DE102008036376A1

DE102008036376A1 - Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit

Info

Publication number: DE102008036376A1
Application number: DE102008036376A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Riffel; Silvia Weber; Lisa Lindner; Diana Müller
Original assignee: HOCHSCHULE fur TECHNIK STUTTG; Hochschule fur Technik Stuttgart; HeidelbergCement AG
Current assignee: Heidelberg Materials AG
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit umfassend ein Bindemittel und eine Gesteinskörnung aus Zementklinker, mit Korngruppe 0/32, sowie seine Verwendung im Hoch- und Tiefbau.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Beton mit erhöhter Feuerwiderstandsfähigkeit (Brandbeständigkeit) sowie seine Verwendung im Hoch- und Tiefbau.
Die Verwendung von feuerwiderstandsfähigem Beton ohne Bekleidungen ist aus betrieblichen, technischen und wirtschaftlichen Gründen von großem Interesse. Neben grundsätzlichen wirtschaftlichen Vorteilen bei der Erstellung des Bauwerks ergeben sich weitere Vorteile im Betrieb und Unterhalt der Anlage. So benötigt beispielsweise eine einschalige Tunnelauskleidung aus feuerwiderstandsfähigem Beton keine speziellen Unterhaltungsmaßnahmen für das Brandschutzsystem. Darüber hinaus können visuelle Überprüfungen und Inspektionen der tragenden Tunnelkonstruktion ohne weiteres direkt durchgeführt werden.
Die allgemeinen Schutzziele in Bezug auf feuerwiderstandsfähigen Beton werden z. B. in den ZTV-ING Teil 5, Abschnitt 1 – Geschlossene Bauweise –, durch die Vorgabe einer maximalen kritischen Temperatur an der tragenden Bewehrung von T_max < 300°C konkretisiert. Diese Forderung zielt darauf ab, bleibende Dehnungen der Bewehrung sicher zu verhindern. Der Schutz der tragenden Bewehrung vor zu großer Erwärmung kann nur erreicht werden, wenn keine oder nur leichte, oberflächliche Abplatzungen der Betondeckung auftreten.
Nach derzeitigem Stand der Technik werden Tunnel in einschaliger Bauweise vielfach mit Brandschutzbekleidungen in Form von Brandschutzplatten oder -putzen geschützt, die wie eine thermische Isolierung wirken und somit die Aufheizgeschwindigkeit und die maximalen Temperaturen des Beton reduzieren. Bisher müssen diese Systeme nachträglich und teilweise sehr aufwändig in einem eigenen Arbeitsgang eingebaut werden. Für eine verkehrs- und betriebssichere sowie dauerhafte Befestigung sind oft spezielle und teuere Detaillösungen erforderlich. Insbesondere vor dem Hintergrund der Betriebssicherheit müssen im Hinblick auf dynamische Einwirkungen (z. B. Druck- und Sogkräfte aus dem Verkehr) und auf Feuchtigkeitseinwirkungen hohe Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Bekleidungssystems als Brandschutzschicht und an die Befestigungskonstruktion gestellt werden.
Beton ist an sich ein feuerfester Baustoff, da er nicht brennbar ist. Normalbeton hat mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 2,1 W/mK ein schlechtes Wärmeleitvermögen, was aber z. B. bei Tunnelbränden zu einem raschen Temperaturanstieg und somit zu einem steilen Temperaturgradienten in der äußeren Schicht des Betons führt. Für einen guten und wirksamen Brandschutz sind folgende Parameter wichtig:

• Hohe Feuerwiderstandsdauer
• Keine oder nur geringe Abplatzungen über der Stahlbewehrung
• Keine toxischen Gase im Brandfall
• Instandsetzungsmöglichkeit nach dem Brand

