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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Beton, und einen Glasfüllstoff, der vorzugsweise aus Altglas besteht, zur
Verwendung in diesem Verfahren.
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Beton besteht im wesentlichen aus Zement, Sand, Stein und Wasser.
Sand und Stein sind Materialien, die zu einer Gruppe gehören, die als
Zuschlagstoffe bezeichnet wird. Zuschlagstoffe umfassen eine Anzahl
verschiedener Materialien, und die meisten von ihnen werden im Hinblick auf die
Korngrößenverteilung und Korngröße in Untergruppen unterteilt. Zusätzlich
zu diesen Materialien können auch chemische Zusatzstoffe zugegeben werden,
um die Eigenschaften des Betons in der gewünschten Richtung zu
beeinflussen.
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Die Erfindung betrifft ein neues, charakteristisches Material und
seine Verwendung zur Herstellung von Beton als Ersatz eines Teils der
Zuschlagstoffe. Dieses Material umfaßt zerkleinertes und gemahlenes Altglas
mit einer bestimmten Zusammensetzung und Teilchengrößenverteilung. Das
Material wird nachfolgend als Glasfüllstoff bezeichnet. In der
Betontechnologie bedeutet der Ausdruck Füllstoff einen Zuschlagstoff, der aus
zerkleinertem oder unzerkleinertem Gestein mit einer Kornfraktion von 0 bis 0,25
mm besteht. Für diese Fraktion wird auch die Bezeichnung 0 bis 0,25 mm-
Betonzuschlag verwendet.
Stand der Technik
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Füllstoffe in Beton können in reaktive und nicht-reaktive (inerte)
Materialien unterteilt werden. Ein reaktiver Füllstoff ist an chemischen
Reaktionen mit dem Zementbrei beteiligt, während ein nicht-reaktiver
Füllstoff bloß als dispergiertes festes Material in der Zementmatrix vorhanden
ist.
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Hälleflinta (Gesteinsplattenflint)-Zuschlagstoff ist ein Beispiel für
einen reaktiven Zuschlagstoff. Hälleflinta, der Alkali-reaktive Kieselsäure
enthält, stellt ein Problem dar, weil er mit Alkali aus dem Zement
reagiert. Wenn man Beton herstellt unter Verwendung von Hälleflinta, einem
allgemein auftretenden Gesteinstyp, und einem hochalkalischen Zement, oder
wenn man eine andere Alkaliart zugibt, wird im Beton ein quellendes
Kieselsäuregel ausgebildet, und dieses Gel kann eine Rißbildung und verringerte
Festigkeit hervorrufen.
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Wenn man Beton auf übliche Weise herstellt, werden zusätzlich zum
Zement zementähnliche Bindemittel, sogenannte Pozzolane, in Form feiner
Zuschläge verwendet. Diese Substanzen umfassen
Kieselsäure/Siliciumdioxidenthaltende Materialien.
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Es ist bekannt, daß, wenn die Teilchengröße des verwendeten Pozzolans
abnimmt, die Gesamtmenge an Wasser, die zum Beton zugegeben werden muß,
steigt. Dies wurde ebenfalls als Problem betrachtet.
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Es ist auch bekannt, in verschiedenen Betonmischungen Glas zu
verwenden.
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Die GB-A-1418056 beschreibt die Verwendung von Altglas als Komponente
bei der Herstellung von Bausteinen aus Beton. Das Glas, das verwendet wird,
besitzt eine angegebene Größe von zwischen 1/2" und 3 Mesh (US-Sieb), d. h.,
es besitzt eine Größenordnung zwischen 600 um und 12,7 mm. Zusätzlich soll
das Glas bis zu 60 Gew.-% der Betonmischung, ausgenommen Wasser, bilden.
Der Beton, der auf diese Weise hergestellt wurde, besitzt jedoch keine
Druckfestigkeit, die etwa an die des erfindungsgemäß hergestellten Betons
herankommt, sondern sie ist viel niedriger.
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SU-A-1395604 beschreibt eine Betonmischung zur Verwendung in der
Bauindustrie. Der Zweck ist es, die Rostbeständigkeit von Beton zu erhöhen.
Die beschriebene Betonmischung umfaßt, in Gewichtsprozent:Zement 33 bis 42;
Zuschlagstoff 30 bis 45; zerkleinerten kristallinen Abfall aus der
Glasfaserproduktion mit Größen von weniger als 0,14 mm, 14 bis 36; und 1 N NaOH
als Rest. Aus den Beispielen in diesem Dokument wird es ersichtlich, daß
die Zumischung der NaOH-Lösung ca. 8% beträgt. Das NaOH wird zugegeben, um
den kristallinen Abfall zu aktivieren. Die in den Experimenten verwendeten
Zuschlagstoffe bestehen aus Quarzsand, Mkp = 2,05, mit einer Größe von bis zu
5 mm. Obwohl die erzielte Druckfestigkeit tatsächlich im gleichen Bereich
liegt, der von dem erfindungsgemäßen Beton erzielt wird, ist das Glas
kristallin, und die verwendete Zusammensetzung ist sehr speziell, da keine
normalen Zusatzstoffe für Beton verwendet werden, und die Menge an
zugegebenem Zement 2 bis 3-mal größer ist als die, die in Beton verwendet wird.
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Die US-A-3823021 beschreibt die Herstellung eines feinen Zuschlages
aus "Glasabfall", wobei das Glas zu einem Zementmörtel zugesetzt wird. Die
angegebenen Beispiele umfassen nicht das Material, das als Stein > 8 mm
bezeichnet wird.
