Selbstverdichtender Beton hoher Dauerhaftigkeit für

▼▼▼
Betontechnologie
Selbstverdichtender Beton
hoher Dauerhaftigkeit für Bauteile des
Tiefbaus und des Umweltschutzes
Vor dem Hintergrund der DAfStb-Richtlinie –
Selbstverdichtender Beton (SVB-Richtlinie) sind
Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit und zur großtechnischen Produktion von selbstverdichtendem
Beton von großem Interesse. Der Säurewiderstand,
der Frostwiderstand und der Sulfatwiderstand
können sowohl an im Labor hergestellten Betonen,
als auch an großtechnisch im Fertigteilwerk hergestellten Betonen geprüft werden. Der vorliegende
Beitrag beschreibt sowohl die experimentellen
Verfahren als auch Möglichkeiten rein analytischer
Methoden. Weiterhin werden Erfahrungen erläutert,
die bei der großtechnischen Umsetzung eigener
Forschungsergebnisse gemacht wurden.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Betonfertigteile aus Hochleistungsbeton/Hochleistungsfaserbeton für Tiefbau und Umweltschutz“ wurden in den Jahren 1999 und 2000 Untersuchungen an selbstverdichtenden Betonen (SVB) durchgeführt.
Das Vorhaben wurde als Verbundforschungsprojekt zwischen
dem F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, der Wesser Kies & Sand GmbH und dem Institut
für Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar e.V. durchgeführt.
Das Gesamtziel des Projekts bestand in der Entwicklung von
Hochleistungsbetonen mit verbesserter Widerstandsfähigkeit
gegenüber physikalischen und chemischen Angriffen.
Die Anforderungen an die Produkte der Betonindustrie sind
innerhalb der letzten Jahre stetig gewachsen. Nicht nur eine
schnelle Festigkeitsentwicklung und eine hohe Dauerhaftigkeit
werden gefordert, sondern oft auch eine sehr gute Oberflächenqualität. Eine Entwicklung, welche in der Betontechnologie in den letzten Jahren stattfand, und die auf dem Vorhan-
Prof. Dr.-Ing. habil.
Jochen Stark, Direktor
des F. A. Finger-Instituts für Baustoffkunde,
Hauptarbeitsgebiet
Schnittstellen Zement/
Zementchemie, betontechnologische Eigenschaften/Dauerhaftigkeit von Beton.
Dipl.-Ing. Marco Friebert, Studium des
Bauingenieurwesens,
Vertiefungsrichtung
Baustoffe und Sanierung, an der BauhausUniversität Weimar. Seit
1999 wissenschaftlicher
Mitarbeiter am F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar. Forschungsschwerpunkt: Dauerhaftigkeit von
Hochleistungsbeton.
46
Juliane Kirmse, nach
Studium an Ing.-Hochschule Köthen und verschiedenen Leitungstätigkeiten seit 1984 bei
Wesserbeton, u. a. als
Laborleiterin, Betriebsleiterin, Leiterin f. Einkauf u. Marketing – seit
2001 stellv. Techn.
Geschäftsführerin.
Dietmar Wesser, nach
Studium Bauverfahrenstechnik und wiss. Mitarbeit Leitungstätigkeiten
in verschiedenen Betrieben der Baustoffindustrie in Thüringen, seit
1990 Geschäftsführer
und Gesellschafter der
Wesserbeton Firmengruppe sowie Vorsitzender des Güteschutzverbandes der Beton- und Fertigteilindustrie Thüringen e.V., seit 2000 Bundesvorsitzender Bund
Güteschutz Beton- und Stahlbetonfertigteile e.V.
Concrete technology
Self-compacting concrete
components of high
durability for use
in civil engineering and
environmental protection
Investigations of the durability and full-scale production of self-compacting concrete (SCC) are of
high interest, in particular against the background
of the DAfStb code of practice on self-compacting
concrete (SVB-Richtlinie) of the German Committee
for Reinforced Concrete. Resistance to the attack of
acid, frost and sulfate can be tested both on
concretes manufactured in the laboratory and on
concretes manufactured full-scale in precast plants.
In this paper, both the experimental methods and
the possibilities of purely analytical methods are
described. In addition, experiences gained with fullscale implementation of own research results are
discussed.
Within the scope of the research project “Precast concrete
components made of high-performance/high-performance
fiber concrete for civil engineering and environmental protection“ investigations on self-compacting concretes (SCC) were
conducted in 1999 and 2000. The project was carried out
jointly by the F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde of Bauhaus
University Weimar, Wesser Kies & Sand GmbH and the Institut
für Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar e.V. The overall
objective of the project was the development of high-performance concretes with enhanced resistance to physical and
chemical attacks.
In recent years, the requirements made on concrete products
manufactured under plant-controlled conditions have become
increasingly exacting. Not only rapid development of strength
and high durability are demanded, but also a very good surface quality. One of the developments that took place in concrete technology in recent years, and which is based on the
availability of new admixtures and additions, is the technology
of high-performance concrete. Of primary importance are here
the high-strength concretes which, as a rule, differ from conventional concrete by their much denser pore structure and
mostly also higher durability. Another new development is selfcompacting concrete. In accordance with the DAfStb code on
self-compacting concrete [1], SCC is defined as “... normalweight concrete that flows without the influence of additional
compaction energy solely under the influence of gravity,
deaerates and completely fills the gaps in the reinforcement
and the form.“ Its excellent workability opens up new perspectives for the concrete industry.
BFT
5
| 2002
▼▼▼
densein von neuen Betonzusätzen beruht, ist die Technologie
des Hochleistungsbetons. An erster Stelle sind hier die hochfesten Betone zu nennen, die sich gegenüber konventionellem
Beton in der Regel durch ihre höhere Gefügedichtheit und
meist auch durch eine höhere Dauerhaftigkeit auszeichnen.
Eine weitere neue Entwicklung ist der selbstverdichtende
Beton. Nach der DAfStb-Richtlinie „Selbstverdichtender Beton“
[1] wird SVB als „... Normalbeton, der ohne Einwirkung zusätzlicher Verdichtungsenergie allein unter dem Einfluss der
Schwerkraft fließt, entlüftet sowie die Bewehrungszwischenräume und die Schalung vollständig ausfüllt“ definiert. Durch
seine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit eröffnet er neue Perspektiven für die Betonindustrie.
Für die Produktion von Hochleistungsbeton werden Betonzusatzstoffe (z. B. Steinkohlenflugasche, Silicastaub) und Betonzusatzmittel (z. B. Fließmittel) benötigt. Während bei Beton mit
alleiniger Verwendung von Portlandzement die Hydratation
meist im Alter von 28 Tagen abgeschlossen ist (Hydratationsgrad ca. 90 %), dauert diese bei Anwesenheit puzzolanischer
Zusatzstoffe noch an. Dies führt zu einer zunehmenden Gefügedichtheit und einer damit verbesserten Dauerhaftigkeit. Die
gemeinsame Verwendung von Steinkohlenflugasche und Silicastaub im Beton bietet einige Vorteile. Beide Zusatzstoffe verbrauchen Portlandit, welches besonders im Fall eines chemischen Angriffs einen Schwachpunkt im Betongefüge darstellt.
Das leichter lösliche Portlandit wird in schwerer lösliche
Hydratphasen (C-S-H) gebunden. Durch die Verdichtung der
Kontaktzone Zuschlag/Matrix, und auch der Matrix selbst,
wird das Eindringen von angreifenden Medien in den Beton
erschwert. Zudem ist es möglich, durch Steinkohlenflugasche
den Zementgehalt des Betons zu senken. Dies hat sowohl ökonomische als auch technologische Vorteile.
Bezüglich der Dauerhaftigkeit von Hochleistungsbeton sind
allerdings auch nachteilige Mechanismen bekannt, welche
besonders durch eine potenzielle Mikrorissbildung bedingt
und durch eine geeignete Nachbehandlung zu minimieren
sind. Besonders bei SVB wurde daher vielfach eine erhöhte
Nachbehandlungsempfindlichkeit festgestellt, welche auf den
erhöhten Mehlkorngehalt zurückgeführt wurde [2, 3].
