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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Porenbetons gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen verfahrensgemäß hergestellten Porenbeton gemäß Anspruch 4.
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Mineralische Schäume als sehr häufig z. B. im Hausbau verwendete Baustoffe verbinden viele Eigenschaften herkömmlichen Betons mit verbesserten Wärmedämmeigenschaften, leichtem Gewicht und eine gute Verarbeitbarkeit der vorgefertigten Bauteile auf der Baustelle, die z. B. einfach durch Sägen an die jeweils benötigten Endformen angepasst werden können. Nachteilig ist allerdings, dass die Herstellung der typischen Porenbetone nur in entsprechenden Fabriken erfolgen kann, da nach der Formgebung eine Härtung der Bauteile bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Autoklaven erfolgen muss. Weiterhin nachteilig sind die in Vergleich zu Normalbeton geringeren Festigkeitseigenschaften, die dem Einsatz derartiger Porenbetone konstruktive Grenzen setzen.
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Bei der Herstellung von mineralisch gebundenen Schäumen kommt es hauptsächlich darauf an, üblicherweise zementgebundene Schäume zu erzeugen, welche die gewünschten physikalisch mechanischen Eigenschaften besitzen. Hierzu gibt es verschiedene Wege, die aufgrund der unterschiedlichen Prozessführung unterschiedliche Eigenschaften der so hergestellten Porenbetone ergeben.
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Leichtbetone mit poriger Matrix lassen sich grundsätzlich in zwei verschiedene Klassen einteilen, die jeweils die Herstellungsverfahren widerspiegeln, nämlich die
- – Herstellung durch chemisches Auftreiben und die
- – Herstellung durch physikalisches Aufschäumen.
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Beim durch chemisches Aufschäumen hergestellten Porenbeton entstehen die Poren durch chemische Reaktion eines gaserzeugenden Treibmittels mit dem Bindemittel und Wasser.
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Früher wurde durch den Einsatz von Calciumcarbid mit nachfolgender Acetylengasentwicklung oder durch Wasserstoffperoxid und Chlorkalk mit Sauerstoffentwicklung eine Porenentwicklung erreicht. Als Treibmittel wird heutzutage fast ausschließlich Aluminium verwendet, das durch die Bildung von Wasserstoff eine treibende Wirkung erreicht. Bei den verwendeten Mischungen reagieren feinkörniges Aluminium (Al), Calciumhydroxid (Ca(OH)2) aus dem Bindemittel und Wasser miteinander. Bei der Redoxreaktion entsteht Wasserstoff, der die Mischung auftreibt und für die Porenbildung sorgt.
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Die Reaktion zur Wasserstoffbildung läuft wie folgt: 2Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O → 3CaO·Al2O3.6H2O + 3H2 + Q oder 2Al + Ca(OH)2 + 6H2O → CaO[Al(OH)4]2 + 3H2 + Q
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Der Wasserstoff diffundiert schon während des Herstellungsprozesses aus dem Beton und es befindet sich im Anschluss nur Luft in den Poren.
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Die Aluminiumzusätze werden in pulvriger Form oder als pastenförmige Dispersion verwendet. Die Feinheit der Aluminiumpigmente lässt sich durch die Deckfläche gemäß DIN 55923 beschreiben. Es werden Deckflächen in der Größenordnung von 12000 bis 20000 [cm2/g] angesetzt.
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Der Gasbildungsprozess kann durch die Korngrößenverteilung der Aluminiumpulvers gesteuert werden. Das Volumen jedes Kornes beeinflusst die sich bildende Menge an Wasserstoff. Weiterhin ist die Reaktionszeit von der Kornform abhängig, da verschiedene Formen auch unterschiedliche spezifische Oberflächen und somit Reaktionsflächen besitzen.
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Das Herstellungsverfahren hat sich für die Erzeugung von Porenbetonfertigteilen durchgesetzt. Um höhere Festigkeiten zu erzielen und um die Schwindneigung zu verringern werden die Porenbetonfertigteile in der Regel in Wasserdampf unter Druck gehärtet (z. B. 190°C, 12 bar). Die Anwendung ist wegen der Dampfdruckhärtung auf stationär industriell gefertigte Bauteile beschränkt. Die Verwendung dieser Bauteile ist in verschiedenen Vorschriften genormt (DIN 4164, DIN EN 992, DIN EN 1351, DIN EN 1352, DIN EN 1354).
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Es sind bei Porenbeton bewehrte und unbewehrte Bauteile möglich. Die Bewehrung erfordert einen separaten Korrosionsschutz wegen der hohen Diffusionsoffenheit des porösen Baustoffes.
