EP3307694A1 - Hochleistungsbeton enthaltend aerogelgranulat - Google Patents

Hochleistungsbeton enthaltend aerogelgranulat

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EP3307694A1
EP3307694A1 EP16732969.7A EP16732969A EP3307694A1 EP 3307694 A1 EP3307694 A1 EP 3307694A1 EP 16732969 A EP16732969 A EP 16732969A EP 3307694 A1 EP3307694 A1 EP 3307694A1
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EP
European Patent Office
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concrete
airgel
water
mixing
mixture
Prior art date
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Pending
Application number
EP16732969.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Barbara Milow
Lorenz Ratke
Torsten Welsch
Silvia Fickler
Martina Schnellenbach-Held
Jan-Eric Habersaat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Duisburg Essen
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Universitaet Duisburg Essen
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Duisburg Essen, Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Universitaet Duisburg Essen
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength

Definitions

  • the invention relates to an airgel concrete mixture, a high-performance aerosol concrete obtained therefrom and a process for its production.
  • Table 1 Bulk densities, thermal conductivities and compressive strengths of selected solid wall building materials
  • the performance indicated in Table 1 is defined as the ratio between compressive strength in [MN / m 2 ] and the product of bulk density p in [kg / dm 3 ] and thermal conductivity ⁇ in [W / mK].
  • the airgel content was varied between 50% by volume and 75% by volume so that airgel concrete with densities 580 kg / m 3 ⁇ p ⁇ 1,050 kg / m 3 was produced.
  • the results of the tests show the excellent building physics properties of this material.
  • the airgel concrete thus has a thermal conductivity which is comparable to that of thermal insulation masonry (Table 1, lines 1 to 6).
  • the average compressive strengths determined on prisms with an edge length of 40 mm were in the range of 0.6 ⁇ / cm, prism4o ⁇ 1.5 MPa and thus clearly below the compressive strengths of the wall building materials listed in Table 1.
  • the moduli of elasticity derived from the results of the compressive strength tests were between 52 MPa and 127 MPa.
  • the performance of the airgel concretes according to the invention was preferably 9.3-10 3 MNm 2 K / Wkg.
  • the compressive strength for mixtures in the range 500 kg / m 3 ⁇ p ⁇ 620 kg / m 3 was determined to be 1.4 ⁇ cm, prism4o ⁇ 2.5 MPa, so that in principle the intention posi tive ⁇ effect of UHPC matrix on the Compressive strength can be observed.
  • the compressive strength of airgel concrete with p ⁇ 400 kg / m 3 has not been investigated. Further results of the investigations in Hub et al.
  • UHPC-based airgel concretes were 25.2-10 ⁇ 3 MNm 2 K / Wkg.
  • the object of the present invention is therefore to provide pressure-resistant but less thermally conductive concretes, concrete finished le, screeds, precast concrete, reinforced concrete (GRP), fire protection boards, thermal breakage components and bricks.
  • At least one light aggregate for example light sands, expanded clay and / or expanded glass.
  • high-performance concretes are available in which "airgel concrete" is developed by embedding airgel granules in a high-strength cement matrix which combines the advantages of conventional concretes (high compressive strength, any formability) with the properties of a thermal insulation material which significantly surpasses the compressive strengths of conventional thermal insulation masonry with comparable thermal conductivities and is thus suitable for producing single-shell exterior walls of multi-storey buildings without further thermal insulation.
  • airgel concrete high performance concrete
  • UHPC ultra high performance concrete
  • LC lightweight concrete
  • the airgel concrete according to the invention has extraordinary thermal insulation properties and comparable compressive strength to normal concrete.
  • the excellent thermal insulation properties are achieved by the use of airgel granulate in an amount of 10 vol.% To 85, preferably 70 vol .-% / m 3 , in particular 60 to 65, preferably 50 to 70 vol .-% / m 3 .
  • the grain size of the airgel is 0.01 to 4 mm, in particular 1 to 4 mm. This grain size can be obtained by simple sieving. This fine particles, especially dust are removed. The presence of these fines leads to a deterioration of the compressive strength values.