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Die DE-A-19 39 714 gibt allgemein an, daß es möglich sein sollte,
zerkleinertes Glas für Beton und Betonmörtel zu verwenden.
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Die US-A-4997485 diskutiert die Nachteile der Anwendung der
vorstehend genannten patentierten Verfahren, nämlich, daß die Fähigkeit des
Zements, an den glatten Oberflächen des Glases anzuhaften, einen
beträchtlichen Nachteil bildet, und daß das Hantieren mit dem scharfen Glas mit
Risiken verbunden ist. Dies ist der Grund für die anfängliche Behandlung des
Glases, die gemäß dem US-Patent aus einem Tumbling mit Wasser und Quarzsand
besteht. Im Hinblick auf die Größe wird bloß angegeben, daß der Zuschlag
Korngrößen aufweisen sollte, die für die Anwendung geeignet sind, d. h. im
Falle von Beton z. B. zwischen den Siebkurven A32 und B32. Diese Bereiche
werden von der Erfindung der vorliegenden Patentanmeldung nicht umfaßt.
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Das Schwedische Patent SE-A-69367 erwähnt ebenfalls die Verwendung
von Glas als verbessernder Zusatz zu Zementähnlichem Mörtel. Dieses
Verfahren erfordert jedoch den Zusatz von Natriumsilicat (Wasserglas) als
reaktionsfördernde Substanzen.
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Die PCT/FI90/00250 beschreibt Substanzen des sogenannten aktiven
Füllstofftyps. Substanzen dieses Typs unterscheiden sich durch die
Tatsache, daß sie glasähnliches Siliciumdioxid enthalten, das mit dem
Calciumhydroxid, das beim Mischen von Wasser mit Zement gebildet wird, reagiert,
wodurch Verbindungen gebildet werden, die dem Beton Festigkeit verleihen.
Diese Substanzen umfassen z. B. Flugasche aus der Verbrennung von Kohle und
Torf, und Siliciumdioxid, das bei der Herstellung von Silicium erhalten
wird. In Finnland wird z. B. ein Zusatzmaterial für die Herstellung von
Beton verwendet, das einen sogenannten aktiven Füllstoff umfaßt, der aus
einer Mischung aus im wesentlichen trockenen inaktiven und/oder
schwachaktiven Komponenten besteht, die zusammen mit Siliciumdioxid oder einigen
anderen Materialien, die amorphes Siliciumdioxid enthalten, gemahlen werden,
und sogenannte plastifizierende Zusatzstoffe.
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Bei der Herstellung von Beton sind eine Anzahl von Variablen zu
beachten, die für die Dauerhaftigkeit, Druckfestigkeit, Verarbeitbarkeit,
Reaktionen gegenüber Zuschlagstoffen und die Frostbeständigkeit von Bedeutung
sind.
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Eine dieser Variablen ist das Material des Zuschlags, seine
Eigenschaften und Korngrößenverteilung. Viele der Kiesmaterialien, die zur Zeit
verwendet werden, besitzen eine schlechte Feinkornfraktion, d. h., eine
solche, die, der Einfachheit halber, unterhalb eines bestimmten Füllstoffes
ist, d. h. eines Materials mit einer Korngröße von weniger als 0,25 mm.
Die
se Fraktion wurde oft von solchen Stellen, in denen sie vorher vorhanden
war, ausgewaschen oder weggespült oder mußte an Stellen, die eine
nachteilige Verteilung der verschiedenen Kornfraktionen zeigen, ausgetragen
werden. Außerdem ist natürlicher Kies in einigen Gebieten nicht verfügbar, und
es müssen Steinbrocken verwendet werden. Das Material aus den letzteren
wird gestrahlt und dann zerkleinert. Dabei wurde festgestellt, daß es
schwierig ist, ein ausreichend feines Material herzustellen. Wenn man
verschiedene Proben eines natürlichen Füllstoffes variiert, müssen außerdem
diese Proben immer im Hinblick auf die Verteilung der Korngröße getestet
werden.
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Wenn der Anteil an Füllstoff im Zuschlagstoff zu gering ist, werden
die Konsistenz und die Verarbeitungseigenschaften des Betons
verschlechtert, und außerdem zeigt der Beton die Tendenz, sich nach dem Gießen zu
trennen.
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Die wichtigste Variable, die die Festigkeit des fertigen Betons
bestimmt, ist das Verhältnis zwischen Wasser und Zement, die sogenannte
Wasser/Zement-Zahl (wcn). Eine große Menge an Wasser und eine kleine Menge an
Zement ergeben einen mageren Zement, und umgekehrt.
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Es wurde eine Anzahl von Versuchen durchgeführt, in denen dem Beton
Glas zugemischt wurde, aber das Ergebnis bestand oft in einer
verschlechterten Festigkeit, Expansion, geringeren Druckfestigkeit usw. Die Expansion
beruht im Prinzip auf Alkali/Kieselsäure-Reaktionen. Es wurde festgestellt,
daß es möglich ist, dem entgegenzuwirken, indem man unter anderem Flugasche
dem Beton zumischt. In einem Bericht, nach dem Glas als Füllstoff in
Zementmörtel verwendet wurde, wurden einige verbesserte Eigenschaften
erhalten, wie z. B. höhere Druckfestigkeit und verbesserte Abriebbeständigkeit,
andererseits aber auch eine schlechtere Beständigkeit gegenüber Frost und
Auftausalzen, und eine höhere Wasserabsorption; siehe E. Krebs, R.