Jedoch hat sich gezeigt, dass Gebäude und vor allem Tunnel aus Beton einem Feuer nicht lange standhalten. Wegen der räumlichen und strömungstechnischen Verhältnisse (wie z. B. der sog. Kaminwirkung) ist dies besonders in Tunneln ein großes Problem.
So entstehen bei einem Brand in einem nicht bekleideten Tunnel die Hauptschäden in Form von progressiven, explosionsartigen Betonabplatzungen durch die extrem rasche Erhitzung zu Beginn des Brandes. Brandereignisse und Versuche haben gezeigt, dass Abplatzungen bereits in den ersten Minuten beginnen und im Allgemeinen nach 20 bis 30 Minuten abgeschlossen sind. Weitere Schädigungen werden durch die i. d. R. lange Branddauer bei sehr hohen Temperaturen bis ca. 1200°C hervorgerufen.
Im Brandfall kommt es aufgrund der enormen Temperaturbeanspruchungen der Tunnelinnenschale zu teilweise starken Abplatzungen. Diese wiederum behindern die Flucht- und Rettungswege, was eine hohe Anzahl an Personenschäden zur Folge haben kann. Weiterhin treten Schäden an der Tragkonstruktion auf, die im schlimmsten Fall zu deren Versagen führen. Die Schäden verursachen eine aufwändige Instandsetzung oder ggfs. sogar einen teureren Neubau. Um dies zu vermeiden, wird bereits schon seit längerer Zeit an brandbeständigeren Betonen für Tunnelinnenschalen und hochbelasteten Tragwerksbauteilen (z. B. Stützen, Träger, Wände etc.) geforscht.
Die Festigkeitseigenschaften und der Elastizitätsmodul von Normalbeton nehmen mit steigender Temperatur ab. Die Druckfestigkeit geht bei ca. 1000°C gegen Null. Ab ca. 600°C tritt bereits eine deutliche Festigkeitsminderung ein, ebenso ein deutlicher Rückgang des Elastizitätsmoduls.
Durch aggressive, chloridhaltige Brandgase und Rauchgaskondensation an Tunnelbauteilen und in Rauchgasleitungen entstehen Chloridschäden. Bei der Verbrennung von halogenhaltigen Kunststoffen, besonders PVC-haltigen Stoffen, werden Chloride freigesetzt. Es kommt zur Bildung von Chlorwasserstoffgas. Die Chloridionen werden nach dem Brand durch Diffusion in den Beton transportiert. Die Chloridionen verursachen die Zerstörung des Zementsteins, sowie Korrosion des Betonstahls. Die Korrosion des Stahls ist ein langfristiger Vorgang und tritt verzögert auf. Der Vorgang führt nicht nur zu Schäden an Bauteilen in unmittelbarer Umgebung des Brandherdes, sondern auch zu Schäden an Bauteilen, die vom Brandherd weiter entfernt sind.
Weiterhin treten Schäden durch die enorm hohen Temperaturen auf, welche zu Spannungen und Verformungen – mit der Folge von Rissen – am Bauwerk führen. Dadurch werden ebenfalls Teile des Bauwerkes beeinträchtigt, die weit vom eigentlichen Brandbereich entfernt liegen.
Wie vorstehend bereits erwähnt stellen Abplatzungen und das Abfallen von ganzen Betonschichten ein sehr großes Problem dar. Diese Schäden gefährden bereits die Rettungs- und Löschungsarbeiten und sind daher besonders problematisch. Für diese Schäden sind chemische und physikalische Vorgänge im Beton verantwortlich. Eine Hauptursache stellt im Beton vorhandenes oder während des Brandes eindringendes Wasser dar, welches dann beim Verdampfen im Betongefüge einen enormen Druck ausübt.
Zusätzlich können durch die hohen Temperaturen am Zementstein und an den Gesteinskörnungen auch chemische Reaktionen und mineralogische Umwandlungen und Zersetzungen erfolgen, welche für die Struktur und damit auch für die, insbesondere statische, Belastbarkeit des Betons und für die Standsicherheit des Bauwerks nachteilig sind. Zu den bekanntesten Phänomenen gehören die Dehydrierung des Zementsteins, der sogenannte Quarzsprung und die Decarbonatisierung von Kalkstein.
Bei etwa 400°C beginnt die Dehydrierung von Calciumhydroxid zu Calciumoxid und Wasser. Hiermit ist ein Festigkeitsverlust des Zementsteins verbunden, darüber hinaus vergrößert das abgespaltene Wasser die verdampfbare Wassermenge im Beton und verstärkt damit die Abplatzneigung.
Beim Quarzsprung wird das Kristallgitter des Quarzes bei einer Temperatur von 573°C umgebildet. Hiermit ist eine Volumenzunahme verbunden, die zu Eigenspannungen und Gefügeauflockerungen führt.
Bei Temperaturen von rd. 800°C kommt es zur Decarbonatisierung von Kalkstein. Dabei wird vom ursprünglichen Calciumcarbonat Kohlendioxid abgespalten, das durch das Porengefüge entweichen muss. Das verbleibende Calciumoxid ist weniger fest als das Calciumcarbonat. Die äußeren Schichten von Beton mit Kalksteinkörnungen oder Gesteinskörnungen mit Kalkbestandteilen lösen sich daher nach einer Brandbelastung beim Wiedererkalten vom weniger stark gebrannten Kernbeton ab.
Für die zuvor beschriebenen thermo-mechanischen und chemisch/mineralogischen Prozesse im Beton kommt der Auswahl der Gesteinskörnungen eine zentrale Bedeutung zu. Die Festigkeitseigenschaften des Betons während und nach einem Brand sind ferner stark von der Gesteinsart abhängig. Ursachen dafür sind die chemisch/mineralogischen Veränderungen und Zersetzungsprozesse infolge der thermischen Einwirkung.
Damit ein ausreichender baulicher Brandschutz gewährleistet ist, stellt die ZTV-ING an die Konstruktion im Fall von Brandeinwirkung folgende Anforderungen:

– Auftretende Schäden dürfen die Standsicherheit des Tunnels nicht gefährden
– die Gebrauchstauglichkeit des Tunnels darf durch bleibende Verformungen der Konstruktion nicht eingeschränkt werden
– die Dichtigkeit muss weitestgehend erhalten bleiben.