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Als Eigenschaften und Vorteile der Porenbetonbausysteme sind folgende zu nennen:
- – Geringes Gewicht: Die Bauteile sind leicht zu verarbeiten und leicht zu handhaben, ferner haben sie gute Wärmedämmeigenschaften.
- – Gute Bearbeitbarkeit: Es kann ohne großen mechanischen Aufwand ein passgenauer Zuschnitt der Bauteile erfolgen. Diese sind einfach zu sägen und für Befestigungen von Installationen kann in Porenbeton genagelt und gedübelt werden.
- – Passgenauigkeit: Der Einsatz von Dünnbettmörtel für die Lagerfugen und Nut- und Feder-Systeme für die Stoßfugen reduziert Wärmebrücken im Vergleich zu klassischen Mauermörtelfugen.
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Porenbeton eignet sich z. B. für folgende Einsatzgebiete:
- – großformatiges Mauerwerk
- – Wand- und Deckentafeln
- – bewehrte Bauteile für Skelettbauten
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Beim Porenleichtbeton/Schaumbeton erfolgt die Herstellung durch physikalisches Aufschäumen und die Poren entstehen mechanisch entweder durch Unterrühren eines getrennt vorgefertigten wässrigen Luftschaums in einen Mörtel oder durch Einrühren von Luft im Mischer nach Zugabe eines grenzflächenaktiven Schaums oder Luftporenbildners. Hierfür werden üblicherweise Tenside verwendet, bei denen deren ambiphile Eigenschaften ausgenutzt werden. Ein wichtiges Kriterium ist dabei die Stabilität des erzeugten Schaums. Ein weiteres Verfahren ist die Begasung von Zementleim bzw. Mörtel. Der Porenleichtbeton wird wegen der getrennten Schaumerzeugung auch Schaumbeton genannt.
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Die Erzeugung eines Schaums aus einem Schaumbildner und Wasser ist mit einem Schaumgerät praktikabel und kann auch auf der Baustelle direkt erfolgen. Es lassen sich stabile Schäume erzeugen, die gut mit dem Frischbeton vermischt werden können. Der Porenleichtbeton wird in fließfähiger, pumpbarer Konsistenz gefertigt, da zähere Konsistenzen zu einer Verringerung des Schaumanteils führen würden und somit die Porenstruktur zerstört wäre. Aufgrund dieser Konsistenz ist der Porenleichtbeton weitgehend selbst nivellierend und erreicht ohne Verdichtung auch sonst schwer zugängliche Hohlräume. Der Porenleichtbeton ist im Vergleich zu körnigem Verfüllmaterial setzungsfrei.
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Für den Porenleichtbeton gibt es derzeit beispielsweise folgende Einsatzgebiete:
- – Sanierung von zweischaligem Mauerwerk historischer Bauwerke
- – Porenleichtbeton wird zum Verfüllen von Hohlräumen aller Art verwendet. Es sind Anwendungen aus der Grabenverfüllung im Rohrleitungsbau, Hohlraumverfüllung stillgelegter Kanalisationen oder Tanks oder auch Stabilisierungen z. B. von Straßen nach Unterspülungen durch starke Niederschläge zu nennen.
- – Der Porenleichtbeton kann für Unterbauten im Straßenbau verwendet werden, und trägt mit geringerem Gewicht dazu bei, dass weniger Setzungen insbesondere bei weichen Untergründen auftreten.
- – Bei Erdarbeiten wird er für Stabilisierungsmaßnahmen oder Lastverteilungen eingesetzt. Dabei werden die hohe Fließfähigkeit und die ausreichende Festigkeit ausgenutzt, so dass hier – im Gegensatz zur klassischen Verfüllung – erschütterungsfrei ohne zusätzliche Verdichtung gearbeitet werden kann.
- – Herstellung von Wärmedämmungen im Dachbereich zum Beispiel bei Flachdächern mit Neigungen und vorgegebener Druckfestigkeit, die damit bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion begehbar und befahrbar sind.
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Die Erhärtung erfolgt in der Regel unter atmosphärischem Druck bei Umgebungstemperatur durch Hydratation des Bindemittels Zementes.
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Die Vielseitigkeit des Porenleichtbetons zeigt sich durch eine Bandbreite einstellbarer Dichten und ist begrenzt durch technologische Grenzen, die sich unter anderem in der Betonfestigkeit oder der -dichtigkeit auswirken.
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Die Eigenschaften von zementgebundenen mineralischen Schäumen werden dabei vornehmlich von ihrer Zusammensetzung und ihrer Verarbeitung bestimmt.