  • composition of the individual components of the airgel concrete according to the invention takes place taking into account the known M ischungszusammen arrangementen for HPC, UHPC and LC.
  • the examined components are listed below:
  • Light surcharges eg light sands, expanded clay, expanded glass.
  • Fig. 1 shows the temperature curves for the mixture MIO. During the first few hours, a significant increase in core temperatures was observed. After five to eight hours, the maximum temperature was reached. The high core temperature resulted from the high cement content and the addition of fumed silica (see also Held M. Hochfester Konstrutechnischs-Leichtbeton, Beton 1996, 7: 411-415). The three temperature curves do not decrease as much as they rise.
  • the core temperature for mixtures Ml to M13 after 26 h was between 20 ° C and 25 ° C. During this period, the air or water temperature between see 20 ° C and 25 ° C held. Therefore, it can be assumed that the hydration process was completed after 26 h.
  • the heat treatment of the sample cube is also shown in FIG.
  • the drying oven had an ambient temperature between 84 ° C and 93 ° C.
  • the core temperature of the concrete cubes reached one
  • Table 2 Blend compositions, compressive strengths after 28
  • the given compressive strengths f cm are defined as the average compressive strength of cube specimens with 150 mm edge length after 28 days, C m, 7 as the average compressive strength of cubes specimens with 150 mm edge length after 7 days.
  • high-performance aerosol concrete is to be understood as meaning an airgel concrete which has a capacity of at least 30.0 - 10 3 MNm 2 K / Wkg.
  • the thermal conductivity of some mixtures was determined using the Transient Hot Bridge (THB) or Heat Flow Meter (HFM) method.
  • TLB Transient Hot Bridge
  • HFM Heat Flow Meter
  • the compressive strength correlated with the bulk density and reached values up to 26.0 MPa. With regard to the compressive strengths after seven and 28 days, no clear trend could be observed.
  • the thermal conductivities were determined to be 0.082 ⁇ ⁇ 0.255 W / (m-K), which is equivalent to good thermal insulation properties.
  • the high-performance aerosol concrete according to the invention has greater compressive strengths with comparable thermal conductivities.
  • Another embodiment of the invention is a process for producing airgel concretes using the above-described mixture with water.
  • the mixing order is of particular importance.
  • HPC high-strength
  • UHPC ultra-high-strength concretes
  • the mixing regime in the process according to the invention was preferably changed as follows: Premixes of the liquid constituents are prepared in advance. For this purpose, 1/3 of the additional water with the solvent and 1/4 of the additional water with the
  • Silica suspension mixed. Thereafter, the airgel granules and - if present - the lightweight aggregates are mixed together. After a mixing time of about 30 to 60 seconds, the water-silica mixture is added. After a further 30-60 seconds of mixing, the water-solvent mixture and stabilizer are added to the mixture. Thereafter, the mixing process is stopped to fill the inorganic binder in the mixer. After re-mixing for 1-2 minutes, the silica slurry and the solvent dispensers are each charged with 50% by volume of the remaining
  • the addition water is metered so that water binder values (w / b values) of 0.15 to 1.00, in particular 0.20 to 0.60, preferably 0.28 to 0.35, result.
  • water binder values w / b values
  • Particularly low w / b values and associated high compressive strengths are obtained by cooling the addition water before mixing with the solid components, in particular to a temperature of less than 10 ° C, more preferably less than 5 ° C.
  • Silica gel suspensions according to the present invention are commercially available and in particular comprise a highly reactive, high specific surface area, amorphous microsilica-water mixture, for example MC Centrilit Fume SX: Blaine value 20000, ie 4 to 5 times greater than cement / Binder.
  • the silica gel can be added in powder form or as a suspension, the solids content of the suspension usually being 50% by volume. That the silica suspension has an active substance content of 50% by volume and 50% by volume usually consists of water.
  • Plasticizers for the purposes of the present invention are commercially available and include in particular commercially available polycarboxylates, For example, Powerflow 3100: polycarboxylate ether with 30 wt.% solids content, high charge density and short side chains.