In Deutschland werden derzeit Betone für Tunnelinnenschalen verwendet, deren Herstellung mit üblichen Gesteinskörnungen (gemäß DIN EN 12 620), z. B. Kies oder Splitt, erfolgt. Außerdem werden für diese Betone Zusatzstoffe verwendet, wodurch ein dichtes Betongefüge (dichtgelagertes Korngerüst) erreicht wird. Als Zusatzstoff kommt beispielsweise Flugasche oder Silicastaub zum Einsatz. Durch die Zugabe von Zusatzstoffen können bestimmte Eigenschaften des Betons, z. B. Konsistenz, Verarbeitbarkeit oder Festigkeit, beeinflusst werden.
Neue brandbeständigere Betone sollen eine reduzierte Betondeckung ermöglichen und gleichzeitig eine durch Abplatzungen auftretende Überschreitung der kritischen Grenze von 300°C für den Betonstahl vermeiden. Damit verbunden sind weitere Vorteile, unter anderem:

– Verkürzung der Bauzeit und daraus resultierende Kostenersparnis
– Reduzierung des Ausbauquerschnitts
– Reduzierung des Betonverbrauchs
– Bessere Ausnutzung der statischen Höhe
– Verzicht auf aufwendige Brandschutzbekleidungen der Tunnelinnenschalen.

