DE19654502A1 - Hochfester Beton mit verbesserter Duktilität und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Hochleistungsbetone, die unter Verwendung von Betonzusatz­ mitteln und -stoffen hergestellt werden, zeichnen sich u. a. durch erhöhte Festigkeiten aus. Durch die Verwendung von Fließmitteln wird bei gleicher Verarbeitbarkeit ein niedriger Wasser-Zement- Wert (w/z) erreicht. Der Einsatz von Mikrofüllern, vornehmlich wird hier Microsilica, ein Nebenprodukt der Ferro-Silicium-Pro­ duktion verwendet, dient der feineren Abstimmung der Gefügestruk­ tur. Diese Mikrofüller bewirken drei Effekte, die im wesentlichen für die Festigkeitssteigerung der Betone verantwortlich sind.

Zum einen kann durch die geringe Teilchengröße des Micro­ silica (d= 0,1 um) der Porenraum zwischen den Zementkörnern ver­ füllt und somit eine dichtere Gefügestruktur erzielt werden. Wei­ terhin werden durch die puzzolanische Reaktion des Microsilicas mit Calciumhydroxid (CH) Calciumsilikathydrate (CSH) gebildet, die ebenfalls eine Steigerung der Festigkeiten bewirken. Außerdem wird der Calcium- und Ettringitgehalt in der Kontaktzone zwischen Matrix und Zuschlag verringert. Diese Verbesserung des Verbundes führt zu den bekannten Bruchbildern von Hochleistungsbetonen, bei denen, im Gegensatz zu normalfesten Betonen, der Bruch durch die Zuschlagskörner hindurch verläuft. Hierbei entstehen weniger rauhe Bruchflächen, die Verzahnung der Rißufer wird wesentlich verringert.

Hochfeste Betone zeigen unter Druckbelastung ein lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten bis ca. 90% der Festigkeit. Die einsetzende Mikrorißbildung löst einen überproportionalen Zuwachs der Stauchung aus und führt, aufgrund des hohen elastischen Ener­ gieniveaus, zu einem plötzlichen, explosionsartigen Versagen der Struktur. Die erreichten Grenzstauchungen liegen deutlich unter den Werten für Normalbeton.

Dieser Problematik wurde bisher durch eine Erhöhung der Um­ schnürungsbewehrung begegnet. Durch die Anordnung einer solchen Querbewehrung wird die Aufweitung von Rissen verhindert bzw. in­ nerhalb der Umschnürung ein dreiachsiger Spannungszustand er­ zeugt, der eine Erhöhung der Duktilität bewirkt. Untersuchungen an zentrisch belasteten Druckgliedern zeigten jedoch, daß eine merkliche Steigerung der Verformungsfähigkeit des abfallenden Astes der Spannungsdehnungslinie erst ab Bewehrungsgraden von 2 Vol.-% bei Rechteckstützen, bzw. 3 Vol.-% bei Rundstützen er­ reicht werden kann. Um ein plötzliches Versagen der Struktur durch Abplatzen der Betondeckung und anschließende Schrägrißbil­ dung (Bildung eines lokalen Schubbruchbandes) zu verhindern, müßte der Querbewehrungsgrad mindestens 6 Vol.-% betragen.

Auch die Zugabe von Stahlfasern, die eine merkliche Erhöhung der Abrißfestigkeit von Beton bewirkt, wurde bereits untersucht. Es zeigte sich, daß erst ab einem Zusatz von 10 Vol.-% eine merk­ liche Steigerung der Duktilität von Druckgliedern aus Hochlei­ stungsbeton erreicht werden kann. Solche Fasermengen sind aber nur mit Spezialverfahren einzubringen, die weder wirtschaftlich noch baupraktisch sinnvoll sind.