Sagelsdorff, "Glasfiller erhöht Mörtelqualität" (Glass filler increases mortar
quality), Swiss Materials (1989), Band 1, Nr. 5, Seiten 24-260.
Aufgabenstellungen
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Eine erfindungsgemäße Aufgabenstellung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens, mit dem die Eigenschaften von frischem Beton beim Gießen
verbessert werden können, d. h. eine verbesserte Verarbeitbarkeit erhalten
wird, während die Wasser/Zement-Zahl (wcn) beibehalten wird, oder die
Verarbeitbarkeit bei einem niedrigeren wcn beibehalten wird.
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Eine weitere Aufgabenstellung betrifft ein Verfahren, mit dem im
fertigen Beton eine größere Druckfestigkeit erhalten wird.
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Eine weitere Aufgabenstellung ist die Möglichkeit der Verwendung von
Kies, der die falsche Korngrößenverteilung besitzt, und die Möglichkeit der
Herstellung von Beton der gleichen Qualität unter Verwendung einer
kleineren Gesamtmenge an Kies und einer größeren Gesamtmenge an Stein. Dies
umfaßt auch die Möglichkeit einer Reproportionierung des Betons, damit
weniger Zement erforderlich ist.
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Ein weiteres Ziel ist es, daß es möglich ist, Seesand zu verwenden,
der aufgrund seines geringen Gehaltes an feinem Material < 0,25 mm bisher
zur Verwendung nicht geeignet war.
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Eine zusätzliche Aufgabenstellung ist es, daß es möglich ist, ohne
teure Hilfsfließmittel, sogenannte plastifizierende Zusätze, zu arbeiten.
Diese Mittel werden vorzugsweise prinzipiell vermieden, weil sie teuer sind
und als gesundheitsschädlich betrachtet werden.
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Eine zusätzliche Aufgabenstellung ist es, der Alkali/Kieselsäure-
Reaktion entgegenzuwirken, damit es möglich wird, Zuschlagstoffe zu
verwenden, die Hälleflinta und chemisch ähnliche Substanzen enthalten, während
gleichzeitig die Qualität des Betons beibehalten oder erhöht wird.
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Eine weitere Aufgabenstellung ist es, die Verarbeitbarkeit einer
Beton-Fertigmischung unter Verwendung von zerkleinerten Zuschlagstoffen zu
verbessern.
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Eine weitere Aufgabenstellung ist es, die Stabilität von Schaumbeton
zu erhöhen.
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Eine weitere Aufgabenstellung ist es, die Verarbeitbarkeit sehr
steifer Betonzusammensetzungen (Beton mit Erdfeuchtton-Konsistenz) zu erhöhen.
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Diese Aufgabenstellungen werden durch die Patentansprüche 1 und 6
erreicht.
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Bevorzugte erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind aus den Merkmalen
der Unteransprüche ersichtlich.
Vorteile
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Versuche haben gezeigt, daß Glasfüllstoff-Beton für die gleiche
Wasser/Zement-Zahl eine lockerere Konsistenz ergibt, als die eines
entsprechenden Betons ohne Glasfüllstoff. Dadurch besteht die Möglichkeit der
Verringerung der Wassermenge, wenn der Glasfüllstoff nach den Patentansprüchen
einen Teil des natürlichen Kiesels ersetzt. Wie dies vorstehend erwähnt
wurde, besitzt die Konsistenz des Betons einen wichtigen Einfluß auf die
Möglichkeit, den Beton zu gießen. Ein steifer Beton ist viel schwieriger zu
gießen, d. h. es ist viel schwieriger als mit einem lockeren Beton, mit ihm
die Form zu füllen. Eine niedrigere Wasser/Zement-Zahl ergibt eine höhere
Festigkeit. Zur Verringerung der Wasser/Zement-Zahl werden oft
Wasserreduzierende Zusätze verwendet. Dies ist nicht erforderlich, wenn der
beanspruchte Glasfüllstoff verwendet wird.
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Durch Verringerung der Wassermenge und Aufrechterhalten der
Konsistenz des frischen Betons, in dem der Füllstoff verwendet wird, wurde in
der Festigkeit des Betons eine deutliche Verbesserung erzielt, wobei die
Festigkeit während der Zeit noch zusätzlich zunimmt.
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Es wurde gefunden, daß die Stabilität von Beton mit einer relativ
lockeren Konsistenz durch Zusatz des Glasfüllstoffs gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht werden kann.
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Die Wasser/Zement-Zahl für gewöhnlichen Beton variiert von 0,4 bis
0,7, d. h. der Wassergehalt beträgt 40 bis 70% des Zements. Wenn Beton für
anspruchsvollere Zwecke verwendet wird, wie z. B. für Brücken, liegt der
Wert der Wasser/Zement-Zahl bei ca. 0,40, während der von gewöhnlichem
Gebäudebeton bei 0,65 liegen kann. Im wesentlichen ist dieses Wasser chemisch
gebunden. Es wurde gezeigt, daß, wenn der Glasfüllstoff zugemischt wird,
verbesserte Eigenschaften erreicht werden können, und zwar sowohl im
frischen Zustand als auch im Zustand nach einer Langzeithärtung, und zwar
sogar mit einem verringerten Wassergehalt.
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Durch Zugabe von Glasfüllstoff wurde mit einer sonst identischen
Formulierung eine erhöhte Festigkeit erzielt.