Es bestand daher ein Bedarf an sicheren und zugleich einfachen sowie kostengünstigen Lösungen.
Überraschend wurde nun gefunden, dass die Brandbeständigkeit von Beton deutlich erhöht werden kann, wenn anstelle der üblichen Gesteinskörnungen, wie Sand, Kies, Splitt usw., Zementklinker in der gewünschten Körnung eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft daher einen Beton, enthaltend ein hydraulisches Bindemittel und Zementklinker der Korngruppe 0/32 als Gesteinskörnung, vorzugsweise mit einem Größtkorn im Bereich von etwa 2 bis 32 mm, bevorzugt mit einem Größtkorn bis ca. 16 mm. Die erfindungsgemäß eingesetzten Zementklinker zeichnen sich dadurch aus, daß diese bereits im Herstellungsprozess Temperaturen von üblicherweise über 1400°C ausgesetzt waren und somit nicht zu einer Decarbonatisierung der Gesteinskörnungen führen können, was bei den herkömmlichen Gesteinskörnungen aus Kiesen und Splitten nicht ausgeschlossen werden kann.
Ein solcher Beton zeigt sich gegenüber hohen Temperaturen auch über lange Zeiträume außerordentlich stabil, d. h. die Struktur wird weder durch Verformungen, noch durch chemische/mineralogische (Umwandlungs)Prozesse wesentlich beeinträchtigt. Abplatzungen oder das Abfallen von Betonteilen werden weitgehend vermieden.
Bis auf die Gesteinskörnung aus Zementklinker entspricht die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Betons derjenigen von üblichen Betonen. Die Vorteile der Erfindung lassen sich neben dem Tunnelbau auch allgemein im Hoch- und Tiefbau nutzen.
Erfindungsgemäß eignen sich alle bekannten hydraulischen Bindemittel wie Portlandzement, Hochofenzement, Portlandkompositzement, Tonerdezement usw. als Bindemittel. Das Bindemittel wird in an sich bekannter Weise entsprechend der vorgesehenen Anwendung ausgewählt.
Üblicherweise liegen die Mahlfeinheiten der Zemente im Bereich von 2000 bis 6000 cm²/g (Blaine).
Für den Tiefbau, insbesondere für den Tunnelbau ist beispielsweise ein CEM I, CEM II oder CEM III sowie ein Zement mit hohem Sulfatwiderstand (HS) besonders bevorzugt. Im Hochbau sind je nach der Anwendung Zemente der Hauptart CEM I, CEM II und CEM III gemäß DIN EN 197-1 bevorzugt. Für spezielle Anforderungen werden auch Zemente mit besonderen Eigenschaften wie z. B. mit niedriger Hydratationswärme (NW), hohem Sulfatwiderstand (HS) und niedrigem Alkaligehalt (NA) eingesetzt.
Dem Bindemittel bzw. Beton können in üblicher Weise Zusatzmittel und Zusatzstoffe beigefügt werden.
Typische Zusatzmittel sind Fließmittel (FM), Betonverflüssiger (BV), Verzögerer (VZ), Erstarrungs- und Erhärtungsbeschleuniger (BE, SBE), Stabilisierer (ST), Luftporenbildner (LP), Dichtungsmittel (DM), Schwindreduzierer (SRA) und andere nach DIN EN 934 oder mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung. Sie werden in den üblichen Dosierungen von 0,1 bis 10 Masse-% bezogen auf das Zementgewicht/Bindemittel eingesetzt. Trockene, insbesondere pulverförmige Zusatzmittel gibt man üblicherweise dem Bindemittel und/oder der Betonmischung bei; flüssige Zusatzmittel werden meist beim Mischen (Anmachen) des Betons zugegeben.
Typische Zusatzstoffe sind Gesteinsmehle, (Steinkohle-)Flugaschen, gemahlener Hüttensand, Silikastaub, Farbpigmente, Kunststoff- und Stahlfasern, Kunststoffdispersionen und andere. Auch diese werden, wenn im Beton benötigt (vorhanden), in den üblichen Mengen der Betonmischung zugegeben.
Erfindungsgemäß wird als Gesteinskörnung ein Zementklinker mit entsprechender Korngruppe von 0/32 verwendet. Dabei kann es sich um einen Portlandzementklinker, Tonerdezementklinker oder Gemische davon handeln. Der Zementklinker ersetzt vorzugsweise die grobe Gesteinskörnung, welche nach dem Stand der Technik von Kies und/oder Splitt gebildet wird. Für die feineren Anteile, also z. B. die Korngruppen 0/2 bzw. 0/4, kann herkömmlicher Sand verwendet werden. Es ist aber auch möglich, dass der Zementklinker die gesamte Gesteinskörnung, also die feine und die grobe Gesteinskörnung bildet.
Der Zementklinker wird üblicherweise im Lepol- oder Drehrohrofen aus dem Rohmehl bei ca. 1450°C gebrannt. Er besteht im Wesentlichen aus Tricalciumsilicat, Dicalciumsilicat, Tricalciumaluminat und Calciumaluminatferrit. Der Klinker hat nach dem Verlassen des dem Ofen angeschlossenen Kühlsystems üblicherweise eine Korngröße von ca. 0 bis 50 mm (Lepolofen bis 20 mm, Drehrohrofen bis 50 mm).
Je nach Anwendung sollen die Gesteinskörnungen vorzugsweise eine Korngrößenverteilung (Sieblinie) im Bereich 2, 3, 4 gemäß DIN 1045-2 aufweisen. Das Größtkorn soll dabei im Bereich von 8 bis 32 mm, vorzugsweise bei ca. 16 mm, liegen. Der Feinanteil, d. h. Korngrößen, welche das Sieb mit einer Maschenweite von 0,125 mm passieren, liegt in der Regel unter 10 Vol.-%, vorzugsweise unter 5 Vol.-%, insbesondere unter 2 Vol.-%. Der Klinker wird daher gebrochen und/oder gesiebt, um die gewünschten Korngruppen zu erhalten. Diese Verfahren und die Korngruppen sind dem Fachmann an sich bekannt, z. B. 0/1, 0/2, 0/4, 2/4, 2/5, 2/8, 4/8, 5/8, 8/11, 8/16, 11/16, 16/22 oder 16/32 mm.
