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Die Erfindung betrifft einen Transportbeton mit einem geringen Zementgehalt, wobei der Beton ein Gemisch aus Anteilen von einer Gesteinskörnung, Zement, Wasser, reaktiven Zusatzstoffen und inerten Zusatzstoffen sowie von einem Fließmittel ist, und wobei der Zementgehalt weniger als 240 kg/m3 beträgt.
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Der Bauwerkstoff Beton besteht ganz überwiegend aus natürlichen, beziehungsweise mineralischen Komponenten und kann deshalb als ein vergleichsweise umweltfreundlicher Baustoff angesehen werden. Allerdings ist die Herstellung des in dem Beton enthaltenen Anteils an Zement mit einer erheblichen Umweltbelastung verbunden. Die Herstellung von einer Tonne eines reinen Portlandzementklinkers ist mit einer CO2-Emission von etwa 850 kg verbunden. Die Reduzierung des Anteils an Zement stellt deshalb eine erfolgsversprechende Möglichkeit dar, den Bauwerkstoff Beton klima- und ressourcenschonender herstellen zu können. Angesichts einer jährlich weltweit produzierten Menge von mehr als 3 Milliarden Tonnen Zement und einem dadurch bedingten Anteil von etwa 5 Prozent der weltweiten anthropogenen CO2-Emissionen stellt eine Reduzierung oder eine umweltfreundlichere Herstellung des Zementgehalts in dem Bauwerkstoff Beton eine wichtige Maßnahme für den weltweiten Schutz der Umwelt und des Klimas dar.
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Durch die Entwicklung und Verwendung modifizierter oder neuartiger Zemente konnten die für die Herstellung der Zemente erforderlichen CO2-Emissionen gesenkt werden.
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Durch die Beimischung von reaktiven Zusatzstoffen wie beispielsweise Hüttensand, Flugaschen, Trass, Metakaolin, Mikrosilika oder anderen puzzolanischen Stoffen kann der Anteil an Portlandzementklinker in dem für die Herstellung von Beton erforderlichen Zementgehalt verringert werden. Als reaktive Zusatzstoffe werden alle Zusatzstoffe bezeichnet, die während des Aushärtens chemisch reagieren oder eine chemische Reaktion merklich beeinflussen und damit die Festigkeitsbildung unterstützen. Im Gegensatz dazu sind inerte Zusatzstoffe wie beispielsweise Gesteinsmehle nicht bzw. nicht in nennenswertem Maße an den festigkeitsbildenden Reaktionen während der Betonerhärtung beteiligt. Hüttensand und Flugasche sind dabei Nebenprodukte bei der Roheisenherstellung im Hochofen, beziehungsweise bei der Rauchgasentwicklung in Steinkohlekraftwerken und Müllverbrennungsanlagen. Anders als bei Portlandzementklinker ist deshalb keine ressourcenintensive Herstellung und Aufbereitung dieser reaktiven Zusatzstoffe mehr erforderlich.
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Der Bauwerkstoff Beton muss viele verschiedene Anforderungen erfüllen, die insbesondere seine Verarbeitung und seine Festigkeitseigenschaften nach der Aushärtung betreffen. Aufgrund umfangreicher Erfahrungen mit dem Bauwerkstoff Beton sind deshalb verschiedene Normierungen bzw. technische Regelwerke entwickelt worden, die für die Verwendung von Beton bei Bauvorhaben vorgeschrieben sind und eingehalten werden müssen. Die Normierungen berücksichtigen dabei auch die jeweilige Zweckbestimmung und die daraus resultierenden Anforderungen, so dass in Abhängigkeit von den zu erfüllenden Anforderungen verschiedene Vorschriften die relativen Anteile der Ausgangsstoffe sowie deren relevanten Eigenschaften vorschreiben.