Dauerhaftigkeit von Beton bedeutet, dass Bauteile aus Beton
über die vorgesehene Nutzungsdauer gegenüber allen Einwirkungen bei ausreichender Wartung und Instandhaltung genügend beständig sind [4]. Eine wichtige Dauerhaftigkeitsgröße
für Bauteile des Tiefbaus und Umweltschutzes ist ihr Widerstand gegenüber einem Säureangriff. Dies betrifft kurzzeitig
erhöhte Säurekonzentrationen (Havarien, temporäre Einleitung
von aggressiven Industrieabwässern) sowie langzeitig hohe
Säurekonzentrationen (biogene Schwefelsäurekorrosion). Der
Schädigungsmechanismus infolge Säureangriff kann lösender
oder treibender Art sein.
Ein lösender Angriff kann durch die Einwirkung von weichem
Wasser, Säuren, austauschfähigen Salzen, Basen oder Ölen und
Fetten stattfinden. Säuren bilden mit den calciumhaltigen
Bestandteilen des Zementsteins Salze. Diese Salze können
unlöslich, schwerlöslich oder leichtlöslich sein. Dabei spielt
auch die Konzentration der Säure eine wesentliche Rolle. Karbonathaltige Zuschläge sind säurelöslich und können nur verwendet werden, wenn sich die angreifenden Stoffe nur sehr
langsam erneuern und schnell neutralisiert werden können.
Zugesetzte Puzzolane binden Calciumhydroxid, doch wird
hierdurch die Angriffswirkung freier Säuren nicht merklich
gemindert. Dagegen wird der Widerstand gegen Auslaugung
und Austauschreaktionen erhöht. Die günstige Wirkung der
Puzzolane äußert sich vor allem darin, dass die Dichtigkeit
erhöht wird. [5]
Definition der dauerhaften Gebrauchsfähigkeit
Der lösende Säureangriff erfolgt nur von der Bauteiloberfläche
aus. Daher hängt die dauerhafte Gebrauchsfähigkeit eines Bauteils davon ab, ob die Schädigungstiefe innerhalb der vorgese-
BFT
5
| 2002
For production of high-performance concrete, mineral additions (e.g. fly ash, silica fume) and admixtures (e.g. superplasticizers) are required. While the hydration of concrete made
with Portland cement is typically completed at the age of
28 days (degree of hydration approx. 90%), this process will
still be continuing in the presence of pozzolanic additions. This
leads to a much denser pore structure, a dramatic increase in
impermeability and thus enhanced durability. The use of both
fly ash and silica fume offers a number of advantages. Both
types of additions use up portlandite, which is the weak point
in the structure of concrete, in particular when subjected to
chemical attack. The more easily soluble portlandite is bound
in less soluble hydrate phases (CSH). Due to the compaction at
the aggregate/matrix contact zone, and the matrix itself, penetration of attacking media is made more difficult. With the
addition of fuel ash, moreover, the cement content of the concrete can be further reduced. This has both economical and
technological advantages.
However, as regards the durability of high-performance concrete, disadvantageous mechanisms are also known, due to
potential mircrocrack formation. This danger must be minimized through appropriate curing. In particular for SCC, a
higher susceptibility to aftercare was noticed. This was
believed to be due to the increased powder content [2, 3].
Durability of concrete means that all structural concrete components are sufficiently resistant to all actions for the duration
of their intended service life, proper maintenance provided [4].
An important durability parameter for structural concrete components used in civil engineering and environmental protection is their resistance to sulfate attack. This is the case in
briefly peaking acid concentrations (due to damages, temporary introduction of aggressive industrial wastewaters) and
long-term high acid concentrations (biogenic sulfuric acid corrosion). The mechanism leading to damages from acid attack
can initiate either a dissolution process or expansive reaction.
An attack inducing dissolution can occur due to the action of
soft water, acids, exchangeable salts, bases, or oils and fats.
Acids form salts with the calcareous constituents of the
cement. These salts may be insoluble, poorly soluble or freely
soluble. Here, the concentration of the acid plays a significant
role. Carbonaceous aggregates are acid-soluble and can be
used only when the attacking materials renew themselves at
only a very slow rate and can be quickly neutralized. Added
pozzolans will bond with calcium hydroxide. This, however,
will not noticeably diminish the effects of free acids. On the
other hand, the resistance to leaching and exchange reactions
will be enhanced. The favorable effect of pozzolans is in particular reflected in the higher density. [5]
Definition of durable serviceability
Acid attack leading to dissolution takes place solely from the
surface of the structural component. Accordingly, the durable
serviceability of a structural component will depend on
whether the depth of the damage within the intended period
of service of for example 50 or 100 years will remain below the
design limit value. Therefore, a prediction on the temporal
progress of the reaction process in form of the rate of damage
or abrasion in the dimension “layer thickness/time“ will have
to be made for every attack. [6]
According to Richter [7], high-strength concretes can also be
damaged by acids with a very low pH value. The damage reactions (noticeable slowdown of loss in mass), compared to conventional concrete, decrease the lower the water-cement ratio
and the higher the silica-fume content.
Strong acids (such as hydrochloric, sulfuric and nitric acid)
decompose the calcium silicate hydrate calcium silicate
hydrates (CSH phases) and the calcium aluminate hydrates
(CAH phases) and also quickly dissolve calcium hydroxide, aluminum hydroxide and iron hydroxide. The attack increases
with decreasing pH value. At pH values of below 3, at which
47
▼▼▼
henen Nutzungsdauer von z. B. 50 oder 100 Jahren kleiner
bleibt als ein geplanter Grenzwert. Benötigt wird demnach für
jeden Angriff eine Prognose über den zeitlichen Verlauf des
Reaktionsvorgangs in Form einer Schädigungs- oder Abtragsrate in der Dimension „Schichtdicke/Zeit“ [6].
Nach Richter [7] können auch hochfeste Betone durch Säuren
mit sehr niedrigem pH-Wert geschädigt werden. Gegenüber
konventionellem Beton ergeben sich verringerte Schadreaktionen (deutliche Verlangsamung des Masseverlusts) mit sinkendem Wasserzementwert und steigendem Silicastaubgehalt.
Starke Säuren (z. B. Salz-, Schwefel- und Salpetersäure) zersetzen die Calciumsilicathydrate (C-S-H-Phasen) und Calciumaluminathydrate (C-A-H-Phasen) und lösen auch Calciumhydroxid, Aluminiumhydroxid und Eisenhydroxid schnell auf. Der
Angriff nimmt mit abnehmendem pH-Wert zu. Bei pH-Werten
unter etwa 3, bei denen sich auch die Hydroxide von Aluminium und Eisen in der Schutzschicht auflösen, läuft der Angriff
wesentlich schneller ab [8].
Die Aufgabenstellung und der vorgesehene
Lösungsweg
Nachdem die Projektpartner Hochleistungsbeton mit steifer
Konsistenz (KS) erfolgreich in der Produktion für Fertigteile für
den Tiefbau einsetzen konnten (siehe Veröffentlichung in
BFT 04/2002), stand danach die Aufgabe, diese Betone im
Bereich des Fließbetons so effektiv wie möglich im Fertigungsprozess einzusetzen. Es galt unter den im Fertigteilwerk gegebenen Randbedingungen (Ausgangsmaterialien, Maschinentechnik etc.) Betone zu entwickeln, die bezüglich ihres
physikalischen und chemischen Widerstandes höchsten Anforderungen genügen. Die Hochleistungsbetone sollten nicht nur
hochfest, sondern auch hochdauerhaft sein. Für spezielle Bauteile waren auch Anforderungen bezüglich der Oberflächenqualität gestellt.
Große Schwierigkeiten bereitet die Betonage von Fertigteilen
mit herkömmlichen Betonen bei sehr engliegender Bewehrung, mit entgegen dem Befüllungsvorgang liegenden Aussparungen oder bei schwer zugänglichen Flächen. Die Bildung
von Kiesnestern, Fehlstellen bis hin zu freiliegender Bewehrung
können Folgen eines solchen Betoniervorgangs sein, die nur
mit hohen Kosten saniert werden können.