Laboratoriumsversuche
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In den Versuchen wurde zerkleinertes Altglas (0 bis 50 mm) verwendet,
das in verschiedenen Stufen sorgfältig gewaschen wurde, um
Nahrungsmittelreste und Papieraufkleber zu entfernen. Nach dem Waschen wurde das Glas
sorgfältig getrocknet und in einem Backenbrecher auf eine Teilchengröße von
0 bis 10 mm zerkleinert, und danach in einer Jordan-Mühle zu einem feinen
Pulver feinvermahlen. Das Glaspulver wurde durch Sieben in die drei
Fraktionen < 0,074 mm, 0,074-0,125 mm, und 0,125 bis 0,250 mm klassiert. Diese
drei Fraktionen werden zur Herstellung des Glasfüllstoffbetons verwendet.
Es ist wichtig, daß das Glas trocken ist, wenn es dem Beton zugemischt
wird. Sonst würde eine unbekannte Menge an Wasser dem Beton zugegeben, und
diese Menge beeinträchtigt die wcn-Zahl.
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Als Maß für die Feinheit der verwendeten Glasfraktionen wurde die
spezifische Oberfläche gemäß der Methode von Blaine bestimmt.
Tabelle 1 - Spezifische Oberfläche
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Glasfraktion < 0,074 0,074-0,125 0,125-0,250
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Spez. Oberfläche m²/kg 327 118
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Bei der Bestimmung wurde für die grobste Fraktion kein Meßwert
erhalten. Die feinste Fraktion hatte einen Meßwert, der für Zement normal ist.
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Eine Zusammensetzung, die für das Altglas typisch ist, wird in
Fig. 1 angegeben.
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Vergleichsversuche wurden wie folgt durchgeführt:
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Bei der Herstellung des Betons wurde bei den experimentellen
Messungen, die nachfolgend angegeben sind, natürlicher Kies aus der Underas
Kiesgrube als Bezugskies verwendet. Die Fraktion < 0,25 mm wurde aus diesem Kies
durch Sieben entfernt und durch Glasfüllstoff ersetzt. Die Siebkurve für
natürlichen Underas-Kies ist in Fig. 2 dargestellt.
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Es wurden vier verschiedene Betonmischungen hergestellt; Zwei unter
Verwendung des Underas-Bezugskieses, von denen eine Glasfüllstof < 0,25 mm
enthielt. Die zweite Mischung wurde als Vergleich verwendet. Aus diesen
Mischungen wurden Würfel (150 · 150 · 150 mm) hergestellt, um die Druckfestigkeit
und die Frostbeständigkeit zu bestimmen, sowie Prismen (300 · 75 · 75 mm) für
den Alkali/Kieselsäure-Test. Die Größe des Ansatzes betrug 90 l.
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Die Zusammensetzungen der Mischungen sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 - Mischformulierungen für Glasfüllstoff enthaltenden Beton und
für Vergleichsbeton. UÅ bedeutet Underas-Kies.
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Die Betonformulierung der Vergleichsmischung, UÅ-Vergleich, ergab
eine Konsistenz mit einer Rutschung von 100 mm. Die Glas und Glas+UÅ
enthaltende Mischung zeigte eine viel lockerere Konsistenz, mit einer Rutschung
von 140 mm, und zwar trotz der Tatsache, daß die Wasser/Zement-Zahl leicht
nach unten eingestellt wurde (0,62 anstelle von 0,63). Der Glasfüllstoff-
Beton erfordert deshalb weniger Wasser als der Vergleich, um die gleiche
Konsistenz zu erzielen. Die niedrigere wcn (Wasser/Zement-Zahl) ergibt
unter sonst gleichen Bedingungen eine höhere Druckfestigkeit. Durch
Verringerung der wcn für einen mit Betonfüllstoff hergestellten Beton unter
Beibehaltung der Konsistenz kann eine höhere Betonfestigkeit erhalten werden.
Alternativ kann die gleiche Festigkeit mit einem geringeren Zementgehalt
erzielt werden, was für die Betonherstellung von Bedeutung sein kann, da
der Zement der teuerste Bestandteil ist.
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Die zwei restlichen Betonmischungen wurden unter Verwendung von
Hälleflinta, einem reaktiven Zusatzstoff, hergestellt. Glasfüllstof
< 0,25 mm, der die entsprechende Fraktion der Zuschlagmischung ersetzte,
wurde einer der Mischungen zugemischt. Die andere Mischung ohne Glas wurde
als Vergleich verwendet. Aus diesen Mischungen wurden wie vorstehend
beschrieben Würfel und Prismen hergestellt. Die Größe des Ansatzes betrug
30 l.
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Die Hälleflinta (HF) enthaltenden Mischungen besaßen die in Tabelle 3
angegebenen Zusammensetzungen.
Tabelle 3 Mischformulierungen für Glas und Hälleflinta (HF)-Kies enthaltenden Beton
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Auch im Falle dieser Mischungen ist es ersichtlich, daß der
Glasfüllstoff-Beton für die gleiche Rutschung weniger Wasser erfordert. Die wcn ist
für Glas+HF 0,62, und für HF-Vergleich 0,64.