Es ist weiterhin bekannt, den hochfesten Betonen Polypropy­ lenfasern zuzusetzen, um das Verhalten des Betons im Brandfall zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hochfesten Beton zur Verfügung zu stellen, dessen Duktilität gegenüber be­ kannten hochfesten Betonen trotz einem geringeren Zusatz an anor­ ganischen Fasern, insbesondere von Stahlfasern, wesentlich ver­ bessert ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein wirtschaft­ liches und baupraktisch sinnvolles Herstellungsverfahren für ei­ nen derartigen Beton anzugeben.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels eines hoch­ festen Betons gemäß der Lehre des Anspruchs 1 bzw. mittels eines Verfahrens gemäß der Lehre des Anspruchs 2 gelöst.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch die kom­ binierte Zugabe von anorganischen Fasern, insbesondere von Stahl­ fasern, und von organischen Fasern, insbesondere von Polypro­ pylenfasern, in den im Anspruch 1 angegebenen Mengen eine ent­ scheidende Erhöhung der Duktilität des hochfesten Betons erzielt werden kann. Durch die Zugabe des Fasergemisches wird ein verfor­ mungsfähiger abfallender Ast der Spannungsdehnungslinie meßbar, der dem normalfester Betone ähnlich ist. Ein merklicher Abfall der Festigkeiten durch den Einsatz des Fasergemisches konnte nicht festgestellt werden.

Das Bruchverhalten von Hochleistungsbetonen mit diesen Faser­ zusätzen kündigt sich durch verstärkte Rißbildungen und einem überproportionalen Anwachsen der Stauchungen an. Der Werkstoff reduziert seine Tragfähigkeiten unter stetiger Zunahme der Stau­ chung. Dieser Prozeß läuft unter verformungsgesteuerter Beanspru­ chung stabil, ein schlagartiges Versagen ist ausgeschaltet. Es werden Grenzstauchungen erreicht, die denen eines Normalbetons entsprechen.

Das Versagen von Beton unter Druckspannung läßt sich mecha­ nisch durch eine Kombination aus Seperationsrißbildung und Aus­ bildung eines lokalen Schubbandes erklären. Dabei bewirkt die Se­ perationsrißbildung eine Zunahme der Umfangsstauchung und Schwä­ chung der Struktur, während erst die Ausbildung des lokalen Schubbruchbandes zum Kollaps des Systems führt.

Die Wirkung der beiden Fasern läßt sich anhand nachstehender Modellvorstellung veranschaulichen:

Aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls der organischen Fa­ ser im Vergleich zur Betonmatrix wirkt diese Faser als innere Fehlstelle. Sie beschleunigt die über den Umfang verteilte Bil­ dung energiedissipierender Mikrorisse. Die vorhandenen anorgani­ schen Fasern "vernähen" diese Mikrorisse und führen zu einer kon­ tinuierlichen und stabilen Aufweitung der Risse im weiteren Be­ lastungsverlauf. Dies führt zu einer stetigen Abnahme der System­ steifigkeit unter Vergrößerung der Rißbreiten. Das hohe Energie­ niveau im Bereich der Festigkeit wird durch Reibung der durch die organischen Fasern initiierten Mikrodefektflanken, bzw. durch die Rißvernähung der anorganischen Fasern dissipiert. Es wird nicht nur das explosionsartige Versagen der Strukturen aus Hochlei­ stungsbeton vermieden, Druckglieder kündigen das Erreichen der Festigkeit durch Rißbildung rechtzeitig an und sind ausreichend verformungsfähig, um sich einer Überbelastung zu entziehen und damit eine Lastumlagerung auf Bauteile mit ausreichenden Trag­ fähigkeitsreserven im Tragwerk zu ermöglichen.

Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn dem hochfesten Beton maximal 120 kg/m³ einer ausreichend verankerungsfähigen Stahlfaser und mindestens 2 kg/m³ Polypropylenfasern zugesetzt werden.

Da die Fasern dem Beton während des Mischvorgangs zugegeben werden, können im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik be­ kannten Verfahren die typischen Baustellenabläufe beibehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem kostengünstiger und gestattet die Herstellung vertikaler Bauteile, wie z. B. Pfeiler, sowie horizontaler Bauteile und Kombinationen davon. Nach den bekannten Verfahren können nur horizontale Bauteile, wie z. B. Platten, hergestellt werden.

Claims (2)

1. Hochfester Beton mit verbesserter Duktilität, anorganische Fasern, insbesondere Stahlfasern enthaltend, dadurch gekennzeich­ net, daß er maximal 200 kg/m³ eine ausreichend verankerungsfähi­ gen anorganische Faser, insbesondere einer Stahlfaser, und mindestens 1 kg/m³ einer organischen Faser, insbesondere einer Polypropylenfaser, mit geringem Elastizitätsmodul enthält.

2. Verfahren zur Herstellung des hochfesten Betons gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern den Beton wäh­ rend des Mischvorgangs zugefügt werden.