Optimierung der Frühfestigkeit von Ultra High Performance Concrete

Abstract

Der Begriff Ultra High Performance Concrete (UHPC) bezeichnet eine relativ neue Klasse von fortgeschrittenen zementgebundenen Materialien, deren mechanische Eigenschaften und Dauerhaftigkeit herkömmlichen Beton weit übertreffen. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit (>150 N/mm2) ist es möglich, sehr schlanke und dünnwandige Konstruktionen auszuführen. Das Anwendungsgebiet beschränkt sich dabei aber nicht nur auf das klassische Bauwesen, sondern erlaubt auch Bauteile für den Maschinenbau oder auf den Objekt- und Designbereich. Die dichte Mikrostruktur des Betons führt zu einer besonders hohen Widerstandfähigkeit gegen physikalische und chemische Angriffe und macht UHPC zu einem idealen Werkstoff für den Einsatz unter aggressiven Umwelteinflüssen. Um diese herausragenden Eigenschaften zu erreichen, ist eine sorgfältige Auswahl der Ausgangsstoffe notwendig. Die Mischungszusammensetzung unterscheidet sich wesentlich von jener eines Normalbetons. Auf Grund des hohen Anteils an Feinststoffen kommt auch dem Mischprozess eine große Bedeutung zu. Speziell mit dem Vakuummischprozess können sowohl die Frischbeton- als auch die Festbetoneigenschaften gezielt beeinflusst werden. Aus betontechnologischer Sicht ist der besonders niedrige Wasserzementwert (im Allgemeinen weit unter 0,3) für eine dichte und damit feste Betonmatrix von fundamentaler Bedeutung. Um UHPC eine gut verarbeitbare Konsistenz (meist fließfähig) zu verleihen, ist der Einsatz von Hochleistungsfließmitteln notwendig. Derzeit besitzen Fließmittel auf Basis von Polycarboxylat- Ethern (PCE) die beste verflüssigende Wirkung. Es ist jedoch bekannt, dass diese Fließmittel in hohen Dosierungen, wie sie für UHPC notwendig sind, die Erhärtung des Betons stark verzögern. Um dennoch eine nennenswerte Druckfestigkeit nach wenigen Stunden bis zu einem Tag zu erreichen, müssen die Komponenten für die Mischungszusammensetzung so gewählt werden, dass die verzögernde Wirkung des Fließmittels kompensiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden in umfangreichen Versuchsreihen wesentliche Parameter des UHPCs variiert und die Auswirkungen auf die Frühfestigkeitsentwicklung durch Biegezug- und Druckversuche charakterisiert.

The term UHPC refers to a relatively new class of advanced cementitious composite materials whose mechanical and durability properties surpass those of conventional concrete. Because of the high compressive strength (> 150 N/mm2), it is possible to run very slender and thin-walled constructions. The field of application is not only limited to the classical constructions, but also can be applied for the mechanical machines, objects, and in the design area. The dense microstructure of concrete leads to a particularly high resistance to physical and chemical attacks, and makes UHPC an ideal material to use in aggressive environments. In order to achieve these outstanding features, a careful selection of raw materials is necessary. The mixture composition is essentially different from that of a normal concrete. Due to the high proportion of fine-grained particles, the mixing process is also of great importance. Especially along with the vacuum mixing process, both the fresh concrete and the hardened concrete properties can be influenced. From the concrete technological point of view, the extremely low water-cement ratio (generally well below 0.3) plays a fundamental role in dense concrete matrix. In order to allocate a good workable consistency (mostly flowing) to UHPC, the use of highperformance superplasticizers is necessary. Currently, the superplasticizers based on polycarboxylate ethers (PCE), posses the best plasticizing effect. However, it is known that these superplasticizers in high doses, as they are necessary for UHPC, greatly retard the hardening of the concrete. However, to achieve a significant compressive strength after a few hours up to a day, the components must be chosen in such a way that the delaying effect of the superplasticizer is compensated. In this study, the essential parameters of UHPC were varied in an extensive series, and the effect on the early strength development were characterized by flexural and compressive tests.