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Für die Testproben der verschiedenen Versuchsserien wurde die
Druckfestigkeit bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben. Die
Festigkeit wurde nach 7, 28, 91, 212 und 367 Tagen Alterung gemessen. Der
Wert am Tag 7 bildet die Meßwerte für die Frühfestigkeit, der 28 Tage-Wert
den Festigkeitswert nach der Norm, und die Werte nach 91, 212 und 367 Tagen
stellen ein Maß für die Langzeitfestigkeit dar. Die Kurven der
Druckfestigkeiten für Glas+UÅ und für UÅ-Vergleich sind in den Fig. 3 und 4
dargestellt.
Tabelle 4 - Druckfestigkeit von Betontestproben
Frostbeständigkeit
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Die Frostbeständigkeit wurde nach dem Schwedischen Standard SS
137244, Verfahren I, Methode B, bestimmt unter Verwendung des Betonglas+UÅ
und UÅ-Vergleichs. Die Testproben wurden, außer an der dem Frost
ausgesetzten Oberfläche, an allen Seiten mit Polystyrol-Schaumstoff thermisch
isoliert. Auf die Frostoberfläche wurde zur Ausbildung einer Schicht von ca.
3 mm Wasser gegossen. Danach wurden die Testproben 56 Gefrier/Auftau-Zyklen
unterworfen. Während eines Gefrier/Auftau-Zyklus, d. h. während eines
Zeitraums von 24 Stunden, verläuft die Temperatur von +20ºC bis -20ºC und
wieder zurück zu + 20ºC. Die Menge des Materials, das von der
Betonoberfläche abgebröckelt war, wird nach 7, 14, 28, 42 und 56 Zyklen gewogen. Die
abgebröckelte Menge stellt ein Maß für die Frostbeständigkeit des Betons
dar. Je geringer die abgebröckelte Menge ist, desto höher ist der Grad an
Frostbeständigkeit des Betons. Die Ergebnisse des Tests sind in der Fig. 5
dargestellt, in der zwei kontinuierliche Linien, A und B, eingezeichnet
wurden, die eine gute bzw. sehr gute Frostbeständigkeit bedeuten. Aus der
Figur ist es ersichtlich, daß die Kurven für den getesteten Beton sehr nahe
aneinanderliegen, und nur etwas über der Linie für eine sehr gute
Frostbeständigkeit. Aus den Ergebnissen ist es deshalb ersichtlich, daß die
Betonmaterialien ungefähr den gleichen Grad an Frostbeständigkeit, d. h. gute
Beständigkeit, zeigen. Für den Glas enthaltenden Beton ist die Beständigkeit
aber etwas geringer.
Alkali/Kieselsäure-Test
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Da zu erwarten ist, daß das Glas mit Alkali (Na, K) und Wasser im
Beton reagiert, und ein quellendes Alkali/Kieselsäure-Gel gebildet wird,
wurde für die Alkali/Kieselsäure-Reaktion ein beschleunigter Test
durchgeführt. Das Gel kann einen so hohen inneren Expansionsdruck im Beton
ausüben, daß der Beton springt, und im schlimmsten Fall vollständig seine
Festigkeit verliert.
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Im Test wurden Testproben verwendet, in diesem Fall Prismen mit den
Ausmaßen 300 · 75 · 75 mm, ca. 28 Tage gealtert, die in eine gesättigte NaCl-
Lösung eingetaucht werden, die bei einer Temperatur von 50ºC gehalten
wird. Danach wird die Veränderung in der Länge der Testproben am Ende jeder
Woche während eines Zeitraums von 140 Tagen gemessen. Wenn eine gefährliche
Expansion stattfand, dann trat dies normalerweise nach 100 Tagen auf.
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Der Alkali/Kieselsäure-Test wurde für Glas+UÅ und UÅ-Vergleich-
Mischungen durchgeführt, und für Glas+HF und HF-Vergleichsmischungen.
Hälleflinta ist ein reaktiver Zuschlagstoff, der eine schädliche Expansion
im Beton hervorruft, wie dies durch die Alkali/Kieselsäure-Reaktionstests,
die durchgeführt wurden, dokumentiert wurde. Es hat sich nun
herausgestellt, daß der Glasfüllstoff diese Expansion unterdrückt.
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Die Ergebnisse dieser während eines Testzeitraums von bis zu ca. 170
Tagen durchgeführten Messungen sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. In
den Figuren ist der Grenzwert von 0,6 per mil eingezeichnet. Wenn dieser
Wert überschritten wird, bilden sich im Beton sichtbare Sprünge. Die
Figu
ren zeigen, daß das Glas eine deutliche Wirkung auf das Ergebnis hat.
Anstelle einer Expansion schrumpft der Glasfüllstoff-Beton in einem
gemäßigten Ausmaß. Der Vergleichsbeton zeigt eine geringe Expansion, was gänzlich
in Übereinstimmung mit den früher angegebenen Ergebnissen steht.
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Wie erwartet zeigt der Hälleflinta als Zuschlag enthaltende Beton
eine viel größere Expansion als Beton, der Underas-Kies enthält. Die
Expansion der Testproben zeigt einen kontinuierliche Aufwärtstrend und erreicht
die 0,6 per mil-Grenze ca. am Tag 130 des Tests. Die Expansion der
Glasfüllstoff enthaltenden Testproben ist ca. 35% geringer als die des
Hälleflinta enthaltenden Vergleichs. Der Glasfüllstoff besitzt deshalb in dieser
Hinsicht einen günstigen Effekt.
Betriebsmäßige Versuche
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In einer Beton-Produktionsstätte wurde eine betriebsmäßige
Herstellung von Glasfüllstoff enthaltendem Beton durchgeführt. Die Versuche wurden
unter Verwendung eines 3 m³-Betonmischers vom Freifall-Typ durchgeführt.