Vom F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde wurde für diesen
besonderen Anwendungsfall ein selbstverdichtender Beton mit
hoher Dauerhaftigkeit entwickelt. Der zu entwickelnde Beton
soll insbesondere für Bauteile des Tiefbaus und Umweltschutzes eingesetzt werden. Es waren folgende Anforderungen
zu erfüllen:
n Einbringung ohne Verdichtungsgeräte
n Keine Lärmbelästigung beim Betoniervorgang
n Vollständige Ausformung komplizierter Bauteile
n Zeiteinsparung beim Einbringen des Betons
n Ausreichende Druckfestigkeit
n Hohe Gefügedichtheit
n Beständigkeit gegen alle zu erwartenden Medien
n Wirtschaftlichkeit
n Umweltverträglichkeit
Da ein typischer hochfester Beton schon durch einen hohen
Mehlkorngehalt und den Einsatz von Betonzusatzstoffen und
Betonzusatzmitteln gekennzeichnet ist, war die Entscheidung
für die Ausführung dieses Betons in der Konsistenz „selbstverdichtend“ naheliegend.
Rezepturentwicklung
Der SVB wurde auf Basis einer Bindemittelzusammensetzung
aus handelsüblichem Portlandzement (CEM I 42,5 R), Steinkohlenflugasche und Silicastaub (Silicaslurry) entwickelt. Der
Wasserzementwert und der äquivalente Wasserzementwert lag
im Bereich von hochwertigem Normalbeton. Durch Zugabe
eines neuartigen Betonzusatzmittels (Fließmittel auf Polycar-
48
also the hydroxides of aluminum and iron will dissolve in the
protective layer, attack takes place at a much faster rate. [8]
The problem and the proposed solution
After the partners to the project had succeeded in using highperformance concrete of stiff consistency with good results
for the production of precast parts (see publication in
BFT 04/2002), the next task was to use these concretes as
effectively as possible in the area of flow concrete in the production process. The task was to develop concretes that in
terms of their physical and chemical resistance would satisfy
the most exacting requirements in the framework conditions
prevailing in precast plants (constituent materials, machinery
technology etc.). High-performance concrete should not only
be of high strength, but durable as well. For specific structural
components, special requirements were made on the surface
quality.
The greatest difficulties were encountered in casting precast
parts with conventional concrete and very congested reinforcement, with recesses placed facing the filling process, or
with difficult to access areas. Formation of gravel pockets,
voids and exposed reinforcement can all be the consequences
of such a casting process.
The F. A. Finger institute for Construction Materials Science
developed for this special application a self-compacting concrete of high durability. The concrete was to be designed in
particular for structural components used in civil engineering
and environmental protection. The following specifications
had to be met:
n Placement without compaction equipment
n No offending noise during casting
n Complete forming of complex components
n Time-saving casting process
n Sufficient compressive strength
n Very dense pore structure
n Resistance to all expected media
n Economy
n Environmental compatibility
As a typical high-strength concrete is already characterized by
a high powder content and the use of additions, the decision
for executing this concrete in the consistency “self-compacting“ followed almost automatically.
Development of the concrete mix design
The SCC was developed on the basis of a binder composed of
commercially available Portland cement (CEM I 42,5 R), fly ash
and silica fume (silica slurry). The water-cement ratio and the
equivalent water-cement ratio were within a range of highquality normal-weight concrete. Through the addition of an
innovative admixture (a superplasticizer based on polycarboxylate ether) the desired fresh concrete properties could be
achieved. The reference concrete chosen was of stiff consistency and typical composition. The aggregate was dense, round
to oval quartz sand and gravel.
The mix design for the SCC was prepared in accordance with
the methods of Okamura [9]. To determine the optimum
packing density of the coarse aggregate, preliminary tests had
been carried out with various grain compositions of the aggregate. It turned out that the grading curve used in the precast
plant had a very low voids content. The SCC was within the
limits of powder-type and combination type. The silica fume
used can, indeed, be regarded as a stabilizer, although the
effectiveness, due to the particle size, is not as high as with
conventional stabilizers.
On the basis of extensive investigations of fresh concrete it
could be demonstrated that the SCC developed possessed a
very high stability. The stability of the SCC to changes of the
fresh concrete temperature within the range of 10° C to 30° C
was very high; the essential characteristics of the fresh con-
BFT
5
| 2002
▼▼▼
boxylatetherbasis) konnten die gewünschten Frischbetoneigenschaften erzielt werden. Als Vergleich diente ein Referenzbeton mit steifer Konsistenz und typischer Zusammensetzung.
Der Zuschlag war dichter, rundkörniger bis gedrungener
Quarzsand und -kies.
Die Projektierung des SVB erfolgte in Anlehnung an Methoden
von Okamura [9]. Zur Ermittlung der optimalen Packungsdichte der Grobzuschläge wurden im Vorfeld Versuche mit verschiedenen Kornzusammensetzungen des Zuschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die im Fertigteilwerk verwendete
Sieblinie einen sehr geringen Hohlraumgehalt aufweist. Der
entwickelte SVB bewegt sich im Grenzgebiet zwischen Mehlkorntyp und Kombinationstyp. Der verwendete Silicastaub
kann durchaus als Stabilisierer angesehen werden, obwohl die
Wirksamkeit auf Grund der Partikelgröße nicht so hoch ist wie
bei herkömmlichen Stabilisierern.
Im Rahmen von umfangreichen Frischbetonuntersuchungen
konnte gezeigt werden, dass der entwickelte SVB eine sehr
hohe Stabilität besitzt. Die Stabilität des SVB gegenüber Änderungen der Frischbetontemperatur im Bereich von 10 °C bis
30 °C war sehr hoch, die wesentlichen Frischbetoneigenschaften konnten beibehalten werden. Die Stabilität gegenüber
produktionsbedingten Veränderungen der Mehlkornzusammensetzung und des Wassergehalts genügten den gestellten
Anforderungen. Im Rahmen von rheologischen Messungen
mittels eines BML-Viscometers zeigte sich, dass der SVB
annähernd als hochviskose Newtonsche-Flüssigkeit anzusehen
ist. Es existiert keine ausgeprägte Fließgrenze.
Die volumetrische Zusammensetzung des SVB und des Referenzbetons zeigen Bild 1 und Bild 2. Hierbei ist deutlich zu
erkennen, dass die besonderen Frischbetoneigenschaften des
SVB im Wesentlichen auf einer hinreichend großen Menge an
stabiler Mehlkornsuspension (Bindemittelleim) beruhen, in
welcher die Zuschläge „schwimmen“ können. Während in
konventionellen Betonen der Zuschlag einen Anteil von ca.
68 V.-% einnimmt, sinkt im SVB dieser Anteil auf ca. 59 V.-%.
Festigkeitsentwicklung –
Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit
Die Prüfung der Druckfestigkeit erfolgte an Würfeln der
Abmessungen 100 x 100 x 100 mm2 nach DIN 1048-5. Die
Druckfestigkeitsentwicklung der Betone zeigt Bild 3. Die Festigkeitsklasse des SVB ist mit B 65 bzw. C55/67 in den Bereich
der hochfesten Betone einzuordnen. Die Frühfestigkeit ist mit
34 N/mm2 nach einem Tag als hoch zu bewerten. Infolge des
hohen Flugaschegehalts kommt es auch nach dem 28. Tag zu
einer weiteren Steigerung der Druckfestigkeit. Gegenüber dem
Referenzbeton (B 55 bzw. C45/55) konnte die Festigkeit noch
gesteigert werden.
Schwindverhalten – Maßhaltigkeit und
Rissverhalten
Das Schwindmaß des SVB (Balken der Abmessungen 100 x
100 x 400 mm2, Lagerung bei 20 °C und 65% r.F. für 90 Tage)
lag mit Werten von 0,43 mm/m im erwarteten Bereich. Für
konventionelle Betone liegt nach [5] bei gleichen Wassergehalten und Zementgehalten und Lagerung bei 50% r.F. das
Schwindmaß bei ca. 0,55 mm/m. Somit kann für den untersuchten SVB kein wesentlich ungünstigeres Schwindmaß festgestellt werden.