Der als hydraulisches Bindemittel eingesetzte Zement wird im Gegensatz zu dem erfindungsgemäß als Gesteinskörnung eingesetzten Zementklinker durch Mahlung des Klinkers erhalten, wobei in der Regel die Korngröße von feinen und groben Zementen zwischen 1 bis 40 μm (fein) und 1 bis 200 μm (grob) liegt. Solcher Zement ist für einen Einsatz als Gesteinskörnung ungeeignet, während Zementklinker in den erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Korngruppen nicht als hydraulisches Bindemittel wirkt. Es ist zwar anzunehmen, dass beim Brechen des Klinkers auch Feinanteile erhalten werden, deren Menge sollte gering sein. Vorzugsweise werden die Feinanteile abgesiebt.
Es ist bevorzugt, wenn der Klinker als Gesteinskörnung vor dem Anmachen des Betons mit Wasser vorgenässt wird.
Die Verarbeitung des erfindungsgemäßen Betons ist auf jede bekannte Weise möglich. Er kann sowohl im Fertigteilwerk als auch auf der Baustelle als Ortbeton, Transportbeton, Spritzbeton usw. eingesetzt werden, wobei Bindemittel, Zusatzmittel und Zusatzstoffe an die vorgesehene Anwendung angepasst werden.
Zur weiteren Verbesserung der Brandbeständigkeit wird vorzugsweise in dem Beton ein System von Luftporen erzeugt. Hierzu kann dem Beton ein Luftporenbildner (LP) zugesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Zugabe von Mikrohohlkugeln (MHK). Eine dritte Variante ist der Einbau von Kunststofffasern, z. B. aus Polypropylen (PP), welche bei einem Brand (typischerweise bei ca. 160°C) schmelzen und erst im Brandfall ein System von feinsten Kapillarporen und/oder Rissen erzeugen. Durch diese Maßnahmen kann im Brandfall in dem Beton gebildeter Wasserdampf leichter entweichen und damit werden durch Wasserdampf(druck) verursachte Schädigungen (z. B. Abplatzungen oder Absprengungen) vermieden.
Ein bevorzugter erfindungsgemäßer Spritzbeton besteht z. B. aus 270 bis 450 kg/m³ Zement (Naßspritzverfahren) oder 300 bis 500 kg/m³ Zement (Trockenspritzverfahren), mit einem w/z-Wert 0,38 bis 0,50 (NS) bzw. 0,45 bis 0,60 (TS), 1800 bis 2100 kg/m³ Zementklinker mit einer Sieblinie im Bereich 2–4, vorzugsweise 3–4 und einem Größtkorn von 8 bis 16 mm, und ggf. mit verflüssigenden Zusatzmitteln (z. B. FM, BV). Dem Beton wird direkt an der Spritzdüse ein üblicher Erhärtungsbeschleuniger zugesetzt.
Ein bevorzugter erfindungsgemäßer Transportbeton oder Ortbeton besteht z. B. aus 240 bis 450 kg/m³ Zement, einem w/z-Wert von 0,40 bis 0,65, 1700 bis 2100 kg/m³ Zementklinker mit einer Sieblinie im Bereich 3–4 und einem Größtkorn von 8, 16, 22 oder 32 mm, und ggf. verflüssigenden, verzögernden, stabilisierenden, luftporenbildenden und anderen Zusatzmitteln
Aus dem erfindungsgemäßen Beton können auch Betonfertigteile wie Tübbinge, Träger, Stützen, Binder, Wandelemente, Deckenelemente, Garagen und andere hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Beton, d. h. daraus hergestellte Bauten oder Bauelemente weisen eine erhöhte Brandbeständigkeit auf. Diesbezüglich werden in den ZTV-ING und in der EBA-Richtlinie (Eisenbahn Bundesamt) entsprechende Schutzziele zusammen mit der Vorgabe von Brandraum- bzw. Brandgastemperatur-Zeit-Kurven formuliert, siehe 8.
Bei einem Tunnelbrand muss innerhalb einer sehr kurzen Anfangsphase von nur 5 Minuten von Temperaturen bis 1200°C ausgegangen werden. Das bedeutet für den Tunnelbau erhöhte Anforderungen an den baulichen Brandschutz.
Nach der ZTV-ING Teil 5, Abschnitt 1 – Geschlossene Bauweise – wird für die tragende Bewehrung eine kritische Temperatur bei Tmax. < 300°C gesehen.
Brandversuche haben gezeigt, dass Abplatzungen bereits in den ersten Minuten beginnen und i. d. R. nach 20 bis 30 Minuten abgeschlossen sind. In den Versuchen wurde auch nachgewiesen, dass durch die lange Branddauer bei sehr hohen Temperaturen bis 1200°C weitere Schäden am Bauwerk/Bauteil auftreten.
Der erfindungsgemäße Beton besitzt eine erhöhte Brandbeständigkeit, d. h. im Vergleich zu Beton, der eine herkömmliche Gesteinskörnung enthält, steigt die Temperatur des Betons an der Bewehrung bei gleicher Betondeckung langsamer an bzw. eine geringere Betondeckung ist für eine Begrenzung der Temperatur an der Bewehrung auf < 300°C nötig.
Darüber hinaus gibt es in Österreich eine Richtlinie „Erhöhter Brandschutz mit Beton für unterirdische Verkehrsbauwerke". Auch hier sind die Schutzziele definiert und die Einwirkungen (Österreichische Temperatur-Zeit-Kurven für Eisenbahn- und Straßentunnel) dargestellt. Des Weiteren wird die Konstruktion und Bemessung sowie die Betonzusammensetzung, Herstellung und Verarbeitung behandelt.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter veranschaulichen, ohne sie jedoch auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Soweit nichts anders angegeben ist, beziehen sich Angaben von Teilen und % auf das Gewicht bzw. Masse
Beispiele
Für alle Mischungen wurde ein Portlandzement DIN EN 197-1 – OEM 142,5 N-HS von der Firma HeidelbergCement AG aus dem Werk Schelklingen verwendet. Eigenschaften:
Dichte [g/cm³] 3,27
spez. Oberfläche [cm²/g] 3367
Druckfestigkeit nach 2 Tagen [N/mm²] 22,2
Druckfestigkeit nach 28 Tagen [N/mm²] 50,3
Gesteinskörnungen
Es wurden verschiedene Gesteinskörnungen eingesetzt. In allen Mischungen wurde gewaschener Rheinsand aus Oberrheinmaterial von der Firma Krieger aus dem Werk Rheinhausen mit folgenden Eigenschaften verwendet:
Kornrohdichte [kg/dm³] 2,66
Widerstand gegen Zertrümmerung (Los-Angeles-Verfahren) Kat. LA₃₀
Gehalt an Feinanteilen f 1,5
1. Zementklinker von der Firma HeidelbergCement AG aus dem Werk Leimen mit folgenden Eigenschaften:

Kornrohdichte [kg/dm³] 3,1
Körnungsziffer 3,68

Für einige Versuche wurde ungesiebter Zementklinker mit Überkorn verwendet. Für andere wurde der Zementklinker in die Korngruppen 2/8 und 8/16 abgesiebt. Er ist zum Betonieren bis zur Wassersättigung vorgenässt worden.
2. Kies von der Firma Krieger aus dem Werk Rheinhausen mit folgenden Eigenschaften:

Kornrohdichte [kg/dm³] 2,62
Widerstand gegen Zertrümmerung (Los-Angeles-Verfahren) Kat. LA₃₀
Gehalt an Feinanteilen Kat. f_1,5
Plattigkeitskennzahl Kat. Fl₁₅
Körnungsziffer 4,14

3. Granit von der Firma Röhrig aus dem Werk Heppenheim mit folgenden Eigenschaften:

Kornrohdichte [kg/dm³] 2,72
Widerstand gegen Zertrümmerung (Schlagzertrümmerung) Kat. SZ₁₈
Gehalt an Feinanteilen Kat. f_1,5
Kornform Kat. Sl ₁₅
Frost-Tau-Widerstand Kat. F₁
Körnungsziffer 4,11

4. Kies-Edelsplitt von der Firma Krieger aus dem Werk Rheinmünster-Stollhofen.
Der Kies-Edelsplitt besteht aus den Hauptkomponenten Quarz/Quarzit und Kalkstein, geringe Anteile von Kalksandstein, Gneis/Amphibolit, Granit/Aplit, Fein- und Mittelsandstein, Vulkanit/Porphyr sowie Kieselschiefer. Er weist folgende Eigenschaften auf:

Kornrohdichte [kg/dm³] 2,7
Widerstand gegen Zertrümmerung (Schlagzertrümmerung) Kat. SZ₁₈
Widerstand gegen Polieren Kat. PSV₅₄
Gehalt an Feinanteilen Kat. f₁
Kornform Kat. Sl₂₀
Widerstand gegen Hitze VSZ 2,1 (Angabe des Herstellers, keine Normprüfung)
Körnungsziffer 4,09

Soweit verfügbar wurden die Gesteinskörnungen in verschiedenen Korngruppen eingesetzt.
Als Zusatzstoff wurde Flugasche von der Firma Safa, Baden-Baden mit der Produktbezeichnung Safament HKV verwendet.
Den Mischungen wurden z. T. Polypropylen-Fasern vom Typ Duomix Fire (M6) der Firma Bekaert zugesetzt. Die Polypropylen-Fasern haben eine Länge von 6,0 mm mit einem Durchmesser nominal von 18,0 μm. Ihre Bruchdehnung liegt bei 15,0%, ihre Dichte liegt bei 0,91 kg/dm³.
Zusatzmittel
1. Fließmittel (FM)
Als Fließmittel wurde für die Vorversuche bei den Mischungen mit Kies und Granit das Fließmittel ViscoCrete-1051 von Sika verwendet. Das Fließmittel ViscoCrete-1051 wirkt auf Basis von Polycarboxylatether (PCE). Der empfohlene Dosierbereich liegt zwischen 0,2 und 2,5% vom Zementgewicht. Es wird empfohlen das Fließmittel, mit dem Zugabewasser zuzugeben. Für die Mischungen mit Kies-Edelsplitt und Zementklinker wurde das Fließmittel Addiment FM 6 von Sika verwendet. Das hochwirksame Fließmittel, auf Melamin-/Naphthalinsulfonat-Basis, ist ohne verzögernde Wirkung für hochwertigen Beton in Fertigteilwerken und auf Baustellen verwendbar. Der empfohlene Dosierbereich liegt zwischen 0,2 und 2,3 % vom Zementgewicht. Das Fließmittel kann entweder mit dem Zugabewasser oder separat zugegeben werden.
2. Luftporenbildner
Für einen Versuch wurde der Luftporenbildner LPS A-94 von Sika verwendet. Der Luftporenbildner wirkt auf der Basis von synthetischen Tensiden. Der empfohlene Dosierbereich liegt zwischen 0,2 und 0,8% vom Zementgewicht. Um die geforderte Menge der Luftporen im Frischbeton zu erreichen ist eine genaue Dosierung des Luftporenbildners erstrebenswert. Jedoch hat der Luftporenbildner bei jeder Mischung unterschiedliche Auswirkungen auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften, so dass die genaue zuzugebende Menge jeweils angepasst wurde.
3. Mikrohohlkugeln (MHK)
Für einen Hauptversuch wurde eine Mischung mit MHK hergestellt. Die MHK bestehen aus einer weißen Paste und wirken auf einer Polyvinylidenchloriden-Acrylnitril-Polymer Basis. Die MHK besitzen eine Dichte von 0,2 kg/dm³ und eine Größe von 6,0 μm. Die MHK haben in der Betonmatrix den gleichen Effekt wie der Luftporenbildner. Mit MHK kann sehr zielsicher ein Luftporenbeton hergestellt werden. Durch die MHK wird die Betondruckfestigkeit nicht verringert. Die MHK werden bei der Betonherstellung während des Mischprozesses der Betonmischung zugegeben.
An den Betonen wurden sowohl Frischbetoneigenschaften als auch Festbetoneigenschaften bestimmt. Das Ausbreitmaß wurde gemäß DIN EN 12350-5 und das Verdichtungsmaß gemäß DIN EN 12350-4 bestimmt. Die Frischbetonrohdichte wurde nach DIN EN 12350-6 und der Luftgehalt nach DIN EN 12350-7 ermittelt.

