DE3526455A1 - Thermisch bestaendiger beton (basalt/quarz-beton) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft thermisch beständigen Beton mit hoher Festigkeit im Temperaturintervall von 20° bis 300° Celsius für Spannbeton-Reaktordruckbehälter, insbesondere für Hochtemperatur-Kernreaktoren, bestehend aus einem mit wasserdurchsetzten Gemenge von hydraulischem Zement, Betonzuschlag und Zusatzstoffen, wahlweise Zusätzen wie Dispergiermittel, Verzögerer, Fließmittel und Flüssigkeitsverluststeuermittel.

Gemäß DIN 1045 wird unter Beton ein Baustoff verstanden, der aus Zement, Betonzuschlag und Wasser hergestellt wird und dem zur Beeinflussung bestimmter Betoneigenschaften auch Betonzusätze zugegeben werden können. Dabei bewirkt das Gemisch aus Zement und Wasser beim erhärteten Beton die Verkittung und Verklebung der Zuschlagkörner und damit das Zustandekommen der Festigkeit. Dabei ist zu beachten, daß sowohl die Art als auch die Körnung des Betonzuschlags von wesentlicher Bedeutung für die erzielbare Festigkeit des erhärteten Betons ist.

Während Beton üblicherweise keinen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist - sieht man von der freigesetzten Lösungswärme beim Erstarrungs- und Aushärtevorgang ab -, muß beim Einsatz von Beton als Baustoff für Spannbeton- Reaktordruckbehälter für Kernreaktoren, insbesondere für Hochtemperatur-Reaktoren, aus sicherheitstechnisch relevanten Gründen eine Temperaturbeanspruchung angenommen werden. Daher ist in diesen Fällen die Betonzusammensetzung so festzulegen, daß die Festigkeitseigenschaften des Betons, welche der konstruktiven Auslegung zugrundeliegen, durch die Temperaturbeanspruchung nicht unzulässig beeinträchtigt werden.

Grundsätzliches über die Betonzusammensetzung ist aus dem Beton-Kalender 1979, Teil 1, bekannt. Danach ist Betonzuschlag aus Gestein mit nicht zu großer und sich nur möglichst wenig ändernder Wärmedehnung zu verwenden. Neben der Gesteinsart ist bei der Festlegung auch die Körnung, das heißt die Korngröße und deren Verteilung, des Betonzuschlags von großem Einfluß auf die Festigkeit des Betons. Der Zuschlag soll möglichst grobkörnig aber auch hohlraumarm und nicht zu sandreich sein, so daß er einen möglichst geringen Wasser- bzw. Zementleimbedarf aufweist.

In gleichem Maße soll der Beton aber auch möglichst gut verarbeitbar sein, das heißt, die Einbringung des Betons in die jeweilige Konstruktion soll problemlos erfolgen können. Hierbei ist auf gute Verdichtung des Betons zu achten, damit keine festigkeitsmindernden Hohlräume entstehen können.

Diese zum Teil gegenläufigen Anforderungen an den Zuschlag führen in der Regel zu Gemischen von Betonzuschlag unterschiedlicher Körnung, welche entweder mittels genormter Grenzsieblinien nach DIN 1045 oder über den Wasseranspruch oder mit Summenkennwerten für die Kornverteilung charakterisiert werden.

Neben diesen vorstehend behandelten Einflußgrößen, welche in erster Linie die Zusammensetzung des Betons betreffen, sind auch verarbeitungs- und herstelltechnische sowie wirtschaftliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Im Hinblick auf optimale Verarbeitung des Frischbetons werden im allgemeinen Zusatzmittel wie Fließmittel, Verzögerer oder Dispergiermittel eingesetzt, um so die Verarbeitungseigenschaften des Betons im erforderlichen Maß zu beeinflussen.

Herstelltechnische Gesichtspunkte betreffen die ausreichende Versorgung mit den erforderlichen Bestandteilen des Betons, insbesondere mit dem Betonzuschlag sowie auch die Herstellsicherheit.