  • Stabilizers according to the present invention are commercially available and include in particular commercially available organic polymers, for example MC Stabi 520, water-absorbent and water-storing cellulose.
  • the mixtures according to the invention may also contain other conventional concrete admixtures and concrete admixtures.
  • EN 934-2 contains definitions and requirements for the following individual action groups:
  • accelerator solidification accelerator and hardening accelerator
  • Sand (grain density p> 2000 kg / m 3 ) is generally not required, as it is replaced by airgel granules or / and lightweight aggregates.
  • Light aggregates are to be understood as meaning lightweight aggregates or light sands with a grain density of p ⁇ 2000 kg / m 3 .
  • Components of airgel concrete which are produced with the specified mixture compositions and according to the described mixing regime, are surprisingly characterized in comparison to the heretofore known aerosol concrete by a very short hardening time and a very rapid strength development.
  • a solidification of the fresh concrete is observed, and after about 26 hours, the hydration process is almost completely completed (see also Fig. 1), so that at this time the compressive strength already about 80% of the compressive strength after 28 Days.
  • the wall / ceiling elements according to the invention or bricks made of graded airgel concrete have a high load-bearing capacity and a low thermal conductivity. They thus allow the production of single-shell exterior wall constructions of multi-storey residential and non-residential buildings without additional thermal insulation, as required for example in thermal insulation systems (ETICS) or double-shell masonry with core insulation (see above). However, additional trays are equivalent to one greater production costs and thus higher costs. There are also constructive problems (fire protection for EPS and XPS insulation materials, fastening technology, façades,
  • graded airgel concrete is to be understood as meaning that components are produced from at least two layers of different mixtures of airgel concrete
  • the first layer of aerogonal concrete is concreted, the second layer is produced immediately after the hardening of the first layer, while in the "fresh on solid” method the second layer is produced only after hardening of the first layer.
  • an end product is produced which has a multi-layered structure, the layers being connected to one another in terms of pressure, tension and shear.
  • the load bearing capacity and the thermal conductivity of wall constructions made of airgel concrete could be further optimized by using the building material airgel concrete graded or graded in this way (FIG. 4).
  • the wall elements were designed so that different layers of a material were arranged, whose composition was determined individually for each layer (graded mono-fabric component). This resulted in a building element for single-shell walls, which consisted of different layers, each of which primarily met the mechanical or building physics requirements.
  • airgel concrete was used as the material for these different layers. Fikant had a better relationship between compressive strength and thermal conductivity than conventional wall building materials for massive exterior walls.
  • a preferred feature of the present invention insofar is the combination of the aerogonal concrete known per se with the construction method of a graded building material.
  • floating screeds consist of a minimum of 35 to 75 mm thick layer of cement, calcium sulfate, mastic asphalt, magnesia or synthetic resin screed, which is arranged on a compressible, about 20 to 50 mm thick layer of insulating materials (EPS foam, mineral wool) ,
  • EPS foam, mineral wool insulating materials
  • Cement screeds are very resilient depending on the strength class, are also suitable for wet rooms, but tend to cracking and to the Aufschadoreln and require long drying times of several weeks or months (depending on the thickness).
  • Anhydrite screeds have significantly shorter drying times of about a week, but are less resilient and not suitable for wet rooms.
  • Mastic asphalt screeds reach their mechanical properties immediately after cooling and are very robust, have a good impact sound insulation, but in case of fire are critical (fire spread, toxic fire gases).
  • the Aerogelestrich invention combines the advantages of said screeds, but it has none of the disadvantages mentioned.
  • An important aspect of the present application is to use high performance aerated aerated concrete as a material for the production of floating screed - Aerogelestrich.
  • This application of airgel concrete as a screed was made possible only by the development of the high performance aerosol concrete according to the invention and the associated improvement of the mechanical properties.
  • the bending tensile strength and the shrinkage or cracking behavior can be improved, for example, by adding glass fibers.
  • Airgel concretes dry within a few days and show only a low water absorption capacity after hardening. Aerogels are non-toxic, not carcinogenic and have been classified by the Federal Environmental Agency of the Federal Republic of Germany as "largely harmless material”. Airgel concrete is an excellent fire protection material and has a high sound absorption.