Alle Bestandteile, wie z. B. Zement, feiner Kies, Stein, Wasser und
Fließmittel wurden unter Verwendung normaler Wiege- und Meßvorrichtungen
zugegeben. Der Glasfüllstoff wurde mit der Hand in abgewogenen Mengen zugegeben.
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Um den Effekt der Teilchengrößenverteilung zu ermitteln, der unter
Verwendung des beanspruchten Glasfüllstoffs erzielt werden kann, sind die
Korngrößenverteilungen für Zement, Kies 0-8 und Stein 8-16 in Fig. 8
dargestellt. Aus dieser Figur ist es ersichtlich, daß der Anteil an Kies 0 bis
8, der weniger als 100 um passierte, sehr gering ist, und daß in der
fertigen Betonmischung in der Korngrößenverteilung im Bereich zwischen dem
Zement und dem Kies und Stein eine Lücke vorhanden ist. Es ist dieser Teil
der Korngrößenverteilung, den der Glasfüllstoff nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren füllen soll.
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Fig. 9 zeigt weitere Korngrößenverteilungskurven für die folgenden
Materialien:
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Zement Kurve C
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Glasfüllstoff Kurve GF
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Feiner Kies, Dansby-Kiesgrube Kurve DB
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Feiner Kies, Olivehult-Kiesgrube Kurve OH
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Stein, Geröll Kurve S
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Aus dieser Figur ist es ersichtlich, daß der Glasfüllstoff, der im
Verfahren verwendet wurde, den Korngrößenbereich füllt, der sonst leer sein
würde.
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Die Fig. 10 zeigt die Gesamt-Korngrößenverteilungskurve für eine
erfindungsgemäße Mischung aus Zement, Glasfüllstoff, feinem Kies und Stein.
Die mit S bezeichnete Kurve zeigt die Verteilung in einer Mischung, die 700
kg Stein und 0% Glasfüllstoff enthält. Die Kurve B zeigt die Verteilung in
einer Mischung, die 800 kg Stein und 5% Glasfüllstoff enthält, und
schließlich zeigt die Kurve R die Verteilung in einer Mischung, die 1000 kg
Stein und 7% Glasfüllstoff enthält.
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In den betriebsmäßigen Versuchen, die durchgeführt wurden, wurde von
der in der nachstehenden Tabelle 5 angegebenen Betonzusammensetzung
ausgegangen. Diese Vergleichsmischung enthält 15% Teilchen < 0,25 mm. Danach
wurde der Glasfüllstoff zur Mischung in verschiedenen Mengen (%) zugegeben:
3, 5 und 7.
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Ein typisches Beispiel für die die Vergleichsmischung bildende
Betonmischung in den Versuchen umfaßt:
Tabelle 5 - Vergleichsmischung
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Dieser Beton ist ein Beispiel für einen sogenannten K30-Halbfließ-
Beton (K30 semi-flow) (Halbfließ entspricht einer Rutschung von 100 bis
150 mm). Die Zusammensetzungen der Betonmischungen sind in Fig. 11
angegeben.
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Mit diesen Betonmischungen wurden unter Verwendung eines CBI's BML-
Viskometers, das eine verbesserte Version der "Two-point test workability
apparatus" von G. H. Tattersall ist (G. H. Tattersall, "Workability and
Quality Control of Concrete", E & FN Spon-, 1991, Seite 262), rheologische
Messungen durchgeführt.
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Die Messungen basieren auf der Annahme, daß Frischbeton sich wie eine
Bingham-Flüssigkeit verhält, die mit der folgenden Gleichung beschrieben
werden kann:
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T = g + hN
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worin bedeuten
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T = Drehmoment, Nm
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g = Scherbeanspruchung, Nm
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h = plastische Viskosität, Nms
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N = Geschwindigkeit, Umdrehungen/s
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Für die Messungen unter Verwendung des BML-Viskosimeters wird der
Beton in ein zylindrisches Gefäß gegeben, das mit verschiedenen
Geschwindigkeiten rotiert. Gleichzeitig wird ein stationärer Rührer in den Beton
eingetaucht. Während der Messungen wird das Drehmoment bei verschiedenen
Geschwindigkeiten gemessen. Unter Verwendung der Meßpunkte wird eine
Regressionslinie berechnet, aus der wieder g und h berechnet werden können.
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Die Konstanten g und h (in den nachfolgenden Versuchen als Gm und Hm
bezeichnet, d. h. die Mittelwerte mehrerer Versuche) können Werte annehmen,
die mehr oder weniger geeignet sind. Aus Fig. 12 ist eine klare und
deutliche Tendenz ersichtlich, nämlich, daß ein erhöhter Zusatz von
Glasfüllstoff einen erhöhten Zusatz von Stein unter Beibehaltung der Eigenschaften
in frischem Zustand und ohne Zugabe von Plastifiziermitteln ermöglicht.
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Die Verarbeitbarkiet von Beton mit den Typenbezeichnungen K30T18,
K30T25 und K25T25 ist in Fig. 14 aufgetragen. In allen Fällen enthält der
Vergleichsbeton 10 kg Siliciumdioxid diese Menge an Siliciumdioxid wurde
aus jedem Vergleichsbeton zusammen mit einem Teil des feinen Kieses (0-8
mm) entfernt und durch Zugabe von 50 bzw. 75 kg Glasfüllstoff ersetzt. In
Fig. 14 werden die Vergleichsmischungen durch Kreise bezeichnet, die
Mischungen, die 50 kg Füllstoff enthalten, durch Dreiecke, und die
Mischungen, denen 75 kg Glasfüllstoff zugegeben wurden, durch Quadrate. Die
Symbole für K30T18 sind offen, die für K30T25 gefüllt, und die für K25T25
strichliert. In der Figur wurden für Geröll bzw. Makadam obere und untere
Kurven eingezeichnet.