Ein Problem bietet die bei der Hydratation freiwerdende Wärme, die zu einer Temperaturerhöhung in massigen Bauteilen, wie Spannbeton-Reaktordruckbehälter mit dickwandiger Betonhülle, führt. Hierdurch verursachte Temperaturspannungen können unter Umständen Risse im Beton zur Folge haben.

Die jeweilige Temperaturerhöhung und der Temperaturverlauf hängen im wesentlichen von der Hydratationswärme des Zements, vom Zementgehalt des Betons, von der Frischbetontemperatur, vom Erhärtungsfortschritt und von den Bauteilabmessungen ab.

Anzustreben ist im allgemeinen ein Beton mit niedriger Frischbetontemperatur und möglichst geringer und langsamer Wärmeentwicklung.

Die niedrige Frischbetontemperatur kann auf verschiedene Art erreicht werden, z. B. durch Verwendung von gekühltem Anmachwasser, durch Zugabe von Eisstücken zum Zuschlag oder durch Verwendung von flüssigem Stickstoff. Die Wahl der zweckmäßigen Ausgangsstoffe jedoch sowie die zweckmäßige Betonzusammensetzung ist nicht nur auf die Temperatureigenschaften des Betons auszurichten sondern auch von der geforderten Festigkeit und den jeweiligen Gegebenheiten der Konstruktion abhängig.

Als weiteres Kriterium ist noch die Wärmeleitung bzw. das Wärmespeichervermögen des Betons während seiner Nutzungsdauer in Betracht zu ziehen.

Bei Verwendung von Beton in Kernreaktoren ist außerdem die Absorptionsfähigkeit für radioaktive Strahlung von Bedeutung. Beim Bau von Spannbetonbehältern für Reaktoren von Kernkraftwerken ist neben dem Strahlungswiderstand des Betons während der Strahlungsdauer auch seine Rohdichte, der Wassergehalt des Betons bei hohen Temperaturen sowie der Einfluß der Temperaturen auf das spezifische Kriechmaß von lufttrockenem und vor dem Austrocknen geschützten Beton bei einachsiger oder mehrachsiger Druckbeanspruchung sowie die Dauerstandfestigkeit dieses Betons bei mehrachsiger Druckbeanspruchung von Wichtigkeit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen thermisch beständigen Beton anzugeben, der im Temperaturintervall von 20 bis 300° Celsius sowohl hohe Festigkeitswerte aufweist, die sich auch nach langer Nutzungsdauer nicht unzulässig verändern, als auch gleichzeitig gut verarbeitbar und wirtschaftlich herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Danach ist vorgesehen, die Zusammensetzung so zu wählen, daß der Beton eine Frischbetonrohdichte von mehr als 2300 kg/m³ aufweist. Hierzu wird der Anteil des Betonzuschlags auf einen Wert von 72 auf 78% bezogen auf die Frischbetonrohdichte festgelegt. Der Betonzuschlag besteht zu gleichen Teilen aus Quarzkies mit einer Körnung 0 bis 8 mm und Basaltsplitt mit einer Körnung 8 bis 16 mm nach Sieblinie Fig. 1. Der Wasserzementwert, das ist das Verhältnis des Wassergehalts zum Zementanteil, wird auf 0,45 festgelegt. Damit wird einerseits nach Zugabe des Fließmittels ausreichende Verarbeitbarkeit des Betons gewährleistet, als auch andererseits die gewünschte Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, erreicht. Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft den Mehlkorngehalt, der mit 27,5 +- 1% des Zuschlags festgelegt ist. In diesem Zusammenhang wird dem Beton als Zusatzstoff Flugasche beigemischt. Vorzugsweise ist hierfür EFA-Füller Typ BMII vorgesehen.

Bei einer angestrebten Frischbetonrohdichte von 2480 kg/m³ beträgt der Zementanteil 390 kg/m³ und der Anteil an zugesetzter Flugasche 60 kg/m³.

Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft Hochofenzement der Festigkeitsklasse HOZ45L gemäß DIN 1164 einzusetzen. Zur Erreichung ausreichender Verarbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Betonmischung kann dem Beton ca. 1,2% Fließmittel beigefügt werden. Um die Verarbeitbarkeit des Frischbetons zu verlängern ist es vorteilhaft der erfindungsgemäßen Betonmischung auch 0,2% Verzögerer zuzusetzen.

Als zweckmäßig haben sich hierbei Sikament 20 als Fließmittel und Plastiment Retarder als Verzögerer erwiesen.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sollen anhand eines konkreten Beispiels die Vorteile und Verbesserungen der Erfindung gezeigt werden.

Eine Reihe von Untersuchungen mit dem Ziel, die thermische Beständigkeit unterschiedlicher Betonzusammensetzungen zu erfassen, zeigt hinsichtlich der Festigkeit in dem interessierenden Temperaturbereich mehrere etwa gleichwertige Betonmischungen (Tabelle 2).

Im Hinblick auf die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gilt es jedoch auch die Aspekte wirtschaftlicher Herstellung, insbesondere im Hinblick auf die kostengünstige Bereitstellung der erforderlichen Bestandteile, als auch der sicheren Verarbeitbarkeit zu betrachten.

In diesem Zusammenhang erhält die örtliche Lage des Herstellorts bzw. des Verarbeitungsorts, das heißt z. B. Betonwerk oder Baustelle, ebenso große Bedeutung wie die konstruktive Gestaltung der herzustellenden Baustruktur. Die Bedeutung der örtlichen Lage resultiert aus dem großen Bedarf an Zuschlagstoffen und dessen Deckung. Wie bereits erwähnt wurde, sind Spannbeton-Reaktordruckbehälter, wie sie für Kernreaktoren, insbesondere Hochtemperatur- Kernreaktoren, benötigt werden, Betonkörper mit großer Wanddicke. Zu ihrer Herstellung wird demgemäß ein großes Volumen an Frischbeton benötigt, welches mehrere 1000 m³ beträgt. Ferner ist zu berücksichtigen, daß das benötigte Betonvolumen kontinuierlich bereitzustellen ist bei gleichbleibender Qualität und Verarbeitbarkeit. Insbesondere das Einbringen von Beton in Bauteilen mit dichter Bewehrung erfordert einen relativ hohen Verdichtungsaufwand, da anderenfalls Fehlstellen in der Betonstruktur nicht auszuschließen sind. Auf derart schwierige Verarbeitungsverhältnisse, wie sie bei einem Spannbeton- Reaktordruckbehälter für Kernreaktoren normal sind, zugeschnitten, ist die Zusammensetzung des Betonzuschlags so festgelegt, daß je zur Hälfte Basaltsplitt und Quarz, sogenannter Kiessand, als Betonzuschlag zum Einsatz kommen. Dabei ist vorgesehen, den Basaltsplitt, der herstellungsbedingt eine kantige und unregelmäßige Kontur des einzelnen Korns aufweist, mit der größeren Korngruppe von 8 bis 16 entsprechend Sieblinie Fig. 1 einzusetzen, während für den Kiessand die Korngruppe 0 bis 8 entsprechend Sieblinie Fig. 1 vorgeschrieben ist. Diese Vorschrift erfüllt einen doppelten Zweck. Einerseits wird durch Verwendung von Basalt, der gemäß DIN 52100 gegenüber Quarz höhere Druckfestigkeitswerte aufweist, aufgrund der gebrochenem Form der Körner die Biegezugfestigkeit des Betons begünstigt, wobei die festgelegte maximale Konrgröße von 16 die Verarbeitbarkeit auch bei sehr dichter Bewehrung ausreichend gut zuläßt; andererseits bedeutet der Einsatz von feinkörnigem Quarz sowohl eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit als auch durch den aufgrund der festgelegten Sieblinie erhaltenen Anteil an Mehlkorn (Durchmesser kleiner 0,25 mm) eine Verbesserung der Betonfestigkeit bei höheren Temperaturen. Die unter hydrothermalen Bedingungen stattfindende Reaktion des Quarzmehls und der Flugasche mit dem Kalziumhydroxid ergibt eine Festigkeitssteigerung durch Kalksilikatbildung.