Porengrößenverteilung – Mikrogefüge
Die Porengrößenverteilung der Betone wurde mittels Quecksilberhochdruckporosimetrie bestimmt. In Bild 4 wird die zeitliche Entwicklung der Porosität des SVB dargestellt. Als Vergleich
dazu ist die Porosität des Referenzbetons im Alter von
28 Tagen gegenübergestellt. Es ist zu sehen, dass die Gesamtporosität und die Kapillarporosität des SVB höher ist als die des
BFT
5
| 2002
49
▼▼▼
Bild 1. Volumenanteile des
Referenzbetons
Fig. 1. Volume
contents of the
reference concrete
Bild 2. Volumenanteile des SVB
Fig. 2. Volume
contents of the
SCC
Bild 3. Druckfestigkeitsentwicklung der
Betone
Fig. 3. Development of compressive strength of
the concretes
Bild 4. Porosität
der Betone
Fig. 4. Porosity of
the concretes
Bild 5. Porengrößenverteilung der Betone
Fig. 5. Pore size
distribution of the
concretes
crete could be retained. The stability to changes in the powder
composition due to the manufacturing process and the water
content satisfied the specifications. Rheological measurements
by BML viscometer showed that the SCC approximated a
highly viscous Newtonian fluid. There existed no definite yield
value.
The volumetric composition of the SCC and the reference concrete are shown in Figures 1 and 2. From these it can be clearly seen that the special properties of the fresh SCC are essentially derived from the sufficiently large amount of powder
suspension (binder paste) in which the aggregates can “float.“
While conventional concretes have an aggregate contents of
approx. 68% by volume, this contents is reduced to approx.
59% by volume for SCC.
Development of strength – serviceability and
loadbearing capacity
The compressive strength was tested on cubes measuring 100
x 100 x 100 mm2 to DIN 1048-5. Development of the compressive strength of the concretes is shown in Figure 3. The
strength class of the SCC, at B 65 and, respectively, C55/67 is
to be classified within the range of high-strength concretes.
The early strength of 34 N/mm2 attained after one day must
be rated as high. Due to the high fly ash content, the compressive strength increases after the 28th day. Compared to
the reference concrete (B 55 and, respectively, C45/55) the
strength could be further increased.
Shrinkage behavior – dimensional stability
and crack formation
Shrinkage of the SCC (beam measuring 100 x 100 x 400 mm2,
storage at 20 °C and 65% r.h. for 90 days) at around
0.43 mm/m was within the expected range. Shrinkage of conventional concretes according to [5] with equivalent water and
cement contents and storage at around 50% r.h. ranged at
around 0.55 mm/m. The investigated SCC had thus not undergone essentially unfavorable shrinkage.
Pore-size distribution – microstructure
The pore-size distribution of the concrete was determined by
mercury intrusion porosimetry. In Figure 4, the temporal
development of the porosity of the SCC is shown. In comparison, the porosity of the reference concrete at the age of
28 days is shown. It can be seen that the total porosity and the
capillary porosity of the SCC is higher than that of the reference concrete. With increasing age, due to the pozzolanic
reaction of the fly ash, in particular the capillary porosity of the
SCC is noticeably reduced. At the age of 82 days it approximates the porosity of a high-strength concrete.
A comparison of the pore size distribution of the concretes at
the gel-pore/capillary-pore interfacial zone (Fig. 5) at the age
of 28 days evidenced for the SCC a higher porosity in the capillary-pore zone than for the reference concrete. The pore radii
for the SCC, which are of significance to transport processes,
are however to be rated slightly more favorable than those of
the reference concrete. The improvement in pore size distribution at increasing age is shown after 28 days and, in comparison, at 82 days.
Frost resistance – water saturation
To examine the resistance to frost, the CIF test (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze Thaw Test) in accordance
with Setzer and Auberg [10] was performed. The CIF test is of
relevance for the assessment of the frost resistance of external
structural components with a high degree of saturation (XF3
to DIN 1045-2). For external structural components with moderate water saturation (XF1 to DIN 1045-2), the CIF test would
50
BFT
5
| 2002
▼▼▼
Referenzbetons. Mit zunehmendem Alter sinkt infolge der puzzolanischen Reaktion der Flugasche besonders die Kapillarporosität des SVB erheblich. Im Alter von 82 Tagen entspricht
sie annähernd der eines hochfesten Betons.
Ein Vergleich der Porengrößenverteilung der Betone im Grenzbereich Gelporen – Kapillarporen (Bild 5) zeigt im Alter von
28 Tagen für den SVB eine höhere Porosität im Kapillarporenbereich als für den Referenzbeton. Die für die Transportvorgänge wichtigen Porenradien sind jedoch für den SVB geringfügig
günstiger zu bewerten als für den Referenzbeton. Die Verbesserung der Porengrößenverteilung mit zunehmendem Alter
zeigt der Vergleich nach 28 Tagen und 82 Tagen.
Frostwiderstand – Wassersättigung
Zur Prüfung des Frostwiderstandes wurde der CIF-Test (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze Thaw Test) in Anlehnung an Setzer und Auberg [10] durchgeführt. Der CIF-Test ist
für die Bewertung des Frostwiderstandes von Außenbauteilen
mit hohem Sättigungsgrad relevant (XF3 nach DIN 1045-2).
Für Außenbauteile mit mäßiger Wassersättigung (XF1 nach
DIN 1045-2) wäre der CIF-Test wesentlich zu scharf. Kriterien
bezüglich der Reduktion des dynamischen E-Moduls für diesen
Test sind „ungeschädigt“ (rel. Edyn. > 90%) und „geringe Schädigung“ (60% < rel. Edyn. < 90%).
Bei der Prüfung des Frostwiderstandes im Alter von 28 Tagen
erfüllt der SVB die Anforderungen der Expositionsklasse XF1
(nach 28 Frost-Tau-Wechseln: Abfall des dynamischen
E-Moduls kleiner 40%, mittlere Abwitterung kleiner 1000 g/
m3). Im Alter von 82 Tagen konnte an SVB aus einem großtechnisch hergestellten Schachtbauwerk ein sehr hoher Frostwiderstand (XF3 nach 56 Frost-Tau-Wechseln: Abfall des dynamischen E-Moduls kleiner 40%, mittlere Abwitterung kleiner
2000 g/m3) ermittelt werden. Der Referenzbeton weist bereits
im Prüfalter von 28 Tagen einen sehr hohen Frostwiderstand
auf (XF3). Tabelle 1 zeigt die Werte der inneren Schädigung
und der Abwitterung der Betone. Hauptursache für den geringeren Frostwiderstand des SVB im Prüfalter von 28 Tagen war
vermutlich der unzureichende Hydratationsgrad der Flugasche
zum Prüftermin. Die sich an die sechstägige Wasserlagerung
anschließende 21-tägige Lagerung im Klima 20 °C und
65% r.F. lässt nur einen geringen Hydratationsgrad erwarten.
Die Abwitterung war bei allen Betonen sehr gering.
Sulfatwiderstand – Widerstandsfähigkeit
gegen treibende Mineralphasenneubildungen
Die Prüfung des Sulfatwiderstandes erfolgte nach dem am F. A.
Finger-Institut für Baustoffkunde entwickelten MNS-Verfahren
[11, 12]. Die Untersuchungen wurden an Bohrkernen mit
einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von 150 mm
durchgeführt. Der im Fertigteilwerk produzierte SVB wurde im
Alter von 100 Tagen untersucht. Für die Untersuchung des
Referenzbetons kamen Bohrkerne aus einem kleintechnisch am
Institut für Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar e.V. produzierten Rohrsegment zur Anwendung. Die Bohrkerne wurden
für 84 Tage bzw. 168 Tage bei 8 °C in 5%iger Natriumsulfatlösung gelagert. Während der Prüfung wurde die Masseänderung der Probekörper erfasst. Im Anschluss an die Sulfatlagerung wurde die Zugfestigkeit der Bohrkerne ermittelt. An den
Reststücken der Zugfestigkeitsprüfung wurde die Druckfestigkeit bestimmt. Als Hauptkriterium für eine Schädigung der
Prüfkörper durch Sulfatangriff ist der Rückgang der Zugfestigkeit anzusehen. Für den Fall einer Schädigung der Probekörper
durch treibende Mineralphasenneubildungen wäre mit einem
signifikanten Abfall der Zugfestigkeit zwischen dem 84. Tag
und dem 168. Tag zu rechnen.