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Der heutige fabrikmäßig hergestellte Porenbeton wird für gewöhnlich aus einer Mischung von Kalk, Zement mit Quarzsand und Wasser unter Verwendung eines Porenbildners bzw. Schaumbildners produziert. Er weist aufgrund seiner zahlreichen Poren eine relativ geringe Rohdichte im Vergleich zu normalen Betonen auf. Auch die anderen bauphysikalischen Eigenschaften weichen erheblich von denen des Normalbetons ab. Nachfolgend ein Vergleich zwischen Porenbeton und normalem Beton, wobei auf eine Aufstellung der Eigenschaften von Schaumbeton an dieser Stelle verzichtet wird, da Festigkeiten, Elastizitätsmodul, etc. einen Einsatz als Konstruktionsbaustoff ausschließen.
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Die Rohdichte des Porenbetons liegt zwischen 0,30 bis 1,00 kg/dm3 (Normalbeton: ca. 2,4 kg/dm3).
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Der Elastizitätsmodul für Porenbeton liegt in Abhängigkeit von der jeweiligen Rohdichte zwischen 12.000 bis 25.000 N/mm2 (Normalbeton: > 30.000 N/mm2).
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Die Druckfestigkeit von Porenbeton beträgt ca. 2,5 bis 10,0 N/mm2 (Normalbeton: i. d. R. > 20 N/mm2).
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Die zentrische Zugfestigkeit von Porenbeton sowie von Normalbeton ist nur ca. 10% der Druckfestigkeit.
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Die Wärmeleitfähigkeit des Porenbetons ist vergleichsweise sehr niedrig. Sie liegt in Abhängigkeit von der Rohdichte bei ca. 0,11 bis 0,29 W/(m K) (Normalbeton: 2,10 W/(m K)).
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Die thermische Ausdehnung des Porenbetons beträgt in einem Temperaturintervall von 20 Grad bis 100 Grad Celsius etwa 0,008 mm/(m K) (αtb ist in etwa gleich wie bei Normalbeton, da gleiches Material.) (Normalbeton: αtb = 10–5 K).
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Der Rechenwert des Schwindmaßes ist nach DIN 1053 Teil 1 mit 0,2 mm/m festgelegt (Normalbeton: 2,28 bis 0,60 mm/m).
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Die Porenbetone und Porenleichtbetone zeichnen sich aufgrund ihrer porigen Struktur als gute Wärmedämmstoffe aus. Aufgrund ihrer mineralischen Zusammensetzung sind sie nicht brennbar.
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Die heute eingesetzten lufthärtenden Schaumbetone können zwar direkt auf der Baustelle angemischt werden, sind aber in ihren Eigenschaften stark begrenzt und auf Grund ihrer geringen Festigkeiten nicht als Konstruktionsbaustoff einsetzbar. Die autoklavgehärteten Porenbetone garantieren zwar höhere Festigkeiten, können allerdings nur stationär in bestimmten Porenbetonwerken in Autoklaven hergestellt werden. Die Fertigung in herkömmlichen Betonfertigteilwerken oder sogar auf der Baustelle ist ausgeschlossen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Porenbeton derart weiter zu entwickeln, dass er neben den vorteilhaften Eigenschaften bekannter Porenbetone wie Wärmedämmung, Rohdichte etc. insbesondere verbesserte Belastbarkeitswerte aufweist und daher auch konstruktiv in Bereichen eingesetzt werden kann, die bei Porenbetonen für die Herstellung auf der Baustelle nicht möglich waren.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Porenbetons und aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 4 bezüglich eines verfahrensgemäß hergestellten Porenbetons in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Porenbetons, der unter atmosphärischem Druck bei normaler Umgebungstemperatur luftgehärtet ist und in Abhängigkeit von der Frischmörtelkonsistenz und der Verteilung unterschiedlich großer Luftporen in der Matrix des Porenbetons eine Druckfestigkeit von bis zu 30 N/mm2 aufweist, aus einem bindemittelhaltigen Gemisch, umfassend
- – Bindemittel,
- – 20–60 Massen-% Wasser, bezogen auf die Masse des Bindemittels in der Mischung,
- – 0,05–0,25 Massen-% chemisches Treibmittel in Form eines Luftporenbildners bezogen auf die Masse des Bindemittels, wobei der Luftporenbildner ein Pulver einer Mischung unterschiedlicher Partikelgrößen ist,
- – 0,5–25 Massen-% Betonzusatzstoffe in Form von Microsilica und/oder aufgemahlenem Hüttensand und/oder Flugasche bezogen auf die Masse des Bindemittels,
- – 0,5–5 Massen-% Betonzusatzmittel mit überwiegend verflüssigender Wirkung bezogen auf die Masse des Bindemittels.