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Um einen dauerhaften und ausreichend mechanisch stabilen Verbund der Gesteinskörnung in dem Beton gewährleisten zu können wird deshalb ein Mindestgehalt an Zement einschließlich der reaktiven und inerten Zusatzstoffe sowie Wasser als unbedingt notwendig erachtet, wobei dieses Gemisch aus Zement, aus reaktiven und inerten Zusatzstoffen und aus Wasser als Zementleim bezeichnet wird. Für die verschiedenen Anforderungen, die in Expositionsklassen und in Festigkeitsklassen unterteilt werden können, sind jeweils Mindestgehalte an Zement oder Zementleim bzw. ein Verhältnis von Wasser zu Zement vorgegeben, wobei sich die vorgegebenen Mindestgehalte und Verhältnisse zusätzlich noch für unterschiedliche Zusammensetzungen des jeweils verwendeten Zements und im Hinblick auf den Anteil der reaktiven Zusatzstoffe wie Hüttensand oder Flugasche unterscheiden können, die dem Zementleim zusätzlich zu Zement und Wasser beigemischt werden.
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Würde der Zementgehalt übermäßig reduziert werden, was im Hinblick auf eine umweltfreundliche Herstellung von Beton vorteilhaft ist, so würde der Beton mit dem verringerten Zementgehalt nicht mehr die vorgegebenen Normen und bauaufsichtlichen Zulassungen erfüllen können. Zudem kann das Verhältnis zwischen mehlkornförmigen Anteilen aus Zement und aus reaktiven, beziehungsweise inerten Zusatzstoffen einerseits und Wasser andererseits nicht beliebig verändert werden.
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Eine gute Verarbeitung sowie eine im Anschluss daran sich einstellende hohe Festigkeit und Beständigkeit des Betons können nur innerhalb eines engen Bereichs für dieses Mischungsverhältnis von mehlkornartigen Anteilen und Wasser erreicht und gewährleistet werden. Wird der Anteil von Wasser nur um wenige Liter pro Tonne Beton verändert, können sich die Eigenschaften des Betons erheblich verändern.
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Durch die Zugabe geeigneter Fließmittel können die für die Verarbeitung des Betons maßgeblichen Eigenschaften über den für die Verarbeitung erforderlichen Zeitraum vorteilhaft beeinflusst werden. Dass für die Verarbeitung des Betons oftmals wichtige Fließmittel wirkt sich allerdings kaum auf die Festigkeit des Betons nach dem Aushärten oder auf die sich nach 28 Tagen einstellende Druckfestigkeit, die bemessungsrelevante 28-d-Druckfestigkeit aus. Demgegenüber besteht oftmals ein signifikanter Einfluss des Fließmittels auf die Frühfestigkeit.
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Für die Herstellung von Betonfertigteilen konnten in den letzen Jahren Zusammensetzungen entwickelt werden, die einen geringen Zementgehalt aufweisen, der unterhalb der durch die Normen vorgegebenen Mindestzementgehalte liegt. Durch experimentelle Untersuchungen konnte überprüft und bestätigt werden, dass die für die Herstellung und Verwendung der Betonfertigteile erforderlichen Eigenschaften des Fertigteilbetons mit dem geringen Zementgehalt erfüllt werden.
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Im Gegensatz zu einem für die Herstellung von Betonfertigteilen optimierten Beton muss ein Transportbeton zum Teil deutlich abweichende Anforderungen erfüllen. Der zentral hergestellte Transportbeton muss über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde und nach Möglichkeit länger ausreichend fließfähig und verarbeitbar bleiben. Im Gegensatz zu dem für die Herstellung von Betonfertigteilen verwendeten Beton ist es bei einem Transportbeton allerdings nicht erforderlich, dass schon nach wenigen Stunden eine mechanische Festigkeit erreicht wird, die eine Entnahme der Betonfertigteile aus den für die Herstellung verwendeten Schalungen ermöglicht. Eine ausreichende Festigkeit muss der Transportbeton erst nach 1 bis 2 Tagen aufweisen, um die Schalung entfernen zu können.