Der vorstehend bereits angegebene Mehlkorngehalt von etwa 20% der Frischbetonrohdichte setzt sich zusammen aus dem Zementanteil und den beiden je gleichgroßen Anteilen an zugesetzter Flugasche und dem Mehlkorn des Quarzzuschlags von je 60 kg. Auf diese technisch einfache Weise kann ein unwirtschaftlicher Mehrbedarf an Zement vermieden werden, da er durch die Bindefähigkeit des Mehlkorns insgesamt kompensiert wird.

Die Betonzusammensetzung entsprechend der Erfindung ist bestens geeignet, die Anforderungen an gute Warmfestigkeit im Temperaturintervall von 20° Celsius bis 300° Celsius zu erfüllen. Darüber hinaus ist aber auch eine kostengünstige wirtschaftliche Herstellung sowohl der Betonmischung als auch der daraus gefertigen Spannbeton- Reaktordruckbehälter für Kernreaktoren gewährleistet, da aufgrund der erfindungsgemäßen Mischkörnung des Betonzuschlags sowie der festgelegten Gewichtsanteile von Zement, Betonzuschlag und Zusatzstoffen opitmale Verarbeitungsbedingungen eingehalten werden.

Tabelle 1

Claims (9)

:Patentanüche

1. Thermisch beständiger Beton mit einer Frischbetondichte von wenigstens 2300 kg/m³ mit hoher Festigkeit im Temperaturintervall von 20° bis 300° Celsius für Spannbeton-Reaktordruckbehälter für Kernreaktoren, insbesondere für Hochtemperatur-Kernreaktoren, bestehend aus einem mit Wasser durchsetzen Gemenge von hydraulischem Zement, Betonzuschlag und Zusatzstoffen, wahlweise Zusätzen wie Dispergiermittel, Verzögerer, Fließmittel, gekennzeichnet durch folgende Merkmale
a) der Beton hat eine Frischbetonrohdichte zwischen 2300 und 2800 kg/m³,
b) der Zuschlag besteht zu gleichen Teilen aus Quarz mit Körnung 0/8 und Basaltsplitt mit Körnung 8/16 nach Sieblinie Fig. 1 und Tab. 1 und beträgt zwischen 72 und 78% der Frischbetonrohdichte,
c) als Zusatzstoff ist Flugasche vorgesehen,
d) der Wasserzementwert beträgt 0,45,
e) das Gemenge weist einen Mehlkorngehalt von 27,5 des Zuschlags auf,
f) als Zusatzmittel sind Erstarrungsverzögerer mit 0,2% und Betonverflüssiger mit 1,2% der Frischbetonrohdichte vorgesehen.

2. Thermisch beständiger Beton gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischbetonrohdichte 2480 kg/m³ +- 60 kg/m³ beträgt.

3. Thermisch beständiger Beton gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff EFA-Füller Typ BMII vorgesehen ist.

4. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Flugasche 60 kg je m³ Frischbeton beträgt.

5. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an hydraulischem Zement zwischen 14 und 18% der Frischbetonrohdichte beträgt.

6. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an hydraulischem Zement ca. 16% der Frischbetonrohdichte beträgt.

7. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als hydraulischer Zement Hochofenzement vorgesehen ist.

8. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydraulischer Zement Hochofenzement der Festigkeitsklasse HOZ45L vorgesehen ist.

9. Thermisch beständiger Beton nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Quarzmehl (Korngröße bis 0,25 mm) 60 kg je m³ Frischbeton beträgt.