indem
- a) Bindemittel, Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel miteinander vermischt werden,
- b) chemisches Treibmittel in Form eines Pulvers unterschiedlicher Partikelgrößen in vollständig dispergiertem Zustand der Treibmittelpartikel in Wasser dem Gemisch beigegeben wird,
- c) die so erhaltene Mischung durch Wasserzugabe zu Beginn der Reaktionen des Abbindens auf eine Frischmörtelkonsistenz mindestens der Konsistenzklasse F4 nach DIN 1045-2 eingestellt wird,
- d) die Mischung durch das Treibmittel unter Bildung von Luftporen unterschiedlicher Größe und homogener Verteilung chemisch aufgetrieben
- e) und unter atmosphärischem Druck bei normaler Umgebungstemperatur durch Hydratation des Bindemittels ausgehärtet wird.
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Ein derartig hergestellter Porenbeton stellt einen neuartigen Konstruktionsbaustoff dar, der hohe Festigkeiten bei gleichzeitig geringem spezifischen Eigengewicht garantiert. Dieser Baustoff verfügt darüber hinaus über sehr gute Wärmedämmeigenschaften, ist dauerhaft feuchtebeständig und nicht entflammbar und brennbar. Er verbindet das chemische Auftreiben eines mineralisch gebundenen Bindemittelleims mit der anschließenden Erhärtung unter atmosphärischem Druck bei normaler Temperatur durch Hydratation des Zementes als Bindemittel. Diese Resultate werden im wesentlichen durch zwei Maßnahmen erreicht.
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Durch eine gezielte Luftporenverteilung wird die Festigkeit des Porenbetons optimiert. Diese Optimierung wird über die Zugabemenge und Partikelgröße des Treibmittels, insbesondere Aluminiumpulver sowie über die Frischmörtelkonsistenz eingestellt. Liegt insbesondere das Treibmittel vollständig dispergiert im Anmachwasser vor, so ist auch jedes Treibmittelpartikel für die Ausbildung einer Luftpore verantwortlich. Werden dabei Treibmittelpartikel unterschiedlicher Partikelgrößen verwendet und inniglich miteinander und mit den anderen Bestandteilen des Porenbetons vermischt, so bildet sich eine sehr gleichmäßige und dichte Verteilung der Luftporen in der Matrix des Porenbetons aus, die bei gleichbleibender Rohdichte des Porenbetons eine wesentliche Verbesserung der Festigkeitswerte des Porenbetons ermöglicht. Der Durchmesser einer Pore wird neben der Masse des reagierenden Treibmittelpartikels zusätzlich noch durch die Frischmörtelkonsistenz beeinflusst. Eine niedrige Viskosität des Frischmörtels führt zu geringeren Porendurchmessern, eine hohe Viskosität demnach zu größeren. Wird die Viskosität zu hoch, besteht die Gefahr des Entmischens. Die Luftporen steigen dann an die Oberfläche. Damit bieten sich über die Partikelgröße der Treibmittelpartikel sowie deren Anzahl und Verteilung im frischen Porenbeton viele Möglichkeiten, die Porenverteilung und Porengröße gezielt zu beeinflussen.
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Darüber hinaus werden zusätzlich zu dieser Optimierung der Porenverteilung des Porenbetons durch die gezielte Optimierung der Zementsteinmatrix die Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul der bereits heute herstellbaren Porenbetone weit überschritten. Erreicht werden kann die Optimierung der Matrix des Zementsteins durch die Verarbeitung der angegebenen oder auch zusätzlicher Betonzusatzmittel und Betonzusatzstoffe, die je nach Einsatzfall die Eigenschaften der Zementsteinmatrix variierbar machen. Das Gefüge dieser Zementsteinmatrix wird über ein verringertes Wasser/Zement-Verhältnis und mittels Einsatz von Betonzusatzmitteln (z. B. Betonverflüssiger) und Betonzusatzstoffen (z. B. Mikrosilica) verbessert. Hierfür gelten die gleichen Ansätze wie diese für die Herstellung von Hochfesten und Ultrahochfesten Betonen (HPC bzw. UHPC) bereits erforscht sind oder zur Zeit erforscht werden.