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Mit den bisher bekannt gewordenen Überlegungen und Ansätzen konnte lediglich eine geringe Reduzierung des Zementgehalts bei Transportbeton ermöglicht werden. Eine höhere Beimischung von reaktiven Zusatzstoffen wie beispielsweise Hüttensand oder Flugasche sollte zudem vermieden werden, da ansonsten die Herstellung des Transportbetons stark von der keineswegs gleichbleibenden Verfügbarkeit dieser Zusatzstoffe abhängt.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen die Zusammensetzung des Transportbetons so vorzugeben, dass er möglichst umwelt- und ressourcenschonend hergestellt werden kann und gleichzeitig eine gute Verarbeitbarkeit und die in den technischen Regelwerken geforderten Eigenschaften sichergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der in dem Transportbeton enthaltene Anteil der inerten Zusatzstoffe mehr als 100 kg/m3 beträgt, dass der Anteil an Zement weniger als 220 kg/m3 beträgt und dass der Anteil an Wasser weniger als 150 kg/m3 beträgt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei einem Transportbeton ein sehr hoher Anteil von inerten Zusatzstoffen möglich ist und dem Beton beigemischt werden kann, und dennoch die für einen Transportbeton ausschlaggebenden Anforderungen hinsichtlich seiner Verarbeitbarkeit und seiner mechanischen Festigkeit erfüllt werden können. Diese Eigenschaften hängen maßgeblich von dem Mischungsverhältnis der jeweiligen Anteile ab. Aus diesem Grund beträgt der zusätzlich zu den inerten Zusatzstoffen in dem Zementleim enthaltene Anteil an Zement weniger als 220 kg/m3 und der Anteil an Wasser weniger als 150 kg/m3. Die Gewinnung und Vorbereitung der inerten Zusatzstoffe ist umweltneutral bzw. ohne große Umweltbelastung möglich. Durch die Verwendung eines sehr hohen Anteils an inerten Zusatzstoffen kann bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung des Transportbetons der mit einer hohen Umweltbelastung verbundene Zementgehalt deutlich reduziert werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Kalksteinmehl als inerter Zusatzstoff verwendet wird. Kalksteinmehl ist langfristig in größeren Mengen verfügbar und – im Gegensatz zu den Nebenprodukten wie beispielsweise Hüttensand und Flugasche – nicht von anderen Primärprozessen abhängig.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Beimischung eines großen Anteils von inerten Zusatzstoffen und insbesondere von Kalksteinmehl die Verarbeitung und die Festigkeitseigenschaften des Transportbetons trotz eines verringerten Zementgehalts in etwa konstant gehalten bzw. verbessert werden können. Obwohl die inerten Zusatzstoffe keine nennenswerten Beiträge zu den während des Aushärtens stattfindenden chemischen Reaktionen leisten wurde überraschenderweise festgestellt, dass die oftmals relevanten mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Druckfestigkeit oder Zugfestigkeit eher höher als niedriger im Vergleich zu dem herkömmlichen Transportbeton sind. Der Grund ist eine gewisse Beteiligung des Kalksteinmehls an der Festigkeitsbildung bei wasserarmen Betonen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Anteil an Zement weniger als 200 kg/m3, vorzugsweise weniger als 180 kg/m3 und besonders vorzugsweise weniger als 160 kg/m3 beträgt. Der für den jeweiligen Verwendungszweck im Einzelfall notwendige Anteil an Zement ist unter Anderem von der angestrebten Festigkeitsklasse und Expositionsklasse abhängig. Untersuchungen haben ergeben, dass beispielsweise für einen Transportbeton der Expositionsklassen XC1 oder XC2, die für Innenbauteile geeignet ist, und bei einer Festigkeitsklasse C20/25 ein Zementgehalt von weniger als 200 kg/m3 bis hin zu 140 kg/m3 möglich ist.