Bei der Prüfung mittels dieses praxisnahen Verfahrens zeigte
der SVB im untersuchten Zeitraum auf Grund der hohen Gefügedichtheit erwartungsgemäß einen hohen Sulfatwiderstand.
Bild 6 zeigt die Entwicklung der Zugfestigkeit bei Sulfatangriff
BFT
5
| 2002
51
▼▼▼
Tabelle 1. Frostwiderstand der
Betone
Table 1. Frost
resistance of the
concretes
be much too harsh. Criteria concerning the reduction of the
dynamic elastic modulus for this test are “undamaged“ (rel.
Edyn. > 90 %) and “slight damage“ (60 % > rel. Edyn. > 90%).
When testing the frost resistance at the age of 28 days, the
SCC met the requirements of exposure class XF1 (after 28 days
freeze/thaw attacks: decrease of the dynamic elastic modulus
smaller than 40%, medium scaling smaller than 1000 g/m2).
At the age of 82 days, a SCC used for full-scale production of a
manhole structure, was determined to have a very high frost
resistance (XF3 after 56 freeze-thaw attack: decrease of the
dynamic elastic modulus to smaller than 40%, medium scaling
smaller than 2000 g/m2).The reference concrete exhibited a
very high frost resistance(XF3) already at the test age of
28 days. Table 1 shows the values of the internal damage and
scaling of the concretes. The principal reason for the SCC’s low
frost resistance at the test age of 28 days is assumed to be the
insufficient degree of hydration of the fly ash at the day of testing. With six-day water storage followed by 21-day storage at
20 °C and 65% r.h., a low degree of hydration is to be expected. Scaling was very slight for all concretes.
Bild 6. Sulfatwiderstand der
Betone
Fig. 6. Sulfate
resistance of the
concretes
Sulfate resistance – resistance to expansive
reformation of mineral phases
bei einer Einlagerungsdauer von 84 Tagen bzw. 168 Tagen.
Lediglich der Referenzbeton weist einen etwas höheren Zugfestigkeitsrückgang auf, welcher aber nicht als signifikant
erachtet wird. Die Kennwerte der Masseänderung und der
Druckfestigkeit lassen ebenfalls keine Schädigung erkennen.
Somit kann dem geprüften SVB ein hoher Sulfatwiderstand
bestätigt werden.
Säurewiderstand – Widerstandsfähigkeit
gegen äußere chemische Angriffe
Der SVB sollte auch in der Lage sein, einem temporären starken Säureangriff zu widerstehen. Deshalb wurden die Betone
einer 35-tägigen Lagerung in Schwefelsäure mit einem
pH-Wert von 2 ausgesetzt. Die Prüfung des Säurewiderstandes
erfolgte mittels eines zeitraffenden Labortests in Anlehnung an
Kämpfer und Berndt [13]. Als Probekörper wurden ebenfalls
Bohrkerne (80 mm Durchmesser für die Laborbetone, 100 mm
Durchmesser für die großtechnisch produzierten Betone) verwendet. Dies stellt einen schärferen Angriff dar als ein Angriff
auf eine geschalte Oberfläche. Weiterhin wird die Auswirkung
eines sich potenziell ausbildenden Mikrorisssystems vollständig
erfasst.
Die Bohrkerne wurden vor der Prüfung im Klima 20 °C und
65% r.F. gelagert und 4 Tage vor der Einlagerung in die Säure
unter Wasser gelagert. Die Bohrkerne wurden 6 Tage in der
Säure gelagert, anschließend für 1 Tag unter Wasser gelagert
und nachfolgend wurde mittels Ultraschallbad das lose Material entfernt. Dieser Zyklus wurde 5-mal wiederholt. Während
der Prüfung wurde der pH-Wert automatisch konstant gehalten. Die Schwefelsäure wurde durch einen Rührer ständig
leicht bewegt. Die Gesamtdauer der Prüfung betrug 35 Tage.
Während der Prüfung wurde die Masseänderung der Probekörper erfasst. Nach Beendigung der Prüfung wurde an abgeschnittenen Randstücken der Bohrkerne die Eindringtiefe der
Säure bestimmt (Phenolphthalein-Indikatortest). Anschließend
wurde die Restdruckfestigkeit der Bohrkerne bestimmt und zu
parallel in Wasser gelagerten Bohrkernen ins Verhältnis gesetzt.
Für den Fall einer tief greifenden inneren Schädigung der Proben ist mit einem Rückgang der Druckfestigkeit zu rechnen.
Der Vergleich der errechneten Masseverluste nach der Säurelagerung in Bild 7 zeigt, dass der SVB im Vergleich zum Referenzbeton stets einen niedrigeren Masseverlust aufweist. Durch
ein höheres Alter bei Prüfbeginn verbessert sich die Beständigkeit nochmals (SVB 91d). Die Restdruckfestigkeiten der säuregelagerten Probekörper erreichten Werte von 97% bzw. 98%
für den SVB und 93% bzw. 99% für den Referenzbeton. Die
52
Testing of sulfate resistance was performed to the MNS
method developed at the F. A. Finger Institute for Building
Materials Science [11, 12]. The tests were performed on drill
cores with a diameter of 150 mm. The SCC manufactured in
the precast plant was tested at the age of 100 days. For the
investigation of the reference concrete, bore cores from pipe
segments of lab-scale production manufactured by the Institut
für Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar e.V. were used. The
bore cores were stored for 84 days and 168 days, respectively,
at 8° C in a 5% sodium sulfate solution. During testing, the
mass changes to the test specimens were recorded. Following
sulfate storage, the tensile strength of the bore cores was
determined. The compressive strength was determined on the
residuals of the tensile strength test. The decrease in tensile
strength must be regarded as the main criteria for damage to
the test specimens due to sulfate attack. For the case of damage of the test specimens induced by expansive reformation of
mineral phases, a significant loss of tensile strength would
have to be expected between the 84th and 168th day.
During testing by this practice-oriented method, the SCC, due
to its high pore density, in the period under investigation was
determined to possess the expected high sulfate resistance.
Figure 6 shows the development of tensile strength under sulfate attack during a storage period of 84 and, respectively,
168 days. Only the reference concrete suffered a slightly higher loss in tensile strength. This, however, was not deemed to
be of significance. The parameters of the mass changes and
the compressive strength showed likewise no signs of damage.
Accordingly, the investigated SCC can be confirmed to have a
high sulfate resistance.
Sulfate resistance – resistance to external
chemical attacks
SCC should also be able to resist a temporary strong acid
attack. For this reason, the concretes were subjected to 35-day
storage in sulfuric acid with a pH value of 2. Testing of acid
resistance was conducted in accelerated lab tests in accordance with Kämpfer and Berndt [13]. As test specimens, bore
cores (of 80 mm diameter for the lab concretes, 100 mm for
full-scale-manufactured concretes) were used. This constituted
a much stronger attack than an attack on a formed surface.
Furthermore, the effects of a potential microcrack formation
system was completely recorded.
Prior to testing, the bore cores were stored at 20° C and 65%
r.h., and immersed in water for 4 days prior to acid storage.
The bore cores were stored in the acid for 6 days, subsequent-
BFT
5
| 2002
▼▼▼
Bild 7. Säurewiderstand der
Betone
Fig. 7. Acid
resistance of the
concretes
realen Eindringtiefen (Phenolphthalein-Indikatortest) waren
mit Werten < 1,2 mm sehr gering. Somit kann eine tiefere
Schädigung der Probekörper ausgeschlossen werden.
Die Prüfung des Widerstandes der Bindemittelzusammensetzungen des SVB gegenüber der biogenen Schwefelsäurekorrosion (BSK) erfolgte an Kleinstprismen (10 x 10 x 60 mm2). Die
Probekörper wurden im Alter von ca. 5 Wochen in einem von
der Technology Center GmbH der Heidelberg Cement Group
entwickelten Bioreaktor (siehe dazu [14]) einem biogenen
Schwefelsäureangriff ausgesetzt.
Bild 8 zeigt den Masseverlust von Kleinstprismen aus Mörtel
mit einer Bindemittelzusammensetzung äquivalent des SVB.