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Somit lassen sich Baustoffe herstellen, die eine Druckfestigkeit von bis zu 30,0 N/mm2 besitzen und dabei eine Rohdichte von 1,0 g/cm3 nicht überschreiten. Die Vorteile der Erfindung liegen zum Einen in der Ortsungebundenheit der Herstellung des Baustoffes (Betonfertigteilwerk, Baustelle) und zum Anderen in der Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften des erhärteten Endproduktes (höhere Festigkeiten bei gleichem spezifischem Gewicht im Vergleich zu heute üblichen Porenbetonen). Die Trockenrohdichten entsprechen denen von autoklavgehärteten Porenbeton. Die Festigkeiten des neuen Porenbetons sind wegen der gezielt optimierten Zementsteinmatrix deutlich höher als die des autoklavgehärteten Porenbetons. Mit diesen Porenbetonen können auch in herkömmlichen Betonfertigteilwerken und auf der Baustelle lufthärtende mineralisch gebundene Schäume hergestellt werden, die die Eigenschaften, die heute an hochwertige moderne Konstruktionsbaustoffe gestellt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Porenbeton eine Frischmörtelkonsistenz zu Beginn der Reaktionen beim Abbinden mindestens der Konsistenzklasse F4 (sehr weich) nach DIN 1045-2 aufweist. Hierdurch ist einerseits die Expansion der Poren nicht zu sehr aufgrund der Steifigkeit des Bindemittelleims eingeschränkt, andererseits können die sich bildenden Poren nicht an die Oberfläche des Porenbetons aufsteigen und so in unvorteilhafter Weise aus dem Porenbeton austreten. Die Frischmörtelkonsistenz kann beispielsweise anhand genormter Verfahren und Anordnungen erfasst werden, beispielsweise mittels der Bestimmung des Ausbreitmaßes nach DIN EN 12350-5 bzw. DIN 1045-2.
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Hinsichtlich der Ausbildung der Zementsteinmatrix ist es denkbar, dass der Porenbeton eine Matrix aus Beton hoher oder sehr hoher Festigkeit und geringer Permeabilität, vorzugsweise aus sog. Ultrahochleistungsbeton UHPC oder Hochleistungsbeton HPC aufweist. Derartige Ultrahochleistungsbetone oder Hochleistungsbetone werden für Einsatzzwecke herkömmlichen Betons, nicht jedoch von Leichtbetonen entwickelt. Die dort vorhandenen Lösungsansätze zur Erhöhung der Festigkeiten der Zementsteinmatrix wie insbesondere die Verwendung von Betonzusatzstoffen wie insbesondere Microsilica oder die Verringerung des Wasseranteils auf einen Anteil von kleiner als 40 Massen-% können in Zusammenwirkung mit der beschriebenen Porenbildung weitere Verbesserungen der Festigkeitswerte des Porenbetons bewirken, die mit anderen Zusammensetzung bekannter Leichtbetone nicht erreichbar sind.
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Eine weitere Optimierung der Festigkeit des Porenbetons kann dadurch erreicht werden, dass der Porenbeton Fasern zur Erhöhung der Zugfestigkeit aufweist. Diese Fasern werden dem Bindemittelleim zugemischt und lagern sich dann in die Zementsteinmatrix des Porenbetons ein und verstärken dadurch diese Zementsteinmatrix weiter. Hierbei kann über unterschiedliche Fasern sowie Faserlängen und Faserdicken eine weitgehende Steuerung dieser Verstärkungswirkung durch die Fasern erreicht werden.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Rohdichte des Porenbetons bis zu 1000 kg/m3 beträgt. Durch eine derartige Rohdichte liegt der Porenbeton weiterhin trotz der verbesserten Festigkeitseigenschaften in Gewichtsbereichen, die herkömmlichen Leichtbetonen und insbesondere den autoklavgehärteten Porenbetonen entspricht und kann daher auch bei dort üblichen Einsatzzwecken derartige Porenbetone unproblematisch ersetzen.
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Von Wichtigkeit ist es weiterhin, dass das chemische Treibmittel in Form von z. B. Aluminiumpulver in vollständig dispergiertem Zustand der Aluminiumpartikel in dem Wasser dem Gemisch des Porenbetons beigegeben wird. Hierdurch wird erreicht, dass jedes Partikel des Treibmittelpulvers auch eine seiner Größe entsprechende Luftpore bildet und damit die Ausbeute an Poren in dem Porenbeton optimiert wird. Insbesondere, wenn die Partikel unterschiedlicher Partikelgröße des chemischen Treibmittels in Form von Aluminiumpulver trocken vor der Dispergierung in Wasser miteinander vermischt werden, lässt sich eine sehr homogene Verteilung der Partikel des Treibmittels in dem Bindemittelleim sowie eine dichte Packung der Poren in der späteren Matrix des ausgehärteten Porenbetons mit den schon beschriebenen Vorteilen für die Festigkeit erreichen.