  • Prefabricated building boards made of high-performance aerated concrete are not only suitable as precast screed elements, but also as fire protection boards. Flammable components or components whose mechanical properties change under the influence of high temperatures in a safety-relevant manner, must be effectively protected against the effects of fire.
  • the fire protection panels of airgel concrete according to the invention are applied as a cladding on the components to be protected. Due to the excellent fire protection properties of the material, the clad components are not only effectively protected from direct flames, but because of their extremely low thermal conductivity the temperature on the back of the panel remains so low in case of fire that the mechanical properties of the components to be protected are excluded.
  • fire protection boards are usually cement-bonded, glass-fiber reinforced construction boards, which mineral lightweight aggregates such as expanded clay are added, or
  • airgel concrete components have demonstrated their excellent fire protection properties.
  • the temperatures on the back of the component are lower by a factor of 2 to 3 than with lightweight concrete components.
  • aerogels are hydrophobic at normal ambient temperatures, so airgel concrete is expected to have significantly lower water absorption than light concrete (about 0.1 g / cm 3 ).
  • the aerogels lose their hydrophobic character and behave hydrophilic. Used extinguishing water is then absorbed by the plates and leads to additional cooling of the plates.
  • Airgel concrete has higher compressive strengths compared to lightweight concrete with the same thermal conductivity. The bending tensile strength can be improved by the addition of glass fibers and tailored to individual needs.
  • An essential further element of the invention is to combine the known fire protection advantages of airgel concrete with the field of application of conventional fire protection panels. This possible application results from the improvement of the mechanical properties of the above-mentioned high-performance aerosol concrete - airgel concretes produced to date have too low compressive and flexural strength.
  • fire protection panels made of airgel concrete can be made thinner than comparable lightweight concrete panels (weight saving, manageability) with the same performance.
  • the production of fire protection boards of greater thickness, which exceed the properties of conventional boards, is also if possible.
  • the significantly reduced temperatures on the back of the panel mean that airgel concrete fire protection panels can also be used in critical areas such as fire protection of CFRP fins, where low temperatures must be ensured even in case of fire due to the low glass transition temperatures of the epoxy resin used. Due to the described hydrophobic behavior, the panels are excellently suited for outdoor use, for example in the fire protection of bridge and engineering structures, which are reinforced with glued-on CFRP slats or steel straps, for example.
  • Components made of airgel concrete have, similar to construction elements made of lightweight or normal concrete, a high compressive strength in relation to the gross density, but only a (bending) tensile strength which is lower by a factor of 5 to 10.
  • reinforcement must be arranged in the airgel concrete components, which absorb the planned tensile forces from bending or centric tension.
  • Airgel concrete has been optimized so far mainly with regard to its compressive strength and thermal conductivity. The bending tensile strengths of these airgel concretes are too low for use in bending-stressed components.
  • the thermal expansion of reinforcing steel is thus about twice as large as that of airgel concrete, so that it will come at temperature stress to expansion differences between airgel concrete and reinforcing steel, which is associated with a loss of adhesion.
  • the functionality of the "reinforced Aerogelbetons" irrevocably lost.
  • Another essential element of the invention is to replace the previously used reinforcement made of reinforcing steel by a reinforcement made of glass fiber reinforced plastic.
  • This reinforcement is commercially available, but so far used only in normal or conventional lightweight concrete.
  • the high-performance aerosol concrete according to the invention thus makes it possible to produce FRP-reinforced airgel concrete components.
  • fiberglass reinforcement with a thermal expansion coefficient of 6 x 10 "6 1 / K considerably better suited for use in Aerogelbeton as concrete steel.
  • GFRP reinforcement is also particularly advantageous in this respect: the thermal conductivity of GFRP, at 0.7 W / (mK), is 85 times lower than the thermal conductivity of reinforcing steel, because GFRP reinforcement, unlike rebar, has no claim to alkaline environment, are smaller concrete covers and therefore better
  • thermal bridges (case a) arise.