Die Mischungen fassen Tabellen 1 und 2 zusammen: Tabelle 1 Beispiele mit Zementklinker

Bestandteile [kg/m3]	Beispiel 1: Zementklinker	Beispiel 2: Zementklinker	Beispiel 3: Zementklinker
Wasser	180	238	238
Zement	338	419	419
Flugasche	112	138	138
Fließmittel	8	7	7
PP-Fasern	2	2	2

Sand 0/2	332	491	546
Korngruppe	(2/16) 1599	(2/8) 769 (8/16) 501	(2/8) 571 (8/16) 360
Luftporenbildner		1,4
MHK			3,5

Tabelle 2 Vergleichsbeispiele

Bestandteile [kg/m3]	Vergleichsbeispiel Kies	Vergleichsbeispiel 2 Granit	Vergleichsbeispiel 3 Kies-Edelsplitt
Wasser	170	170	170
Zement	320	320	320
Flugasche	106	106	106
Fließmittel	6	6	5
PP-Fasern	2	2	2
Sand 0/2	551	546	375
Korngruppe	(2/8) 644 (8/16) 512	(2/5) 571 (5/11) 360 (11/16) 289	(2/5) 884 (5/11) 227 (11/16) 264

Die geprüften Frischbetoneigenschaften sind in Tabelle 3 und die Festbetoneigenschaften in Tabelle 4 zusammengestellt. Tabelle 3: Frischbetoneigenschaften der Beispiele B1–B4 und Vergleichsbeispiele VB1–VB3

Eigenschaft B1 B2 B3 VB1 VB2 VB3

Ausbreitmaß a [mm] 430 450 460 480 440 440

Verdichtungsmaß c 1,04 - - 1,05 1,06 1,14

Rohdichte D [kg/m3] 2240 2140 2270 2310 2295 2350

Luftporengehalt [Vol-%] 6,0 11,9 6,6 3,4 6,5 2,0
Die Messungen belegen, dass die Verwendung von Zementklinker als Gesteinskörnung im Rahmen der üblichen Betonmischungen möglich ist und die Frischbetoneigenschaften nicht beeinträchtigt.

In 1 ist die Oberfläche einer erfindungsgemäßen Frischbetonmischung auf Zementklinkerbasis abgebildet. Tabelle 4: Festbetoneigenschaften der Beispiele B1–B4 und Vergleichsbeispiele VB1–VB3

Eigenschaft	B1	B2	B3	VB1	VB2	VB3
Druckfestigkeit f_c,cube [N/mm2] 28 d	38,0	45,7	59,4	47,2	50,6	49,6
Mikroluftporengehalt A₃₀₀ [Vol-%]	1,87	3,03	1,60	0,84	1,73	0,88
Abstandsfaktor [mm]	0,26	0,16	0,24	0,33	0,27	0,32

Die Messungen bestätigen, dass auch die Festbetoneigenschaften noch im brauchbaren Maß liegen. Der Einsatz von Luftporenbildnern oder Mikrohohlkugeln erlaubt es, die etwas geringeren Druckfestigkeiten bei einem Einsatz von Zementklinker als Gesteinskörnung auszugleichen.
Mit Probekörpern aus einem erfindungsgemäßen Beton (mit Zementklinker) und einem Beton nach dem Stand der Technik (Normalbeton, Kies) wurden Brandversuche durchgeführt, wobei die Probenkörper einer direkten Beflammung mit einer üblichen Schweißbrennerflamme (auf maximale Temperatur eingestellt) für 45 Min. ausgesetzt wurden. Der Abstand der Düse zu der Probenoberfläche betrug 14 cm, so dass die Flammenspitze die Betonoberfläche erreicht hat. Der Brenner wurde an einer Haltevorrichtung befestigt, so dass beide Proben im gleichen Abstand und mit der gleichen Flammeneinstellung beflammt wurden. Der genannte Versuchsaufbau für die Beflammung ist in den 2 und 3 dargestellt.
Die Ergebnisse der Brandversche sind in den 4–6 dargestellt. Man sieht deutlich, dass der herkömmliche Beton nach 45 min Beflammungszeit stark geschädigt ist (4, 5). Der Zerfall trat dabei bereits nach wenigen Minuten auf.
Beim erfindungsgemäßen Beton zeigen sich dagegen nur wenige Risse, welche die Integrität nicht wesentlich beeinträchtigen (6, 7).
In einem weiteren Versuch wurden Probekörper aus einem Referenzbeton mit herkömmlichem Kies als Gesteinskörnung und einem als Zementklinkerbeton oder Klinkerbeton bezeichneten erfindungsgemäßen Beton hergestellt. Die beiden Probekörpern mit den Abmessungen 500 mm × 500 mm × 105 mm wurde etwa 2 Monate vor Durchführung des Kleinbrandversuchs hergestellt.

Die Probekörper wurden aus den folgenden Betonen geformt:

	Zementklinkerbeton	Referenzbeton
Zement	CEM 142,5 R-HS Schelklingen, 340 kg/m³	CEM 142,5 R-HS Schelklingen, 340 kg/m³
Zugabewasser	181 kg/m³	181 kg/m³
w/(z + 0,4f)-Wert	0,53	0,53
Luftporengehalt (Soll)	3,5 Vol.%	3,5 Vol.%
Zusatzstoff	PP-Fasern Duomix Fire	PP-Fasern Duomix Fire
	M6, 2 kg/m³	M6, 2 kg/m³
Zusatzmittel	LPS A94; 0,68 kg/m³	LPS A94; 0,68 kg/m³
Zuschlag	0/2 Sand EuA, 437 kg/m³ 2/8 Klinker, 478 kg/m³ 8/16 Klinker, 711 kg/m³	0/2 Sand EuA, 524 kg/m³ 2/8 Kies, 619 kg/m³ 8/16 Kies, 619 kg/m³
Rechnerische Frischbetondichte	2060 kg/m³	2214 kg/m³
28d-Festbetonrohdichte	2186 kg/m³	2206 kg/m³
28d-Druckfestigkeit	36,2 N/mm²	39,8 N/mm²