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Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung von Bedeutung, dass die Poren des Porenbetons im wesentlichen als Luftporen unterschiedlicher Porengröße ausgebildet sind. Derartige Luftporen weisen gegenüber den sich ebenfalls bildenden Gelporen und den Kapillarporen im Hinblick auf die Festigkeitsoptimierung wesentliche Vorteile auf, da sie wesentlich größer als die Gelporen und die Kapillarporen sind und ihre Bildung besser beeinflusst werden kann. Insbesondere kann die jeweilige Porengröße der Poren des Porenbetons abhängig von der Partikelgröße der Treibmittelpartikel und der Frischmörtelkonsistenz des Porenbetons zu Beginn der Reaktionen des Abbindens gut beeinflusst und damit die Festigkeitswerte sowie die Rohdichte des Porenbetons gezielt gesteuert werden. Gelporen hingegen sind betontechnologisch kaum beeinflussbar und Bestandteil des erhärteten Zementsteins. Kapillarporen wiederum lassen sich durch das Wasser/Zement-Verhältnis beeinflussen. Je weniger Wasser bei dem Anmischen des Bindemittelleims verwendet wird, umso geringer ist auch der Anteil an Kapillarporen. Kapillarporen entstehen, wenn im Zementleim Überschusswasser vorhanden ist, welches während der Erhärtungsreaktion (Hydratation) nicht chemisch mit den Reaktionspartnern zu Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH-Phasen) umgesetzt wird.
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Porenbetons aus bindemittelhaltigen Gemischen mit einem chemischen Treibmittel zur Einlagerung einer Vielzahl von Poren in der Betonmatrix sowie Betonzusatzstoffen und Betonzusatzmitteln, insbesondere eines Porenbetons gemäß Anspruch 1. Hierbei werden Bindemittel, Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel miteinander vermischt, das chemische Treibmittel in Form eines Pulvers als Mischung unterschiedlicher Partikelgrößen, vorzugsweise in Form von Aluminiumpulver, dem Gemisch in vollständig dispergiertem Zustand der Partikel in Wasser beigegeben und das Gemisch zu Beginn der Reaktionen des Abbindens durch Wasserzugabe auf eine Frischbetonkonsistenz mindestens der Konsistenzklasse F4 (sehr weich) nach DIN 1045-2 eingestellt, wonach der derart hergestellte Bindemittelleim von dem Treibmittel unter Bildung von Luftporen unterschiedlicher Größe und im wesentlichen homogener Verteilung chemisch aufgetrieben wird und unter atmosphärischem Druck bei normaler Umgebungstemperatur durch Hydratation des Bindemittels aushärtet. Hierdurch wird erreicht, dass sich einerseits die Poren in gewünschter Größe und möglichst homogener Größenverteilung innerhalb des Bindemittelleims entstehen können und andererseits in diesem Zustand dann durch die Hydratation des Bindemittels in dem erreichten Zustand quasi eingefroren werden und die vorteilhafte Matrixstruktur des Porenbetons bilden. Durch die Veränderung der Mischung und der Partikelgrößen des pulverigen Treibmittels, wobei hier vorteilhaft Aluminium oder dergleichen Gasbildner zum Einsatz kommen können, sowie die gezielte Beeinflussung der Konsistenz des Bindemittelleims zumindest zu Beginn der Expansion der Poren können die späteren Festigkeitseigenschaften des Porenbetons in weiten Grenzen gesteuert werden.
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In weiterer Ausgestaltung kann die Festigkeit der Matrix des Porenbetons durch Verringerung des Wasseranteils auf einen Anteil von kleiner als 40 Massen-% und/oder durch eine Zugabe von Microsilika und/oder Flugasche mit einem Anteil von 0,5–25 Massen-% bezogen auf die Masse des Bindemittels erhöht werden. Damit steht mit der Beeinflussung der angegebenen Zusammensetzungskomponenten eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit für die Eigenschaften des Porenbetons zur Verfügung.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung wird weiterhin ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Frischbetoneigenschaften eines Porenbetons aus bindemittelhaltigen Gemischen mit einem chemischen Treibmittel zur Einlagerung einer Vielzahl von Poren in der Betonmatrix beschrieben, bei dem eine Menge des angemischten Bindemittelleims nach dem Anmischen in einen vorzugsweise durchsichtigen Prüfbehälter eingefüllt und das Anfangsvolumen des Porenbetons bestimmt wird, danach in vorgebbaren Zeitintervallen das jeweilige Volumen des von dem Treibmittel unter Bildung von Poren expandierten Porenbetons solange bestimmt wird, bis die Porenbildung bzw. die Expansion des Porenbetons beendet ist, wobei das Anfangsvolumen und das Endvolumen des Porenbetons nach Abschluss der Expansion in eine prozentuale Angabe für das Auftriebsverhalten des Porenbetons umgerechnet wird. Die Konsistenz des Frischmörtels ist mit gängigen Verfahren nur sehr schwer messbar, da sich die Viskosität durch den raschen Ablauf der Reaktion (20–30 min.) stetig