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Gleichzeitig ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Anteil von Kalksteinmehl mehr als 120 kg/m3, vorzugsweise mehr als 150 kg/m3 und besonders vorzugsweise mehr als 200 kg/m3 beträgt. Insbesondere bei einem Transportbeton der Expositionsklasse XC1 ist es demzufolge möglich, dass der Anteil an inerten Zusatzstoffen, beziehungsweise der Anteil an Kalksteinmehl mit mehr als 200 kg/m3 deutlich höher ist als der Anteil an Zement, der deutlich kleiner sein kann und beispielsweise nur 140 kg/m3 betragen kann.
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Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Eigenschaften für die Verarbeitung und die sich einstellende mechanische Belastbarkeit eines erfindungsgemäßen Transportbetons erreicht werden, wenn der Gesamtvolumenanteil des Zementleims zwischen 270 Liter/m3 und 290 Liter/m3, vorzugsweise zwischen 275 Liter/m3 und 285 Liter/m3 und besonders vorzugsweise 280 Liter/m3 beträgt. Dies bedeutet, dass der Volumenanteil des Zements zusammen mit den reaktiven Zusatzstoffen und den inerten Zusatzstoffen sowie des Wassers etwa 280 Liter/m3 beträgt. Da das Verhältnis zwischen Zement einerseits und Wasser andererseits innerhalb eines engen Bereichs vorgegeben ist, führt ein vorgegebener Volumenanteil des Zementleims in Verbindung mit einem hohen Anteil an inerten Zusatzstoffen dazu, dass die komplementären Anteile von Zement, von reaktiven Zusatzstoffen und von Wasser in Abhängigkeit von dem hohen Anteil an Kalksteinmehl entsprechend reduziert werden können und gering sind.
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Es hat sich gezeigt, dass weitgehend unabhängig von den jeweiligen Anforderungen, beziehungsweise den vorgegebenen Expositionsklassen und Festigkeitsklassen ein Anteil an Wasser 130 kg/m3 und 140 kg/m3, vorzugsweise zwischen 133 kg/m3 und 135 kg/m3 besonders vorteilhaft ist. Dabei ergeben sich deutlich geringere Schwindverkürzungen als bei herkömmlichen Transportbeton. Die verminderte Schwindneigung resultiert aus dem geringen Anteil an Wasser und der Reduzierung der reaktiven Anteile, beziehungsweise der Anteile von Zement und reaktiven Zusatzstoffen im Transportbeton. Die verminderte Schwindneigung ist besonders bei Transportbetonen von Vorteil, da hier im Gegensatz zu Betonfertigteilen oftmals große Bauteile hergestellt werden, die aufgrund der Verformungsbehinderung zur Ausbildung von Rissen infolge Schwindens und abfließender Hydratationswärme neigen.
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Insbesondere bei der Herstellung verformungsbehinderter und massiger Bauteile zeigt sich ein weiterer und besonders positiver Effekt, demzufolge im Vergleich mit herkömmlichen Transportbeton eine deutlich verringerte Hydratationswärmeentwicklung stattfindet. Gegenüber den herkömmlichen Transportbetonen reduziert sich der gemessene maximale Temperaturanstieg bei Untersuchungen mit ansonsten gleichen Umgebungsbedingungen um mindestens 30 Prozent. Damit verringert sich insgesamt die Gefahr der Rissbildung bzw. die Breite gegebenenfalls auftretender Risse.
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Um die für einen Transportbeton notwendigen Verarbeitungseigenschaften über einen möglichst langen Zeitraum ab der Herstellung des Transportbetons in einem zentralen Betonwerk zu ermöglichen und dadurch eine großräumige Verteilung des zentral hergestellten Transportbetons auf umliegende Baustellen zu erlauben ist vorgesehen, dass das Fließmittel Polycarboxylatether enthält und das der Anteil des Fließmittels mindestens 2 kg/m3 beträgt.