– Bewehrung: 2 × Q 188 (Stabdurchmesser: 6 mm, Abstand längs/quer: 100 mm)
– Betondeckung: 30 mm
– Anordnung von im Innern liegenden Thermoelementen beim Zementklinkerbeton: 1 × mittig direkt auf der Schalung, 1 × mittig zwischen der Bewehrung
– Lagerung nach der Herstellung im Klimaraum 20/65

Einen Tag vor der Brandprüfung wurden auf der feuerabgewandten Seite ( entspricht der Nichtschalungsseite) der Probekörper jeweils zwei Oberflächenthermoelelemente aufgeklebt. Diese lagen jeweils genau mittig und auf der Mittelsenkrechten, jeweils 7,5 cm vom oberen Rand entfernt.
Für den Kleinbrandversuch gab es insgesamt folgende 8 Temperaturmessstellen:

– 01: Brandraumtemperatur, ca. 10 cm von Probe „Zementklinkerbeton" entfernt
– 02: Brandraumtemperatur, ca. 10 cm von Probe „Referenzbeton" entfernt
– 03: einbetoniertes Thermoelement („Zementklinkerbeton", mittig auf Schalung)
– 04: einbetoniertes Thermoelement („Zementklinkerbeton", mittig zwischen Bewehrung)
– 05: Oberflächentemperatur Kaltseite „Zementklinkerbeton", mittig
– 06: Oberflächentemperatur Kaltseite „Zementklinkerbeton", auf Mittelsenkrechte, 7,5 cm vom oberen Rand entfernt
– 07: Oberflächentemperatur Kaltseite „Referenzbeton", mittig
– 08: Oberflächentemperatur Kaltseite „Referenzbeton", auf Mittelsenkrechte, 7,5 cm vom oberen Rand entfernt

Die vorstehend beschriebenen Betonprobekörper wurden vor die beiden gegenüberliegenden Öffnungen des Kleinbrandprüfstandes nach DIN 4102 Teil 8 gestellt, umlaufend mit Mineralfaserplattenstreifen abgedichtet und mit einer Klemmvorrichtung gehalten.
Der Heizraum wurde mit Heizöl EL nach DIN 51603 Teil 1 beflammt. Dabei wurde mit maximaler Brennerleistung gefahren. Die erhaltenen Messkurven der Messstellen 01 und 02 sind der 9 zu entnehmen.
Die Ofentemperatur zu Beginn der Prüfung betrug 18°C. Die Maximaltemperatur von 1200°C wurde erst nach rd. 2,5 Stunden Versuchsdauer erreicht. Der Brandraumüberdruck wurde nicht gezielt geregelt, sondern nur registriert. Während der gesamten Versuchsdauer lag er zwischen 0 Pa und 22 Pa, gemessen in halber Probekörperhöhe. Die gemessene Oberflächentemperatur sind der 10 zu entnehmen.
Die gemessenen Oberflächentemperaturerhöhungen auf der feuerabgewandten Seite, waren beim Zementklinkerbeton deutlich niedriger als beim Referenzbeton; gegen Ende des Versuchs wurden beim Zementklinkerbeton 96 bzw. 83 K erreicht, während beim Referenzbeton 235 bzw. 244 K gemessen wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN 12 620 [0019]
- DIN EN 197-1 [0028]
- DIN EN 934 [0030]
- DIN 1045-2 [0034]
- DIN EN 12350-5 [0059]
- DIN EN 12350-4 [0059]
- DIN EN 12350-6 [0059]
- DIN EN 12350-7 [0059]

Claims

Betonmischung zur Herstellung eines Betons mit erhöhter Brandbeständigkeit umfassend ein Bindemittel und eine Gesteinskörnung dadurch gekennzeichnet, dass die Gesteinskörnung zu zumindest 50 Gew.-% aus Zementklinker mit einer Korngruppe 0/32 besteht.
Betonmischung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Gesteinskörnung mit einer Korngröße im Bereich von 2 mm bis 32 mm aus Zementklinker besteht.
Betonmischung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzstoffe enthalten sind.
Betonmischung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmittel enthalten sind.
Betonmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Luftporenbildner oder Mikrohohlkugeln enthalten sind.
Betonmischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Polypropylenfasern enthalten sind.
Verwendung einer Betonmischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung eines Betons für den Hoch- Tief- oder Fertigteilbau.
Verwendung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Betonmischung erhaltene Beton als Spritzbeton für den Tunnelbau verwendet wird.
Verwendung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Betonmischung erhaltene Beton als Ortbeton für den Tunnelbau verwendet wird.
Verwendung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Betonmischung erhaltene Beton zu einem Betonfertigteil, wie Tübbinge, Träger, Stützen, Binder, Wandelemente, Deckenelemente, Garagen, verarbeitet wird.