ändert. Um eine Aussage über die Beschaffenheit des Frischmörtels zu erhalten, die einen Schluss auf die Feststoffeigenschaften zulässt, wurde ein neuartiges Prüfverfahren für die Bestimmung einer Frischbetoneigenschaft entwickelt. Es handelt sich hierbei um das Maß der Volumenzunahme während des Prozesses des Auftreibens bzw. Expandierens der Poren. Mit diesem Prüfverfahren kann auf einfache und gut reproduzierbare Weise unmittelbar nach dem Anmischen des Porenbetons eine erste qualitative und quantitative Aussage über die zu erwartenden Eigenschaften des Porenbetons anhand des Auftriebsverhaltens getroffen werden, wodurch eine schnelle und auch stichprobenhafte Kontrolle des Porenbetons vor Ort bei der Herstellung im Betonsteinwerk oder auch auf der Baustelle möglich wird, wobei vorteilhaft das Volumen des von dem Treibmittel unter Bildung von Poren expandierten Porenbetons in gleichmäßigen Zeitabständen gemessen wird. Die erfasste Volumenzunahme liefert wichtige Erkenntnisse zur Beurteilung der Porosität. Da die Mischungszusammensetzung bekannt ist, sind auch das angestrebte Porenvolumen und die Porenverteilung bekannt und können mit den aus vorherigen Versuchen gewonnenen Werten verglichen werden.
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Insbesondere, wenn als Prüfbehälter ein durchsichtiger PMMA-Behälter bekannten, vorzugsweise runden Querschnittes genutzt wird, kann neben der einfachen Erfassung des sich verändernden Volumens des Porenbetons unmittelbar durch den Augenschein eine Kontrolle der bei der Expansion der Poren ablaufenden Prozesse erfolgen. So kann beispielsweise eine unvollständige Dispergierung und Entmischungen durch den transparenten PMMA-Behälter beobachtet werden. Hierzu wird in weiterer Ausgestaltung der Porenbeton unmittelbar nach dem Anmischen in den Prüfbehälter eingefüllt, so dass die gesamte Expansion des Porenbeton in dem Prüfbehälter selbst abläuft.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Porenbetons zeigt die Zeichnung.
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Es zeigen:
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1a, 1b – Schnittansichten von zwei exemplarischen Proben eines erfindungsgemäßen Porenbetons,
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2 – eine schematische Darstellung einer Messanordnung für die Bestimmung der Frischbetoneigenschaften mittels des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens über einen Auftreibversuch.
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Die Erfindung soll hinsichtlich konkreter Ausgestaltungen des Porenbetons anhand einiger Beispiele typischer Zusammensetzungen des Porenbetons und damit erreichter Festigkeitswerte erläutert werden.
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Prozentuale Mengenangaben beziehen sich immer auf die Bindemittelmenge, hier die Zementmenge. Das heißt zum Beispiel: Aluminiummenge: 0,08% bedeutet 0,8 g Al je 1000 g Zement. Beispiel 1: Zement, Wasser, Aluminium
Ausgangsstoffe | Ermittelte Eigenschaften |
Zementart: CEM I 42,5 R
Wasser/Zement-Verhältnis: 0,60
Aluminiummenge: 0,1%
Mittl. Korngröße Aluminium: 20–30 μm | Rohdichte: 0,77 g/cm3
Druckfestigkeit: 9 N/mm2 |
Beispiel 2: Zement, Wasser, Aluminium, Silicastaub
Ausgangsstoffe | Ermittelte Eigenschaften |
Zementart: CEM I 42,5 R
Wasser/Zement-Verhältnis: 0,60
Aluminiummenge: 0,08%
Mittl. Korngröße Aluminium: 60–70 μm
Silicastaubmenge: 7% | Rohdichte: 0,95 g/cm3
Druckfestigkeit: 12 N/mm2 |
Beispiel 3: Zement, Wasser, Aluminium, Verflüssiger
Ausgangsstoffe | Ermittelte Eigenschaften |
Zementart: CEM I 42,5 R
Wasser/Zement-Verhältnis: 0,28
Verflüssigermenge: 0,4%
Aluminiummenge: 0,08%
Mittl. Korngröße Aluminium: 60–70 μm | Rohdichte: 1,17 g/cm3
Druckfestigkeit: 19 N/mm2 |
Beispiel 4: Zement, Wasser, Aluminium, Verflüssiger, Silicastaub
Ausgangsstoffe | Ermittelte Eigenschaften |
Zementart: CEM I 42,5 R
Wasser/Zement-Verhältnis: 0,40
Verflüssiger: 1,5%
Aluminiummenge: 0,1%
Mittl. Korngröße Aluminium: 42–50 μm
Silicastaubmenge: 10% | Rohdichte: 1,1 g/cm3
Druckfestigkeit: 17 N/mm2 |
Beispiel 5: Zement, Wasser, Aluminium, Verflüssiger, Silicastaub
Ausgangsstoffe | Ermittelte Eigenschaften |
Zementart: CEM I 42,5 R
Wasser/Zement-Verhältnis: 0,35
Verflüssiger: 1,5%
Aluminiummenge: 0,1%
Mittl. Korngröße Aluminium: 75–85 μm
Silicastaubmenge: 10% | Rohdichte: ca. 1,2 g/cm3
Druckfestigkeit: 23 N/mm2 |
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Wie man anhand der verschiedenen Zusammensetzungen und der jeweils an entsprechenden Proben ermittelten Eigenschaften erkennen kann, lassen sich die Festigkeitswerte und insbesondere die Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Porenbetons in weiten Grenzen variieren und erreichen Werte, die mit herkömmlichen matrixporige Feinkornleichtbetonen nicht erreicht werden konnten.