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Diese Verbesserung in der Verarbeitbarkeit bedeutet, daß
Glasfüllstoff-Beton mit einer wesentlich niedrigeren Rutschung bei Beibehaltung
einer guten Verarbeitbarkeit hergestellt werden kann.
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Fig. 15 zeigt die Festigkeiten als Funktion der Zeit für die
Betonqualitäten K30T18, K30T25 und K25T25, die 50 kg und 75 kg Glasfüllstoff pro
m³ enthalten. Die Kurven zeigen, daß die erzielten Festigkeiten so groß
sind wie für einen Vergleichsbeton, der 10 kg Siliciumdioxidpulver pro m³
enthält. Die Zusätze wurden auf gleiche Weise wie für die Mischungen in
Fig. 14 gemacht.
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Die Fig. 16 zeigt die raschere Härtung von Beton durch Zusatz von
Glasfüllstoff zum Beton. Dies ist eine wünschenswerte Eigenschaft von
Beton, der unter Ausbildung eines Bodens gegossen werden soll, da ein
Maschinenglätten in einem frühen Zustand durchgeführt werden kann. Die Kurven in
Fig. 16 zeigen den Verlauf der Härtung für die Betonqualitäten K30T18,
K30T25 und K25T25. Aus Fig. 16 ist es ersichtlich, daß Beton, der
Glasfüllstoff enthält, rascher härtet als Vergleichsbeton ohne Glasfüllstoff.
REF bezeichnet einen Beton, der 10 kg/m³ Siliciumdioxid enthält, MF50
bezeichnet einen Beton, der 50 kg/m³ Glasfüllstoff enthält, und MF75
bezeichnet einen Beton, der 75 kg/m³ Glasfüllstoff enthält. Die Zusätze wurden auf
die gleiche Weise wie für die Mischungen in Fig. 14 gemacht.
Anwendungsbereiche
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Der vorstehend beschriebene Beton ist normaler Beton für den Hausbau.
Es wurde auch gefunden, daß der Beton, der in sogenannten selbstrocknenden
Böden verwendet wird, und normalerweise eine sehr schlechte
Verarbeitbarkeit besitzt, durch Zugabe von Glasfüllstoff wesentlich verbessert wird.
Dies ist selbstverständlich besonders wünschenswert im Hinblick auf alle
Probleme, die sich mit Restfeuchte und im Boden eingeschlossener
Feuchtigkeit ergeben haben.
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Der Glasfüllstoff kann auch für vibrationsfreien Beton verwendet
werden, d. h. für einen Beton, dessen Konsistenz so locker ist, daß er beim
Gießen nicht geschüttelt werden muß. Es wurde festgestellt, daß eine
Konsistenz im Bereich des vollständigen Fließens erhalten werden kann, wobei der
Beton trotzdem gegenüber einer Trennung ausreichend stabil ist.
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Es wurde gefunden, daß die Verarbeitbarkeit von fertig gemischtem
Beton, der zerkleinerte Zuschlagstoffe enthält, schlechter ist als die eines
Betons, der natürliche Zuschlagstoffe enthält. Die Ergebnisse haben nun
gezeigt, daß Beton, der zerkleinerte Steine (0-18, 0-25 mm) und natürlichen
feinen Kies (0-8 mm), und zugegebenen Glasfüllstoff enthält, einen
verbesserten Beton ergibt. Dies ist bedeutsam, da in der Zukunft vollständig
zerkleinertes Material gebräuchlicher werden wird, und erfindungsgemäße
Glas
füllstoff-Zusätze in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielen
werden.
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Es wurde auch gefunden, daß Glasfüllstoffe zur Herstellung von Beton
mit Erdfeucht-Konsistenz verwendet werden können, d. h. eines Betons, der
unter anderem zur Herstellung von Zementrohren, Schächten usw. verwendet
wird. Aufgrund des hohen Verarbeitungsgrades des Betons, der erhalten wird,
wenn Gasfüllstoffe zugegeben werden, werden die Rotationszeiten für das
Ausbilden verringert. Es wurde gefunden, daß die gute Kompressibilität von
Beton, der zugegebene Glasfüllstoffe enthält, gekrümmte Teile mit einer
besseren Qualität ergibt, ohne daß irgendein anderer Zusatz erforderlich
ist.
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Eine geeignete Zusammensetzung zur Herstellung von Betonrohren und
dergleichen ist die folgende: Glasfüllstoffzusätze in einer Menge von ca.
25, oder 37 kg pro 1200 kg Betonmischung mit Erdfeucht-Konsistenz und einer
wcn von ca. 0,34 bis 0,38. Es gibt keinen Grund zur Annahme, daß diese
vorstehend genannten Werte auf irgendeine Weise eine Beschränkung für die
Verwendung von Glasfüllstoffen in Erdfeuchtbeton darstellen, und die
angegebenen Werte sollen nur der Veranschaulichung dienen. Versuche haben gezeigt,
daß im Vergleich zu Beton, wie er für diesen Zweck konventionell verwendet
wird, ein Beton erhalten wurde, der besser komprimiert wurde und der in
einer sogenannten Simplex-Maschine (die zur Herstellung von Betonrohren und
dergleichen verwendet wird) leichter zu schütteln ist.