Die Proben weisen nach dem 90-tägigen biogenen Schwefelsäureangriff Masseverluste von ca. 35% auf. Dies entspricht
einer Schädigungstiefe von ca. 0,7 mm. Der Schädigungsverlauf ist weitgehend linear. Die Ergebnisse zeigen, dass eine
Schädigung des SVB durch BSK im Wesentlichen die äußere
Randschicht der Kleinstprismen betrifft. Die Druckfestigkeit des
Kerns bleibt bei dem SVB erhalten (Restdruckfestigkeit 98%).
Unter Beachtung des relativ frühen Angriffszeitpunktes ist
jedoch unter realen Bedingungen mit einer wesentlich reduzierten Schädigungstiefe zu rechnen.
Bild 8. Masseverlust des SVB
bei BSK
Fig. 8. Mass loss
of the SCC at
BSAC
Erfahrungen aus der großtechnischen
Umsetzung – Bezug zur Praxis
Die vorhandenen Ausrüstungen des Projektpartners Wesser
Kies & Sand GmbH waren in Bezug auf die SVB-Projektierung
als geeignet einzuschätzen. Da diese anlagentechnischen
Gegebenheiten in Betonfertigteilwerken im allgemeinen ernstzunehmende Randbedingungen darstellen, wurde diesen im
Rahmen der großtechnischen Umsetzung besonderes Augenmerk gewidmet. Bekanntlich übt insbesondere die Dosiergenauigkeit der Mischanlage einen weitreichenden Einfluss auf
die Frischbetoneigenschaften von SVB aus, so dass dieser Parameter entsprechend berücksichtigt wurde.
Bei den Versuchen wurde die Dosierung des Fließmittels von
Hand am Mischer durchgeführt. Bei Serienproduktion können
durch den Einbau einer ZPV-36 entsprechende Produktionsbedingungen geschaffen werden.
Die Herstellung von SVB stellt höhere Anforderungen als die
Herstellung konventioneller Rüttelbetone. Besonders die Qualitätssicherung der Ausgangsstoffe während der laufenden Produktion stellt eine Herausforderung dar. Beim Einsatz des SVB
in der Produktion zeigte sich, dass diese nur unter strenger Einhaltung eines Qualitätssicherungsplanes möglich ist, da geringe Abweichungen in der Sieblinie oder vom Wasser-ZementWert zu erheblichen Veränderungen in den Frischbetoneigenschaften führen können. Ebenso haben der Transport und
das Einbringen des Betons erheblichen Einfluss auf die Frischund Festbetoneigenschaften. Beispielsweise verursacht der
Transport mittels Staplerkübel eine Frühentlüftung des Betons.
Die technologischen Abläufe sind deshalb den speziellen
Anforderungen anzupassen. Beim Einbringen des SVB ist auf
das gleichmäßige, langsame Fließen zu achten, damit eine
vollständige Entlüftung gewährleistet wird. Es zeigte sich, dass
ein Rücksteifen der Betone zu beobachten ist. Bei ausreichender Erfahrung im Umgang mit SVB liefert die visuelle Einschätzung der Frischbetoneigenschaften (auf dem Fließtisch oder im
Mischer) sehr aussagekräftige Resultate.
Im Ergebnis der Anwendung der Rezepturen von SVB lässt sich
feststellen, dass in den Versuchen durch den Einsatz vom Silicastaub ein Beton mit der Druckfestigkeitsklasse B 75 entsprechend den Anforderungen in der Praxis hergestellt worden ist.
Produktion des RSS®-Schachtsystems mit SVB
Die Wesser Kies & Sand GmbH produziert ein neues Schachtsystem, das sogenannte RSS®-System. Dieses Schachtsystem
ging aus dem früheren Trennsystem hervor und zeichnet sich
dadurch aus, dass Schmutzwasser und Regenwasser in einem
BFT
5
| 2002
ly immersed for 1 day in water, following which loose materials were removed by ultrasound bath. This cycle was repeated
5 times. During testing, the ph value was automatically kept
constant. The sulfuric acid was kept in constant slight motion
by a blender. The test was performed over a period totaling
35 days. During testing, the mass changes to the test specimens were recorded. Upon completion of the test, the penetration depth of the acid was determined on pieces cut off
from the edges of the bore cores (phenolphthalein indicator
test). Subsequently, the residual compressive strength of the
bore cores was determined and compared relative to the bore
cores stored in parallel in water. Test specimens which had suffered damage by a higher penetration depth were expected to
experience a loss in compressive strength.
A comparison of the calculated mass loss following acid storage as shown in Figure 7 shows that the SCC, compared to
the reference concrete, in every case showed a lesser loss
before acid storage. Testing at a higher age further increases
the resistance (SCC 91d). The residual compressive strengths
of the test specimens subjected to acid storage achieved values
of 97% and, respectively, 98% for the SCC and 93% and,
respectively, 99 % for the reference concrete. The actual penetration depths (phenolphthalein indicator test) were very slight
at values of > 1.2 mm. Therefore, deeper damage to the test
specimens can be precluded.
Testing of the resistance of SCC binder mixes to biogenic sulfuric acid corrosion (BSAC) was performed on prismatic mortar
specimens (10 x 10 x 60 mm2). For this purpose, the test specimens, at the age of approx. 5 weeks, were exposed to biogenic sulfuric acid attack in a bioreactor developed by the
Technology Center GmbH of the Heidelberg Cement Group
(see also [14]).
Figure 8 shows the mass change to the prismatic mortar specimens with a binder mix composition equivalent to SCC. The
specimens, following a 90-day biogenic sulfuric acid attack,
experienced a mass losses of around 35%. This corresponds to
a damage penetration depth of approx. 0.7 mm. Damage progresses largely linear. The results show that damage to the SCC
due to BSAC primarily affects the outer edge layer of the
prisms. The compressive strength of the core is retained for the
53
▼▼▼
SCC (residual compressive strength 98%). However, taking
into consideration the relatively early time of attack, a much
reduced damage depth is to be expected under real conditions.
Experiences from full-scale implementation –
relationship to practice
Bild 9. Befüllung
der Schachtunterteilgießform mit SVB
Fig. 9. Manhole
bottom form
being cast with
SCC
Schacht, jedoch dennoch getrennt geführt werden. Darüber
hinaus können noch weitere Medien durch die RSS®-Schächte
und in einem Graben geführt werden. Erhebliche Einsparungen durch die Reduzierung der Grabenbreiten und damit
reduzierter Erdaushub, verminderte Transporte, Deponierungen und Zwischenlagerungen, Reduzierung der Schachtanzahl
und somit der Investitions- und Betriebskosten sowie Bauzeitverkürzung sind die Nutzenfaktoren dieses Systems. Auf Grund
der Führung von zwei Leitungssystemen in einem Schacht sind
massive und vor allem komplizierte Schachtelemente erforderlich (Bild 11).
Beurteilung der Ergebnisse
Zu den bestehenden hohen Anforderungen an den Beton
bezüglich Festigkeit, Dauerhaftigkeit (Widerstand gegen chemische Angriffe) sowie Dichtigkeit und porenarme Ausbildung
der Oberflächen kommen hohe Anforderungen an das Ausbildungsverhalten des Frischbetons, insbesondere bezüglich seines Füll- und Fließverhaltens. Diese Anforderungen können
durch den Einsatz des SVB erzielt werden. Somit kann schon
jetzt davon ausgegangen werden, dass die Forschungsergebnisse konkreten wirtschaftlichen Nutzen erbringen.
Die Produktion von Schachtunterteilen erfolgt entsprechend
nach Zeichnungsvorlage der Auftraggeber. Es kann somit keine
Produktion auf Lager erfolgen, da die einzelnen Betonteile als
Unikate einzustufen sind. Zudem sind für eine erfolgreiche Auftragsannahme die kurzfristige Fertigung und Auslieferung der
Betonelemente nach Auftragserteilung unerlässlich. In der Praxis stellt sich deshalb die Notwendigkeit, niedrige FertigungsBild 10. Schachtunterteil nach
der Entschalung
Fig. 10. Manhole
bottom following
demolding
The plant configuration available at the project partner Wesser
Kies & Sand GmbH was considered adequate for SCC production. As the plant engineering available at a given precast plant
must in any case be considered a significant boundary condition, due attention was paid to this aspect for full-scale implementation. As in particular the batching process of the mixing
plant is known to have a major effect on the properties of the
fresh SCC, this parameter must be carefully considered.