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Durch die Verwendung und Beimischung eines ausreichend hohen Anteils eines geeigneten Fließmittels können gezielt die Verarbeitungseigenschaften beeinflusst und verbessert werden. Das Fließmittel hat aufgrund des geringen Anteils an dem Transportbeton keine nennenswerten Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Transportbetons bzw. auf die bemessungsrelevante 28-Tage-Druckfestigkeit.
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In der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle 1 sind für eine Tonne Transportbeton die Bereiche von Anteilen der einzelnen Komponenten in Abhängigkeit von exemplarisch ausgewählten Expositionsklassen und Festigkeitsklassen zusammengestellt: Tabelle 1:
| Expositionsklasse | XC1, XC2 | XC3 | XC4, XF1, XA1 |
| | (Innenbauteil) | (Außenbauteil nicht direkt bewittert) | (Außenbauteil direkt bewittert) |
| Zementgehalt | 140–200 kg | 160–210 kg | 180–220 kg |
| Reaktives Material (*) | 160–220 kg | 185–235 kg | 210–250 kg |
| Wassergehalt | 125–150 kg | 125–150 kg | 125–150 kg |
| Volumen reaktives Material und Wasser | ≈ 230 Liter | ≈ 230 Liter | ≈ 230 Liter |
| Mehlkorn (**) | 350–370 kg | 350–370 kg | 350–370 kg |
| Volumen Mehlkorn und Wasser | ≈ 280 Liter | ≈ 280 Liter | ≈ 280 Liter |
| Geeignetes Fließmittel | PCE; > 2 kg | PCE; > 2 kg | PCE; > 2 kg |
| Konsistenzklasse | F4–F6 | F4–F6 | F4–F6 |
| Festigkeitsklasse | C20/25 | C25/30 | C30/37 |
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Es sind verschiedene Zementmischungen bekannt und handelsüblich erhältlich, die neben einem Anteil von Portlandzementklinker bereits dieser Zementmischung beigefügte Anteile von Hüttensand und von Flugasche enthalten. Zusätzlich können bei der Herstellung des Transportbetons weitere Anteile von Hüttensand oder von Flugasche nachträglich beigemischt werden. Mit der Bezeichnung „reaktives Material“ (*) werden unabhängig von der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe die sich insgesamt ergebenden Anteile von Portlandzementklinker und weiteren reaktiven Zusatzstoffen zusammengefasst, die im vorliegenden Fall Hüttensand und Flugasche sind. In entsprechender Weise werden mit der Bezeichnung „Mehlkorn“ (**) die feinkörnigen Anteile des reaktiven Materials (Portlandzementklinker und Hüttensand und Flugasche) und der inerten Zusatzstoffe, in diesem Fall Kalksteinmehl, zusammengefasst.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann ohne größere Modifikationen mit verschiedenen Gesteinskörnungen verwendet werden. Das Größtkorn kann beispielsweise 32 mm, aber auch 16 mm oder 8 mm betragen. Gegebenenfalls ist eine geringfügige Anpassung des Leimgehalts vorteilhaft, um in Abhängigkeit von der im Einzelfall verwendeten Gesteinskörnung die Festigkeitseigenschaften positiv zu beeinflussen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Beispielen näher erläutert, die experimentell untersucht und bestätigt wurden.
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Die Untersuchungen konnten belegen, dass bei wenig beanspruchten Innenbauteilen der Expositionsklasse XC1 und der Festigkeitsklasse C20/25 der Zementgehalt auf etwa 140 kg/m3 und der Wassergehalt auf etwa 125 kg/m3 reduziert werden können, sofern ein entsprechend hoher Anteil von Kalksteinmehl von bis zu 210 kg/m3 dem Zementleim beigemischt wird. Der Volumenanteil des Zementleims beträgt dabei nahezu unabhängig von den jeweiligen Verwendungszwecken und Anforderungen etwa 280 Liter/m3.