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Der Zusatz von Glasfüllstoffen stellt auch eine beträchtliche
Verbesserung bei der Herstellung von HD und HDF-Platten dar, die durch
Extrudieren sehr konsistenter Mischungen hergestellt werden. Es wurde gefunden, daß
ein höherer Kompaktheitsgrad erreicht wird, eine niedrigere wcn-Zahl
erforderlich ist, eine höhere Festigkeit erzielt wird und weniger
Kompaktierarbeit benötigt wird (weniger Energieverbrauch), und all diese führt
schließlich zu einer geringeren Abnutzung der Maschinen.
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Die gleichen Argumente gelten natürlich auch für Produkte wie z. B.
Betonplatten und Bodenbelagsplatten.
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Außerdem wurde auch festgestellt, daß die Härte des Betons, der
Glasfüllstoff enthält, ein attraktiveres Aussehen besitzt. Auf einem
erfindungsgemäßen Beton, der Glasfüllstoff enthält, treten keine
Kalkablagerungen auf, die in Form eines weißen Schleiers oder einer weißen pulverartigen
Oberfläche die Betonoberflächen in verschiedenem Ausmaß verfärben.
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Es wurde auch gefunden, daß durch die Zugabe von Glasfüllstoff die
Stabilität von Schaumbeton verbessert wird, was den Anwendungsbereich
dieses Zusatzes noch mehr erweitert.
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Aufgrund der Tatsache, daß durch die Zugabe von Glasfüllstoff die
Verarbeitbarkeit verbessert wird, ist dieses letztere Material zur
Verwendung in Hochleistungsbeton der Art, wie er für selbstrocknende Böden
geeignet ist, sehr gut geeignet. Natürlich beruht dies auf der Tatsache, daß der
Wassergehalt im Beton auf ein Minimum verringert wird, daß der Menge
entspricht, die für die Hydratation des Zements erforderlich ist. Andere Arten
von selbsttrocknendem Beton können nur schwierig verarbeitet und zum Gießen
von Böden verwendet werden. Der Vorteil der Verwendung des Glasfüllstoffs
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im Beton ist der, daß bei
selbststrocknenden Böden übereinanderliegende Böden direkt verlegt werden können.
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Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verwendung des zugesetzten
Glasfüllstoff enthaltenden Betons für Spritzmörtel und Spritzbeton. Wie in
den anderen Fällen ist ein Grund dafür die Verbesserung der mit dem Zusatz
erhaltenen Verarbeitungseigenschaften.
Schlußfolgerungen
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Es wurde festgestellt, daß das Glas gewaschen werden soll, bevor es
dem Beton zugegeben wird, da ungewaschenes Glas einen Beton ergab, der nach
28 Tagen eine ca. 36%-ige geringere Festigkeit, und nach 92 Tagen eine ca.
30% geringere Festigkeit im Vergleich zur Verwendung von gewaschenem Glas
ergab.
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Es wurde auch gefunden, daß die Langzeitfestigkeit für Glasfüllstoff-
Beton rascher zunimmt als für einen Vergleichsbeton ohne Glas. In
Versuchen, die durchgeführt wurden, ergab der Glasfüllstoff-Beton nach 28 Tagen
eine 6,5% höhere Druckfestigkeit, nach 91 Tagen eine 7, 7% höhere
Festigkeit, und nach 212 Tagen (7 Monate) eine 60,3% höhere Festigkeit als der
Vergleichsbeton. Wir haben dies als Ergebnis einer chemischen Reaktion im
Glas interpretiert, die sich im fortgeschrittenen Alter fortsetzt. Es wird
angenommen, daß das Glas einen Pozzolan-Effekt hat, der die Reaktion des
Glases mit Calciumhydroxid und Wasser und Ausbildung eines
Calciumsilicathydratgels umfaßt, das zur Festigkeit des Betons beiträgt.
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Im Alkali/Kieselsäure-Test schrumpft der Beton, der Glas und Underas-
Kies enthält, weiter, während der Beton ohne Glas etwas quillt und einen
relativ stabilen Zustand erreicht zu haben scheint. Im Vergleich damit
wurde in den Tests, die unter Verwendung von reaktivem Hälleflinta als
Zuschlagstoff durchgeführt wurden, wobei der Füllstoff durch Glas zersetzt
wurde, ein geringerer Expansionsgrad erhalten als dies für den
Vergleichsbeton der Fall war, der Hälleflinta ohne Glas enthielt. Dies zeigt, daß der
Glasfüllstoff schädliche Reaktionen des Zuschlagstoffes unterdrückt,
wahrscheinlich als Ergebnis der Reaktion des Glasfüllstoffs mit dem Alkali im
Beton unter Bildung von Alkalimetallsilicaten, die wieder mit freiem Kalk,
Ca(OH)&sub2;, unter Bildung von Calciumsilicat-Hydraten reagieren.
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Die Fig. 13 zeigt schließlich die Regressionslinien für verschiedene
Betonmischungen, aus denen es ersichtlich ist, daß als Ergebnis der
erfindungsgemäßen Zumischung von Glasfüllstoffen das Produkt, das die plastische
Viskosität h ausdrückt, abnimmt oder gleich bleibt, während gleichzeitig
die Scherbeanspruchung g verringert werden kann.