Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3806
Main Title: Neue Perspektiven für Ultra-Hochleistungsbeton durch gezielte Beeinflussung des Nanogefüges
Translated Title: New prospects for Ultra-High Performance concrete by specifically influencing of nanoscale structure
Author(s): Lehmann, Christian
Referee(s): Franz, Gerhard
Stephan, Dietmar
Meng, Birgit
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Zementgebundene Werkstoffe sind die mit Abstand am häufigsten eingesetzten Baustoffe. Die Forschung führt dabei immer mehr zur Entwicklung von Materialien mit optimierten Eigenschaften, sei es bei der mechanischen Leistungsfähigkeit, der Dauerhaftigkeit oder der Umweltverträglichkeit. Eine besondere Position nimmt hierbei die Gruppe der Ultra-Hochleistungsbetone (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) ein. Sie bestechen durch Vorzüge wie sehr hohe Festigkeiten und einen hervorragenden Widerstand gegen äußere Angriffe, welche vor allem durch die sehr hohe Dichte des Betons erreicht werden. Diese Eigenschaften werden jedoch vor allem durch den Einsatz von vergleichsweise hohen Mengen an Zement sowie an Mikrosilika erzielt. Ein Ansatz, um die Menge dieser relativ teuren Komponenten im UHPC zu reduzieren, ist der Einsatz von Zementersatzstoffen und mineralischen Füllern. Das Volumen an einsetzbaren Stoffen, die Zement und Mikrosilika ersetzen können, ist jedoch stark begrenzt. Hohe Austauschgrade können zu drastischen Einbußen bei den mechanischen und physikalischen Eigenschaften führen. Eine geeignete Nachbehandlung kann den möglichen Austauschgrad jedoch deutlich erhöhen. Die Wärme-Druck-Behandlung (Autoklavierung) stellte sich hierbei als äußerst effektiv heraus. Sie steigert die Hydratation des Zementklinkers im Beton deutlich, außerdem werden hydraulische und puzzolanische Reaktionen von Zementersatzstoffen stark beschleunigt. Auch Bestandteile, die unter Normalbedingungen als unreaktiv gelten, wie zum Beispiel Quarzpartikel, können Lösungserscheinungen zeigen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass abhängig von Druck, Temperatur, der Autoklavierungsdauer, sowie des chemischen Gesamtsystems eine Reihe von Reaktionen ablaufen, die zur Bildung neuer Phasen und zur Ausbildung eines neuen Gefüges führen. So werden mit Anstieg von Druck und Temperatur zunehmend wasserärmere, kristalline Calciumsilikathydrate (C-S-H) gebildet. Diese unterscheiden sich in Abhängigkeit von den eingesetzten Zementersatzstoffen und mineralischen Füllern auch in ihrer chemischen Zusammensetzung. So führen Ca-reiche Ausgangsstoffe im Beton zu Ca-reichen C-S-H, Si-reiche Ausgangstoffe fördern die verstärkte Bildung von Si-reichen C-S-H. Auch die Gehalte von Al und S in den Ausgangsstoffen haben Einfluss auf die Phasen im System. Eine gesteigerte Zufuhr von Al führt bei geeigneter Autoklavierung zu einer Ausdehnung des Stabilitätsbereiches des festigkeitsbildenden Tobermorits, der in Folge auch bei hohen Temperaturen auftritt. Sulfatträger werden hingegen in Hydroxylellestadit gebunden, einem S-haltigen Calciumsilikat. Es konnte eine starke Konzentration des S in dieser Phase festgestellt werden, so dass in der Zementsteinmatrix des Betons, auch beim Einsatz von Ausgangsstoffen mit erhöhtem Sulfatgehalt, kein gesteigerter S-Anteil beobachtet wurde. Durch die gute Stabilität des Hydroxylellestadits könnte er somit als Speichermineral für S dienen und den Einsatz stark sulfathaltiger Ausgangsstoffe ermöglichen. Neben den Phasen im System erfährt auch das Gefüge grundlegende Änderungen. Durch die verstärkte Hydratation und die beschleunigten puzzolanischen und hydraulischen Reaktionen findet eine Homogenisierung des Gefüges statt. Durch die Ausbildung von Reaktionssäumen wird eine verbesserte Kohäsion zwischen den Partikeln und der Zementsteinmatrix erzeugt. Durch eine geeignete Autoklavierung ist es möglich, den Hochleistungswerkstoff UHPC weiter zu optimieren. Durch den Einsatz von Zementersatzstoffen und mineralischen Füllern kann der Anteil an kostenintensiven Ausgangsstoffen wie Zement und Mikrosilika deutlich gesenkt werden, ohne dabei an Leistungsfähigkeit einzubüßen. Über die Wahl von Ausgangsstoffen, sowie von Druck, Temperatur und der Autoklavierungsdauer, kann die Bildung bestimmter Calciumsilikathydrate gefördert, sowie die Mikrostruktur des Betons verändert werden und letztendlich eine gezielte Leistungssteigerung erreicht werden.