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Zwei Beispiele für die Matrixausbildung eines erfindungsgemäßen Porenbetons lassen sich in der
1a und
1b erkennen. Hierbei hat der jeweilige Porenbeton folgende Bestanteile:
Figur 1a: | Zementart: | CEM I 42,5 R |
| Wasser/Zement-Verhältnis: | 0,45 |
| Verflüssiger: | 1,0% |
| Aluminiummenge: | 0,1% |
| Mittl. Korngröße Aluminium: | 75–85 μm |
| Silicastaubmenge: | 5% |
Figur 1b: | Zementart: | CEM I 42,5 R |
| Wasser/Zement-Verhältnis: | 0,35 |
| Verflüssiger: | 1,0% |
| Aluminiummenge: | 0,1% |
| Mittl. Korngröße Aluminium: | 75–85 μm |
| Silicastaubmenge: | 5% |
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Wie sich unschwer erkennen lässt, weist der in der 1a dargestellte Matrix wesentlich größere Poren als die in der 1b dargestellte Matrix auf und damit auch die geringere Rohdichte. Die Verteilung der Poren sowie deren Größenverteilung ist im wesentlichen homogen über den Querschnitt verteilt.
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In der 2 ist in sehr schematischer Weise ein Messaufbau für die Bestimmung der Frischbetoneigenschaften mittels des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens über einen Auftreibversuch dargestellt. Direkt nachdem der Frischbeton gemischt wird, wird dieser mittels eines an einem Kunststoffrohr 3 befestigten Trichters in ein PMMA-Rohr 1 (z. B. ∅ 50 mm) gefüllt, das in einem Stativ 2 gehalten ist. Unmittelbar nach dem Einfüllen in das Rohr 1 wird die Ausgangshöhe der Mischung abgelesen. In den nachstehend genannten Zeitabständen wird nun der Höhenstand der Zementsäule abgelesen und festgehalten. Die Volumenzunahme liefert wichtige Erkenntnisse zur Beurteilung der Porosität. Da die Mischungszusammensetzung bekannt ist, sind auch das angestrebte Porenvolumen und die Porenverteilung bekannt und können mit den aus einem genormten Versuch gewonnenen Werten verglichen werden. Eine unvollständige Dispergierung und Entmischungen können durch das transparente PMMA-Rohr 1 beobachtet werden.
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Nach dem Anmischen des frischen Porenbetons ist aufgrund der Reaktion des Treibmittelpulvers eine Volumenzunahme festzustellen. Diese wird im Rahmen dieser Messung verfolgt und in schon im Voraus definierten Intervallen festgehalten. Außerdem werden etwaige Besonderheiten über den gesamten Messungsverlauf wiedergegeben.
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Die zeitlichen Messintervalle werden beispielsweise wie folgt definiert:
Minute | Intervall |
0,0 bis 10,0 | alle 30 Sekunden |
10,0 bis 20,0 | alle 60 Sekunden |
20,0 bis – Ende der Messung | alle 5 Minuten |
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Anhand der Ausgangshöhe und der abgelesenen Höhenstände kann man die Volumenänderung angeben.
mit:
- hi [cm]:
- Höhe des aufgetriebenen Porenbetons
- h0 [cm]:
- Höhe des eingefüllten, noch nicht aufgetriebenen Porenbetons
- A [%]:
- Auftreibmaß