to the alkali-silica reaction so it is advisable to use cement with a low alkali content. Curing temperatures of up to 90 °C are normally used during the curing of structural elements made of UHPC. This leads to a sharp drop in capillary porosity and therefore also to a significant reduction in the void space through which transport processes can take place. However, this is often associated with a drop, rather than an increase, in corrosion resistance. This is essentially attributable to the formation of microcracks in the concrete microstructure through which increased penetration of corrosive liquids or gases can take place. Care should therefore be taken to ensure very slow heating and cooling during the heat curing of structural elements in order to reduce the risk of cracks. Very intensive temperature stresses or excessively sharp cooling can also lead to thermal stressing of the aggregate and possibly result in subsequent damage (alkali-silica reaction). Because of its composition UHPC appears at first sight to be more expensive and also ecologically less favourable than conventional structural concrete. However, any comparisons should only be carried out on the basis of a comprehensive examination that takes account of the technical and ecological criteria in equal measure. Although building products made with UHPC are in fact initially more expensive they do prove ultimately to be economically superior to conventional concrete and, not least, also ecologically more favourable because of their significantly increased service life.
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beton 9/2011 ab Seite 336
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