During testing, the superplasticizer was batched manually
from the mixer. In serial production, the appropriate production conditions can be created by installing a special-purpose
pump (such as e.g. ZPV-36).
The production of SCC is more demanding than is that of conventional vibrated concretes. In particular quality assurance of
the constituent materials represents a challenge for continuous
production. When using SCC in full-scale production it
becomes evident that this is only possibly under strictest
adherence to a quality assurance scheme, as the slightest deviations from the grading curves or the water-cement ratio can
lead to considerable changes in the properties of the fresh
concrete. Concrete transport and placement also considerably
influence the properties of the fresh and hardened concrete.
Transport by stacker bucket, for example, leads to early aeration of the concrete. The technological processes must therefore be adapted to the special requirements. In placing the
SCC, care must be taken to ensure a uniform, slow flow for
complete aeration. In some cases, a restiffening of the concretes was observed. When efficient experience has been gathered with the handling of SCC, the visual estimation of the
properties of the fresh concrete (on the flow table or in the
mixer) brings good results.
In summary it can be stated that with the design mixes for
SCC, using silica fume, a concrete of compressive strength
class B 75 can be manufactured to meet the requirements of
the practice.
Manufacture of the RSS® manhole system
using SCC
Wesser Kies & Sand GmbH manufactures a new manhole system called RSS®. This manhole system evolved from the company’s previous separate system. Its distinguishing feature is
that wastewater and rainwater are conducted through a single
manhole, but still separately. In addition to that, further media
can be conducted through the RSS® manholes and in a trench.
The beneficial factors of this system are the considerable savings that can be realized through reduced trench widths, less
excavation works, less transport, less deposits and intermediate
storage, a reduction of the number of manholes and thus
lower investment and operating costs, in addition to shorter
construction times. Two separate pipelines conducted through
one manhole requires extremely robust and in particular complex manhole components (Fig. 11).
Assessment of the results
Added to the existing high requirements made on the concrete in respect of strength, durability (resistance to chemical
attacks) as well as an impermeable surface of low porosity, are
the stringent demands made on the behavior of the fresh concrete in particular with regard to filling and flow behavior.
These requirements can be met with SCC. To that extent it can
be assumed already at this point of time that the research
results will bring concrete economic benefits.
54
BFT
5
| 2002
▼▼▼
und Ausschalzeiten bei der Herstellung von Schachtunterteilen
zu realisieren.
Es galt in der weiteren Forschung zu überprüfen, inwieweit
auch diese Marktanforderungen durch den Einsatz mit SVB
erfüllbar sind. Aufbauend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen der durchgeführten Versuche konnte durch den Einsatz
von weiteren Zusatzmitteln ein selbstverdichtender Beton entwickelt werden, der Ausschalzeiten von 6 Stunden aufweist
und somit in der Praxis sofort zum Einsatz kommen kann.
Zusammenfassung
In Zusammenarbeit mit der Wesser Kies & Sand GmbH wurden erfolgreich großtechnisch Produkte (Abdeckplatte,
Schachtbauwerke, Schachtunterteile) aus selbstverdichtendem
Beton produziert und hinsichtlich ihrer Eigenschaften bewertet. Der entwickelte Beton soll insbesondere für Bauteile des
Tiefbaus und Umweltschutzes eingesetzt werden (z.B. RSS®Schachtsystem, Predl®-Infraschacht). Einen weiteren Vorteil
dieses Betons stellt die erreichbare Oberflächenqualität dar
(Porigkeit sehr gering, Sichtbetonqualität). Testversuche zeigten, dass es ebenfalls möglich ist, einen stahlfaserbewehrten,
selbstverdichtenden Hochleistungsbeton herzustellen.
Der Beton wurde am F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde entwickelt und auf seine Dauerhaftigkeit geprüft. Der selbstverdichtende Hochleistungsbeton zeigt im Vergleich zu konventionellem Beton eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber
Schwankungen in der Zusammensetzung (insbesondere des
Wasser- und Fließmittelgehaltes, Eigenfeuchte des Zuschlags).
Ein erhöhter Aufwand bei der Qualitätssicherung ist daher
erforderlich.
Hinsichtlich des Widerstandes gegenüber physikalischem
Angriff erfüllt der SVB die an ihn gestellten hohen Erwartungen. Die Festigkeitsentwicklung des SVB ist als sehr gut zu
bewerten. Ein hoher Sulfatwiderstand wird ebenfalls erreicht.
Eine sehr hohe Frostbeständigkeit (XF3) des SVB wird erst ab
einem Alter von ca. 90 Tagen erreicht. Eine ausreichende
Nachbehandlung wird empfohlen.
Der Widerstand gegenüber chemischem Angriff ist differenzierter zu bewerten. Während bei konventionellem Beton nach
derzeitigem Kenntnisstand ein Versagen sowohl durch eine
innere Gefügeschädigung (messbar durch den Abfall der
Druckfestigkeit) und durch Masseverlust auftritt, dominiert bei
Hochleistungsbeton der Masseverlust. Eine signifikante Abnahme der Druckfestigkeit des SVB konnte im Versuchszeitraum
nicht beobachtet werden. Dies kann als Indiz für eine hohe
Dauerhaftigkeit gegenüber einer inneren Schädigung gewertet
werden.
Zwar wird durch die hohe Gefügedichtheit ein Eindringen
schädigender Medien begrenzt, jedoch ist die Oberfläche weiterhin der Schwachpunkt. Relevante Schädigungsprozesse laufen hauptsächlich in dieser Randschicht ab. Mit zunehmendem
Alter zeigte sich eine Erhöhung des Säurewiderstandes. Eine
Reduktion des Masseverlustes auf Werte nahe Null war allerdings nicht möglich. Es kann von einem linearen Verlauf des
Abtrags ausgegangen werden, wenn man davon absieht, dass
mit der Zeit das Herauslösen von gröberen Zuschlägen den
Masseverlust überproportional erhöht. Dieser Abtrag kann bei
Kenntnis der Angriffsbedingungen rechnerisch abgeschätzt
werden, wodurch es möglich ist, die Gebrauchstauglichkeit
während der Nutzungsdauer sicherzustellen.
Für die Anwendung der Erkenntnisse in der Praxis muss beachtet werden, dass bis auf den speziellen Fall der biogenen
Schwefelsäurekorrosion meist ein viel schwächerer Angriff
stattfindet. Wobei gilt, dass aus thermodynamischer Sicht alle
Hydratphasen des Zementsteins gegenüber einem starken Säureangriff unbeständig sind. Im Ergebnis zeigt sich, dass jeder
Einzelfall des chemischen Angriffs und jede Kombination
wegen der Vielfalt der möglichen Angriffsmedien und damit
unterschiedlicher Schädigungsmechanismen, auch auf Grund
von Verfahrenseinflüssen, am Beton überprüft werden sollte.
BFT
5
| 2002
55
▼▼▼
Pauschale Aussagen zur Beständigkeit gegenüber Säureangriff sind
ohne Kenntnis von Angriffsart,
Angriffsgrad und Umgebungsbedingungen weder möglich noch sinnvoll.
Blick auf den Markt
Besonders bei selbstverdichtendem
Beton sind der Zusammensetzung
(Steuerung des Wasserzementwertes) durch die geforderten rheologischen Kennwerte enge Grenzen
gesetzt. Durch den Einsatz von Flugasche ist es zwar möglich, hochdichte Gefüge zu erhalten, deren
Bild 11. Aus SVB
hergestellter
RSS®-Schacht
Fig. 11. RSS®
manhole made of
SCC
56
LITERATUR
[1] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb-Richtlinie
– Selbstverdichtender Beton (SVB-Richtlinie); Ergänzung
zu DIN 1045:1988-07; Beuth Verlag GmbH, Berlin/Wien/
Zürich, 2001Oktober 2001
[2] Persson, B.: Shrinkage and strength of Self-Compacting Concrete with different kinds of filler. In Shrinkage of
Concrete-Shrinkage 2000, Proccedings of the International RILEM Workshop, Edited by Baroghel-Bouny and P.-C.