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In den nachfolgenden zwei Tabellen 2 und 3 sind sowohl für Innenbauteile (Expositionsklasse XC1) als auch für Außenbauteile (Expositionsklassen XC4) in Abhängigkeit von verschiedenen als Ausgangsstoff für die Transportbetonherstellung verwendeten Zementarten exemplarische Mischungsverhältnisse für die erfindungsgemäßen Transportbetone mit einem sehr geringen Zementgehalt zusammengestellt: Tabelle 2:
| Mischung | Transportbeton I.XC1 | Transportbeton II.XC1 | Transportbeton III.XC1 | Referenzbeton I.XC1 |
| Zement | CEM I 52,5 R | CEM II/A-S 52,5 N | CEM III/B 42,5 N | CEM I 32,5 R |
| Expositionskl. | XC1 | XC1 | XC1 | XC1 |
| Zement [kg/m3] | 140 | 140 | 180 | 260 |
| Kalksteinmehl [kg/m3] | 210 | 210 | 160 | 0 |
| Flugasche [kg/m3] | 21 | 21 | 27 | 40 |
| Wasser [kg/m3] | 134 | 134 | 134 | 175 |
| Fließmittel | PCE (Mapei) | PCE (Mapei) | PCE (Mapei) | |
| Festigkeit | C20/25 | C20/25 | C20/25 | C20/25 |
Tabelle 3:
| Mischung | Transportbeton I.XC4 | Transportbeton II.XC4 | Transportbeton III.XC4 | Referenzbeton I.XC4 |
| Zement | CEM I 52,5 R | CEM II/A-S 52,5 N | CEM III/B 42,5 N | CEM I 32,5 R |
| Expositionskl. | XC4, XF1, XA1 | XC4, XF1, XA1 | XC4, XF1, XA1 | XC4, XF1, XA1 |
| Zement [kg/m3] | 180 | 180 | 220 | 310 |
| Kalksteinmehl [kg/m3] | 140 | 140 | 120 | 0 |
| Flugasche [kg/m3] | 50 | 50 | 30 | 50 |
| Wasser [kg/m3] | 134 | 134 | 134 | 179 |
| Fließmittel | PCE (Mapei) | PCE (Mapei) | PCE (Mapei) | |
| Festigkeit | C30/37 | C30/37 | C30/37 | C30/37 |
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Die Untersuchungen haben ergeben, dass bei Innbauteilen (Beispiel 1) eine Verringerung des Zementgehalts von üblicherweise 260 kg/m3 auf etwa 140 kg/m3 möglich ist. Gegenüber dem in Tabelle 2 als Referenzwert angegebenen Transportbeton I.XC1 auf Basis eines CEM I-Zements, der handelsüblich ist und die für eine Bauzulassung erforderlichen Normierungen und Vorschriften erfüllt, wurde ein Anteil an gemahlenem Kalksteinmehl von mehr als 160 kg/m3 und bis zu 210 kg/m3 beigemischt. Gleichzeitig konnte der Anteil des Zements und des Wassers jeweils deutlich reduziert werden.
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Bei einem für Außenbauteile geeigneten Transportbeton (Beispiel 2) können gemäß Tabelle 3 der Zementgehalt von etwa 310 kg/m3 auf 180 kg/m3 und der Wasseranteil von etwa 180 kg/m3 auf etwa 135 kg/m3 verringert werden. Es wurden jeweils 120 kg/m3 bzw. 140 kg/m3 Kalksteinmehl beigemischt.
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Die Verarbeitungseigenschaften des noch fließfähigen Transportbetons konnten durch die Zugabe eines geeigneten Fließmittels vorteilhaft beeinflusst werden, sodass zumindest vergleichbar gute Verarbeitungseigenschaften erreicht werden.
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Die aus dem erfindungsgemäßen Transportbeton mit einem geringen Zementgehalt hergestellten Bauteile haben mindestens vergleichbar gute und in einigen Fällen bessere mechanische Eigenschaften als Bauteile aus einem üblichen Werksbeton aufgewiesen.