Cementitious materials are by far the mostly used construction materials. Concrete technology results more and more in the development of materials with enhanced properties, such as high strength, higher durability and increased ecological compatibility. One exceptional example is Ultra-High Performance Concrete (UHPC). Its advantages are very high compressive strengths and an improved durability, caused by their dense micro structure. These advantages are dearly bought with very high amounts of cement and silica fume. Therefore, the production of UHPC is very expensive. One approach to reduce these costs is the usage of supplementary cementitious materials (SCMs) and mineral fillers. Unfortunately, the degree of replacement is limited, because at high degrees of replacement the mechanical and physical performance of the concrete decreases significantly. Curing at appropriate conditions could be a possibility to raise the degree of replacement. Hydrothermal curing, or autoclaving, turned out to be a highly effective method. With high temperature and high pressure conditions, the cement hydration is increased, hydraulic and puzzolanic reactions are accelerated and even unreactive fillers, like quartz, partially dissolve. It is shown that a whole bundle of reactions proceeds during the curing, related to pressure, temperature, the curing duration and the chemical system. They lead to the formation of new phases and a different microstructure. With increasing temperature and pressure, the formation of crystalline calcium-silicate-hydrates (C-S-H) with less water content is favored. The chemical composition of these C-S-H depends on the used SCMs and fillers. Ca-rich starting materials produce more Ca-rich C-S-H, Si-rich materials cause Si-rich C-S-H. Also the content of Al and S influences the phases in the system. An increased supply of Al can support the formation of tobermorite by expanding its stability field to higher temperatures, at adequate curing conditions. Tobermorite is known as a C-S-H phase, which generates high strength in concrete. Sulfates are bounded in hydroxylellestadite, an S-bearing calcium-silicate. S is highly concentrated in this phase and increased S-content is not detected in the cement paste, even if starting materials with high S-contents are used. Hydroxylellestadite has a good stability in the system and offers the possibility to store S in its structure. Therefore the usage of starting materials with high S-contents is possible. Beside of the phases, also the micro structure changes fundamentally. Caused by the high hydration rate, the accelerated puzzolanic and hydraulic reactions, as well as the increased diffusion rate, a much more homogeneous microstructure is developed. Small cracks and pores are filled with C-S-H. The formation of reaction rims on the particles of the SCMs, the fillers and the aggregates creates an improved cohesion between the particles and the cement paste. Analysis by electron microscopy shows crystal fibers of C-S-H in a close network, which are connected to the cement paste as well as the rough surface of the particles. The results of the work have shown that with hydrothermal curing under adequate conditions it will be possible to optimize the high performance construction material UHPC. UHPC has got a homogeneous, dense micro structure and thereby additional enhanced mechanical and physical properties. The usage of secondary cementitious materials and mineral fillers is a possibility to lower the ratio of expensive starting materials like cement and microsilica, without lowering its performance. A selective use of starting materials, pressure, temperature and curing time can stimulate the formation of assigned calcium silicate hydrates, and can also lead to changes in microstructure. The conditions of autoclaving should be targeted to the goal of optimization. The goal can be an additional increase of performance or improving the economical or ecological balances.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-41617
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4103
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3806
Exam Date: 10-Jul-2013
Issue Date: 27-Sep-2013
Date Available: 27-Sep-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Autoklavierung
C-S-H
UHPC
Ultra-Hochleistungsbeton
Autoclaving
Calcium silicate hydrate
Ultra-High Performance Concrete
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