Einfluss von Pflanzenkohle als Zusatzstoff in Beton mit Hochofenzement auf die Frost-Tausalz-Beständigkeit

Abstract

Der massive Einfluss des Bausektors auf die globalen anthropogenen Emissionen, allen voran der Beton- und Zementindustrie, ist unbestritten. Durch diesen großen Anteil gibt es hier effektive Steuerungsparameter, um mit kleinen Maßnahmen großen Einfluss auf diese Emissionen zu nehmen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit den Auswirkungen von additiver Biokohle als Zusatzstoff in Betonmischungen. Diese Beimengung erfolgt mit der Absicht, die Ökobilanz dieser Bauprodukte zu verbessern. Heutiger Beton muss einer Vielzahl an Anforderungen genügen, eine Beleuchtung der Veränderungen aller Eigenschaften des Betons durch Kohlebeimengungen würde den Rahmen der Arbeit sprengen. In erster Linie wird das Hauptaugenmerk der vorliegenden Diplomarbeit daher auf die Auswirkungen hinsichtlich der Frost-Tausalz-Beständigkeit gelegt. Die aufgrund des Ablaufprozesses während der Arbeit auftretende Subfragen, werden ebenfalls beleuchtet und ausgewertet. Darunter fallen beispielsweise Eigenschaften der Pflanzenkohle, wie die Dichte und das Verhalten während einer Wassersättigung. Darüber hinaus wird das Festigkeitsverhalten unterschiedlicher Betonzusammensetzungen sowohl mit, als auch ohne Biokohle untersucht. Wie der Aufbau von Beton aus unterschiedlichen Phasen auf der mikrostrukturellen Ebene, zu einem Gesamtwerkstoff auf der Makrostruktur setzt sich diese Diplomarbeit aus vielen Teilgebieten der Forschung und Laborversuchen zu einem Gesamtsystem zusammen, mit dem Ziel, letztendlich den Frost-Tausalz-Widerstand der untersuchten Betonmischungen abbilden zu können. Der rote Faden wird an den tatsächlichen Ablauf im Labor angelehnt. Dieser wird mit der vorliegenden Arbeit nochmals durchlaufen, beschrieben und dokumentiert. Den Start und damit die Basis zur Beantwortung der eigentlichen Forschungsfrage bilden die Grundlagen. Diese beschäftigen sich mit dem aktuellen Forschungsstand, sowie den Schädigungsmechanismen und Erklärungsmodellen bei Frost-Tausalz-Einwirkung, ergänzt durch eine Beschreibung der normativen Grundlagen und Richtlinien. Den Hauptteil bildet die praktische Umsetzung der Frost-Tausalz-Versuche, inklusive theoretischem Hintergrund und der Ergebnisdokumentation über den gesamten Verlauf. Dieser Prozess beginnt mit den ersten Überlegungen der Mischungszusammensetzung und verläuft über die Gewinnung der einzelnen Komponenten, bis hin zur Herstellung von Probekörpern und den abschließenden Frost-Tausalz-Versuchen im Klimaschrank. Hinsichtlich der Frost-Tausalz-Beständigkeit können folgende Grundsätze aus der vorliegenden Arbeit abgeleitet werden: Unterschiedliche Korngrößen haben einen Einfluss auf die Beständigkeit, dieser unterscheidet sich für verschiedene Betonsorten (Zementsorten). Die Betondruckfestigkeit wird durch die beigemengte Pflanzenkohle reduziert. Die Ergebnisse weisen einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Rohdichte sämtlicher Mischungen auf. Die Eigenschaften der additiven Pflanzenkohle im Bezug auf das Wasseraufnahmeverhalten sind ebenfalls unterschiedlich in Abhängigkeit der Partikelgröße. Dabei gilt der Grundsatz: Größere Partikel können in Relation zu ihrer Trockenmasse mehr Wasser aufnehmen, als kleinere. Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass sich die zuvor genannten Eigenschaften mit der Partikelgröße verändern und die Beimengung in vielen Experimenten den Ausgang entscheidend beeinflusst.

The significant impact of the construction sector on global anthropogenic emissions, particularly from the concrete and cement industries, is undisputed. Given this substantial contribution, there is scope for effective control measures to exert a major influence on these emissions through small-scale interventions. Therefore this thesis examines the effects of biochar as an additive in concrete mixes. This addition is made with the intention of improving the life cycle assessment of these construction products. Modern concrete must meet a wide range of requirements, a detailed examination of the changes to all properties of the concrete caused by the addition of biochar would go beyond the scope of this thesis. Consequently, the primary focus of this thesis is on the effects regarding frost and de-icing salt resistance. Sub-questions arising during the investigation are also examined and evaluated. These include, for example, properties of biochar such as density and behaviour during water saturation. Furthermore, the strength behaviour of different concrete compositions, with and without biochar, is investigated. Just as concrete is composed of different phases at the microstructural level to form a composite material at the macrostructural level, this thesis brings together many sub-areas of research and laboratory experiments to form a comprehensive system. The ultimate aim is to characterise the frost and de-icing salt resistance of the concrete mixtures. The central theme is based on the actual laboratory procedure, which is revisited, described and documented in this thesis. The fundamentals form the starting point and thus the basis for answering the actual research question. These deal with the current state of research, as well as the damage mechanisms and explanatory models relating to frost-de-icing salt exposure, supplemented by a description of the normative principles and guidelines. The main section comprises the practical implementation of the frost-de-icing salt tests, including the theoretical background and the documentation of results throughout the entire process. This process begins with the initial considerations regarding the mix composition, through to the extraction of the individual components, the production of test specimens and the final frost- de-icing salt tests in the climatic chamber. With regard to frost-de-icing salt resistance, the following principles can be derived from this study. Different grain sizes influence resistance, and this varies for different types of concrete (types of cement). The compressive strength of the concrete is reduced by the addition of biochar. The results show an approximately linear relationship between compressive strength and bulk density for all mixtures. The properties of the added biochar in terms of water absorption behaviour also vary depending on particle size. The principle applies that larger particles can absorb more water in relation to their dry mass than smaller ones. In summary, it can therefore be stated that the properties of the biochar change with particle size and that its addition has a decisive influence on the outcome in many experiments.