Aitcin, Paris 2000
[3] Grube, H.; Rickert, J.: Selbstverdichtender Beton – ein
weiterer Entwicklungsschritt des 5-Stoff-Systems Beton,
Beton 49 (1999), H.4, S. 239–244
[4] Stark, J.; Wicht, B.: Dauerhaftigkeit von Beton – Der
Baustoff als Werkstoff. Birkhäuser Verlag, Basel/Boston/
Berlin, 2001
[5] Weigler, H.; Karl, S.: Beton: Arten-Herstellung-Eigenschaften. Verlag Ernst&Sohn, Berlin 1989
[6] Zement-Taschenbuch 2000, Verein Deutscher Zementwerke e.V. (Hrsg.), Düsseldorf, Verlag Bau+Technik,
2000
[7] Richter, T.: Hochfester Beton – Hochleistungsbeton.
Schriftenreihe Spezialbetone Band 3, Verlag Bau und
Technik, Düsseldorf, 1999
[8] Locher, F.W.: Zement: Grundlagen der Herstellung
und Verwendung. Verlag Bau und Technik, Düsseldorf
2000
[9] Okamura, H.; Ozawa, K.: Mix Design for Self-Compacting Concrete, Concrete Library of JSCE No. 25, Jun.
1995, S. 107–120
[10] Setzer, M.J.; Auberg, R.: Prüfverfahren des Frostwiderstands von Beton; Bestimmung der inneren Schädigung – CIF-Test.
[11] Mulenga, D.M.; Nobst, P.; Stark, J.: Praxisnahes Prüfverfahren zum Sulfatwiderstand von Beton und Mörtel
mit und ohne Flugasche. In 37. Forschungskolloqium des
DAfStb, Weimar 7./8. Oktober 1999
[12] Mulenga, D. M.: Zum Sulfatangriff auf Beton und
Mörtel einschließlich der Thaumasitbildung. Dissertation,
Bauhaus-Universität Weimar 2002
[13] Kämpfer, W.; Berndt, M.: Estimation of service life of
concrete pipes in sewer networks. In Durability of Building Materials and Components 8 (Volume 1), 1999,
p. 36–45
[14] Hofmann, F. J.; Hormann, K.; Schmidt, M.; Wagner,
E.: Beton mit erhöhtem Widerstand gegen Säure und Biogene Schwefelsäurekorrosion. In Betonwerk + FertigteilTechnik, 04/1997, S. 64–70
The production of manhole bottoms takes place to the drawings supplied by the client. Therefore, no production for storage is possible, as the individual concrete components must all
be classified as one of a kind. Successful job processing is
moreover conditional upon short-term completion and delivery of the concrete components following order placement.
Short production and demolding times are thus an absolute
prerequisite for manhole bottom production.
It will require further research to ascertain to what extent these
demands of the markets can also be met with SCC. Building
on the insights gained with previous experiments, a self-compacting concrete could be developed using further admixtures
to achieve demolding times of 6 hours and which can be
immediately implemented in practice.
Summary
In cooperation with Wesser Kies & Sand GmbH full-scale products (covers, manhole structures, manhole bottoms) made of
self-compacting concrete and their properties were assessed.
The concrete developed was in particular intended for structural components used in civil engineering and environmental
protection (e.g. the manhole system RSS® Schachtsystem,
Predl®-Infraschacht). Another advantage of this concrete is the
surface quality that can be achieved with it (very low porosity,
architectural concrete quality). Experimental tests showed that
it is also possible to manufacture steel-fiber-reinforced selfcompacting high-performance concrete.
The concrete was developed at the F.A. Finger for Building
Materials Science and tested for durability. The self-compacting high-performance concrete showed a higher susceptibility
to fluctuations in the mix composition (in particular to the
water and superplasticizer content, natural moisture of the
aggregate) than conventional concrete. A more complex quality assurance is therefore not required.
In respect of the resistance to physical attack, SCC meets the
expected high expectations. The development of strength in
SCC can be rated as being very good. A high sulfate resistance
is likewise achieved. A very high resistance to frost (XF3) of the
SCC is attained only from an age of approximately 90 days.
Adequate curing is recommended.
The resistance to chemical attack needs to be assessed in a
more differentiated manner. While with conventional concrete,
based on the insights gained as of to date, failure can be
induced both by damage to the internal structure (measurable
by a decrease in compressive strength) and through mass loss,
with high-performance concrete mass loss dominates. No significant loss of compressive strength was observed during the
test period. This can be taken as an indication of high durability to internal damage.
Although a very dense structure will limit the penetration of
harmful media, the surface is now as before the weak point.
Relevant damage processes occur primarily in this edge layer.
Acid resistance increases with increasig age. Reducing mass
losses to a value near zero was however not possible. A linear
progression of abrasion can be assumed, when leaving aside
the fact that detachment of coarser aggregates will in the
course of time lead to a disproportionate loss in mass. This
abrasion can be estimated by way of calculation when the
attack conditions are known to ensure the serviceability for the
period of utilizatation.
As to application of the knowledge gained in practice, consideration must be given to the fact that, except for the special
case of biogenic sulfuric acid corrosion, the attacks will mostly
be much weaker. Here applies that under the aspect of thermodynamics all hydration phases of the cement paste are
unstable to strong acid attack. In summary it can be stated
that, given the wide range of possible attacking media and
consequently the mechanisms leading to damage, every individual case of chemical attack and every combination should
be tested on the concrete. Summary statements on the dura-
BFT
5
| 2002
▼▼▼
Ausbildung aber längere Zeit benötigt als bei reinen Portlandzementbetonen. Diesen veränderten Anforderungen sollte
besonders bei der Wahl des Prüfzeitpunktes Rechnung getragen werden. Im Rahmen zukünftiger Forschung sollte dieser
Frage große Aufmerksamkeit gewidmet werden. Insbesondere
sollte geklärt werden, durch welche technologischen –
oder/und rezepturbedingten Maßnahmen ein hoher Frostwiderstand gewährleistet werden kann.
In der derzeit angespannten wirtschaftlichen Lage in der Baustoffindustrie können die beschriebenen Nischenprodukte das
Überleben von Betonwerken sichern, was zur Zeit nicht selbstverständlich ist. In der Wesser Kies & Sand GmbH wird zurzeit
diese Fertigungsstrecke auf- und ausgebaut. Sie scheint nach
ersten Erfahrungen im Gegensatz zur übrigen Branche enormes Wachstumspotenzial zu besitzen, was zur Sicherung
bestehender und möglicherweise sogar Schaffung neuer
Arbeitsplätze beitragen kann.
Bedauerlich ist allerdings, dass die Erstellung von Normen und
Regelwerken zu solchen neuen Produkten unvertretbar lange
Zeit und bürokratischen Aufwand erfordert und somit (vor
allem für mittelständige Unternehmen) zum Innovations- und
Wirtschaftlichkeitshemmnis werden kann.
Danksagung
Dem Thüringer Ministerium für Wissenschaft, Forschung
und Kunst sei für die großzügige Unterstützung des
Forschungsvorhabens gedankt. (Förderkennzeichen: B40998014)
BFT
5
| 2002
bility to acid attack without knowing the type of attack, the
degree of attack and the prevailing environmental conditions
are neither possible nor would they make sense.
A look at the market
In particular for self-compacting concrete, the composition
(control of the water-cement ratio) is subject to strict limitation, due to the required rheological parameters. Although
with the addition of fly ash very dense pore structures can be
achieved, their formation takes much longer than is the case
with pure Portland cement concretes. These changed requirements should be taken into account, in particular for determining the time of testing. In further research, this question
should be examined in greater depth. In particular it should be
clarified with what technological measures, formulation of mix
design, a high frost resistance can be ensured.
In the currently tense economic situation in the building materials industry, the niche products described in this paper could
ensure the survival of concrete plants. At Wesser Kies & Sand
GmbH, SCC this production line is currently expanded, given
its enormous growth potential. It can help secure existing jobs
and possibly even lead to the creation of new jobs. It is however
to be regretted that the creation of standards and codes of
practice on new products such as these takes such an inordinate amount of time and must clear so many bureaucratic hurdles. These delays can become a considerable obstacle to innovation and economy (in particular to medium-sized companies).
Acknowledgment
Appreciation is gratefully acknowledged to the Thuringia
Ministry for Science, Research and the Arts for its generous
support of the research project. (Promotion No. B409-98014)
57