Herstellen und Verarbeiten von faserhaltigen Ultra-Hochfesten Betonen
Das Forschungsvorhaben baute unmittelbar auf den Erkenntnisses des vorausgegangenen Forschungsvorhabens zur „Optimierung des Mischprozesses von ultrahochfesten Betonen“ auf, welches im Rahmen der ersten Förderperiode des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1181 bearbeitet wurde. Nachdem es in der ersten Förderperiode gelungen war, den Mischablauf faserfreier ultrahochfester Betone (UHPC) zu optimieren und die maßgebenden Zusammenhänge zu der Zusammensetzung des UHPC und der Mischzeit zu beschreiben, wurde der Fokus in der 2. Förderperiode auf das Mischen faserhaltiger UHPC sowie die Verarbeitungseigenschaften von UHPC sowohl mit als auch ohne Fasern gelegt.
UHPC weist aufgrund des sehr niedrigen Wasserzementwerts und durch eine optimierte Packungsdichte der Feinstoffe gegenüber Normalbeton eine hohe Druckfestigkeit von bis zu 250 N/mm2 bei schlagartigem, sprödem Versagen auf. Die Duktilität von UHPC, insbesondere bei dynamischen Beanspruchungen durch wechselnde, stoßende oder sich häufig wiederholende Lasten, kann durch eine sachgerechte Zugabe von Fasern, die im UHPC gleichmä-ßig verteilt sein müssen, deutlich verbessert werden. Die Verteilung der Fasern wird neben dem Fasergehalt maßgeblich von dem Herstellungsprozess beeinflusst. In dem Forschungsvorhaben sollte daher geklärt werden, wie sich durch geeignete Herstellungsverfahren Fasern gleichmäßig in der Matrix verteilen lassen. Dafür wurden die Einflussgrößen Mischzeit, Mischintensität, Betonzusammensetzung, Faserart/-gehalt und Faserzugabezeitpunkt systematisch untersucht. Die Bestimmung der Faserverteilung am Ende des Mischvorgangs erfolgte mit einer eigens dafür entwickelten Probenentnahmekassette in der das Mischgut in 16 Proben geteilt wurde. Anschließend wurden die Fasern ausgewaschen und der Masseanteil der Fasern bezogen auf das Frischbetongewicht berechnet. Zur Quantifizierung der Faserverteilung wurde der Variationskoeffizient für die 16 Faseranteile herangezogen.
Zur Herstellung von UHPC werden hochwirksame Polycarboxylat-Fließmittel (PCE) eingesetzt, die über eine kombinierte Wirkung von elektrostatischen und sterischen Effekten eine Verflüssigung während des Mischvorgangs bewirken. Ohne Fließmittel würde sich durch das sehr geringe Wasser-Feinststoff-verhältnisses und der großen, zu benetzenden inneren Oberfläche nur ein erdfeuchtes Kornhaufwerk bilden. Dabei zeigt sich, dass einige Fließmittel, wenn sie sofort mit dem Anmachwasser zugegeben werden, schnell ihre Wirkung verlieren und der UHPC vorzeitig ansteift. Eine ausreichende Verarbeitungszeit ist jedoch bei fließfähigen, nahezu selbstverdichtenden UHPC für den baupraktischen Einsatz eine wichtige Voraussetzung. Ziel des Forschungsvorhabens war, die Auswirkungen der Fließmitteladsorption auf die Verflüssigung und die zeitlichen Entwicklung des Fließmaßes von UHPC zu untersuchen und nach Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Parametern (Fließmittel, Zement, Zusatzstoffe, Fließmittelzugabezeitpunkt) Maßnahmen zur Verlängerung der Verarbeitungszeit abzuleiten.
Die Faserverteilung wird signifikant von der Mischgeschwindigkeit und der Mischzeit beeinflusst. Je länger die Stahlfasern eingemischt wurden, desto geringer war der Variationskoeffizient. Zudem wurde festgestellt, dass sich die Fasern bei geringer Um-fangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs (1,4 m/s) gleichmäßiger in der Betonmatrix verteilen lassen. Grund hierfür ist die Zentrifugalkraft, die durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Mischgutes im Quadrat steigt. Durch die gegenüber den anderen Ausgangsstoffen rd. 3-fach höhere Dichte, werden die Stahlfasern einer höheren Zentrifugalkraft ausgesetzt, wodurch sie stärker als die übrigen Partikeln in die Außenbereiche bzw. zur Behälterwand des Mi-schers transportiert werden und der UHPC entmischt.
Die gleichmäßigste Faserverteilung wurde erreicht, wenn die Fasern bereits mit den trockenen Ausgangsstoffen zugegeben und bei geringer Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs eingemischt wurden. Zudem lässt sich durch die sofortige Zugabe die Mischzeit des UHPC verkürzen, da keine Zeit für das Einstreuen der Fasern benötigt wird. Kurze Mikrostahlfasern lassen sich sehr gut in der UHPC Matrix dispergieren. Dagegen nahm mit zunehmender Faserlänge der Variationskoeffizient, der als Maß für die Faserverteilung herangezogen wurde, zu. Zudem konnte gezeigt werden, dass die rheologischen Eigenschaften von faserbewehrtem UHPC von einem Faserfaktor, der sich aus dem Produkt von Faservolumen und lf/df-Verhältnis (Vf ∙ lf/df) berechnen lässt, beeinflusst werden. Mit steigendem Faserfaktor nahm die relative Viskosität des UHPC zu. Eine Korrelation zwischen der Faserverteilung und der relativen Viskosität konnte nicht festgestellt werden.
Die Untersuchungen zur Verarbeitungszeit von UHPC haben gezeigt, dass die Adsorptionsgeschwindigkeit der Fließmittelmoleküle die Mischzeit und das vorzeitige Ansteifen von UHPC maßgeblich beeinflusst. So ist der Zeitpunkt bis zur Verflüssigung von UHPC während des Mischvorgangs mit rasch adsorbierenden Vinyl-/Allylether-basierten Polycaboxylat-Fließmitteln (PCE) mit der Gestalt von „Sternpolymeren“ erheblich kürzer, als mit Methacrylat-basierten PCE. Für eine ausreichende Verarbeitungszeit sind diese Fließmittel jedoch ungeeignet, da ein Großteil der rasch adsorbierten Fließmittelmoleküle durch die Anfangsreaktion des Zements überwachsen wird. Hierfür ist der Einsatz von Methacrylatbasierten Fließmittelmolekülen mit langsamer Adsorptionsgeschwindigkeit, die nicht vorzeitig ihre Effektivität verlieren, von Vorteil. Für die Herstellung von UHPC erweist sich demnach ein Fließmittelgemisch aus Fließmittelmolekülen mit hoher (kurze Mischzeit) und geringer Adsorptionsgeschwindigkeit (lange Verarbeitungszeit) als besonders sinnvoll. Weiterhin kann das Fließmittel während der Mischvorgangs verzögert zugegeben werden, um eine Überwachsung durch die Anfangsreaktion des Zements zu vermeiden.
Ansprechpartner
Oliver Mazanec, M.Sc.
Förderung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)