Performance of air-entrained concrete with recycled concrete aggregates under severe exposure conditions

Abstract

Die zunehmende Erschöpfung der natürlichen Ressourcen und die mit der Rohstoffgewinnung verbundene Umweltbelastung treiben die Suche nach nachhaltigen Alternativen im Bausektor voran. Rezykliertes Betongranulat (RCA), das aus Betonabbruch gewonnen wird, stellt eine vielversprechende Alternative zu natürliche Zuschlagstoffe (NA) in der Betonherstellung dar. Bedenken hinsichtlich seines Einflusses auf die Betoneigenschaften, insbesondere unter extremen Umgebungsbedingungen, haben jedoch seine Verwendung auf nachrangige Anwendungen beschränkt. Diese Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit von B7-Beton (Expositionsklassen XC4, XW2, XD3, XF4, XA1L) unter Verwendung unterschiedlicher Anteile von vorgesättigtem RCA mit geringen Verunreinigungen. Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen des RCA-Gehalts auf die physikalischen Eigenschaften von Frischbeton sowie auf die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit von ausgehärtetem Beton zu bewerten. Durch den Einsatz eines zweistufigen Mischverfahrens (TSMA) wurden eine Abschwächung der negativen Auswirkungen von RCA auf die Verarbeitbarkeit und Festigkeit erreicht. Die experimentellen Untersuchungen umfassten Messungen der Verarbeitbarkeit, des Luftgehalts, der Dichte, der Druckfestigkeit und der Dauerhaftigkeitsmerkmale wie Chloridwiderstand, Frost-Tausalz-Beständigkeit, Wassereindringtiefe und Karbonatisierungsbeständigkeit. Zusätzlich wurde eine Luftporenanalyse durchgeführt, um die für die Frost-Tausalz-Beständigkeit relevanten mikrostrukturellen Poreneigenschaften zu charakterisieren. Die Zugabe von RCA verringerte die Verarbeitbarkeit von Frischbeton geringfügig, während die mechanischen Eigenschaften befriedigend waren. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit nahmen der Chloridgehalt und die Karbonatisierungstiefe mit dem RCA-Gehalt aufgrund der höheren Porosität der rezyklierten Zuschlagstoffe zu. Die kritischste Einschränkung wurde bei der Frost-Tausalz-Beständigkeit beobachtet, die mit einer unzureichenden Mikroporenstruktur im RCA zusammenhängt. Insgesamt kann ordnungsgemäß vorbehandeltes und qualitätsgeprüftes RCA zur Herstellung von Beton mit hohen mechanischen Anforderungen verwendet werden; seine Dauerhaftigkeit unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen bleibt jedoch die wesentliche Herausforderung.

The increasing depletion of natural resources and the environmental impacts associated with raw material extraction drive the search for sustainable alternatives in the construction sector. Recycled concrete aggregate (RCA), obtained from demolished concrete structures, presents a promising substitute for natural aggregates (NA) in concrete production. However, concerns regarding its influence on concrete performance, particularly under severe exposure conditions, have limited its use to non-structural applications. This thesis investigates the performance of B7 concrete (exposure classes XC4, XW2, XD3, XF4, XA1L) incorporating varying proportions of pre-saturated RCA of high purity. The study aims to evaluate the effects of RCA content on the physical properties of fresh concrete, as well as on the mechanical and the durability performance of hardened concrete. The two-stage mixing approach (TSMA) was employed to optimise the use of pre-saturated RCA and mitigate its adverse effects on workability and strength. Experimental testing included measurements of workability, air content, density, compressive strength, and durability indicators such as chloride penetration resistance, freeze–thaw resistance with de-icing salts, water penetration depth, and carbonation resistance. Additionally, an air void analysis was carried out to assess the microstructural characteristics relevant to the freeze–thaw performance. The inclusion of RCA slightly lowered fresh concrete workability, while the mechanical performance remained adequate for structural applications. In terms of durability, chloride ingress and carbonation depth increased with RCA content due to the higher porosity of recycled aggregates. The most critical limitation was observed in freeze–thaw resistance, linked to an insufficient micropore structure in the RCA. Overall, properly pre-treated and quality-controlled RCA can be used to produce concrete with adequate mechanical performance; however, its durability under severe environmental conditions remains the main restriction.