  • Other geometric thermal bridges may occur at the base of solid walls and columns standing on uninsulated / unheated floor slabs or basement ceilings (case b)).
  • the high performance aerated aerated concrete element of the invention serves to thermally separate such structures while maintaining stability.
  • components are used for the thermal separation of reinforced concrete slabs, which consist of an insulating body, a tensile reinforcement and thrust bearings.
  • the insulating body are made of rock wool or polystyrene foam and can not take on any supporting function alone.
  • Reinforcement elements made of reinforcing steel, stainless steel or glass fibers are used to transmit tensile forces from bending moments and shear forces.
  • the transmission of compressive forces from bending moments and shear forces via pressure bearings made of mild steel or high-strength mortars.
  • the equivalent thermal conductivities ie the thermal conductivities calculated from the thermal conductivities of the individual components of such components are in the range 0.06 ⁇ ⁇ 0.25 W / (mK).
  • masonry blocks are used whose thermal conductivity is reduced by the use of lightweight aggregates against sand-lime bricks.
  • Another essential element of the invention is, in the case of a), to produce the pressure bearings or parts of the component or the entire component from airgel concrete and in case b) to produce the entire component from airgel concrete (FIG. 5).
  • the thermal conductivity of the components is significantly reduced while ensuring the required compressive strengths (in case b) e.g. by a factor of 2).
  • stainless steel or GRP reinforcement is used for the tensile reinforcement.
  • GRP reinforcement the equivalent thermal conductivity can be further reduced compared to other tensile reinforcements.

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Abstract

Hochleistungsaerogelbeton Gegenstand der Erfindung ist eine Aerogelbetonmischung, ein daraus erhaltener Hochleistungsaerogelbeton sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung besteht in der Bereitstellung druckfester jedoch wenig wärmeleitfähiger Betone, Betonfertigteile, Estriche, Fertigteilestriche, (GFK-)bewehrte Betone, Brandschutzplatten, Bauelemente zur thermischen Trennung und Mauersteine. Die Aerogelbetonmischung enthält: 10 bis 85 Vol.-%/m3 Aerogelgranulat mit einer Korngröße im Bereich von 0,01 bis 4 mm, 100 bis 900 kg/m3 anorganisches hydraulisches Bindemittel, 10 bis 40 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens einer Kieselgel-Suspension, 1 bis 5 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens eines Fließmittels, 0,2 bis 1 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens eines Stabilisierers und 0 bis 60 Vol.-%/m3 wenigstens eines Leichtzuschlages. Das Verfahren zur Herstellung eines Aerogelbetons mit einer Aerogelbetonmischung sieht vor, dass man zunächst Aerogel und gegebenenfalls Leichtzuschläge vermischt, dann ein Wasser-Silika-Gemisch, ein Wasser-Fließmittel-Gemisch und den Stabilisierer, in einer Mischpause das anorganische Bindemittel und nach erneutem Mischen das verbleibende Wasser hinzugibt und weiter mischt.

Description

HOCHLEISTUNGSBETON ENTHALTEND AEROGELGRANULAT
Gegenstand der Erfindung ist eine Aerogelbetonmischung, ein daraus erhaltener Hochleistungsaerogelbeton sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung .
Die Anforderungen an den Wärmeschutz von Wohn- und Nichtwohnge- bäuden haben seit Beginn des Jahrtausends zu einer Vielzahl von Weiterentwicklungen im Bereich der Baustoffe für massive Außenwände geführt. Sollen die in den nationalen Regelwerken hinterlegten, aus der EU-directive on the energy Performance of buildings (The European Par- liament and the Council of the European Union. Directive 2010/31/EU on the energy Performance of Buildings. Official Journal of the European Union L 153/13; 18.06.2010) resultierenden Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten (wie beispielsweise dem U-Wert in der EnEv 2014 (Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz. Zweite Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung . Bundesgesetzblatt Jahrgang 2013 Teil I Nr. 67. Bonn; 21.11.2013) durch einschalige Konstruktionen erfüllt werden, ist dies in der Regel nur durch die Verwendung von Mauerwerkssteinen mit geringer Rohdichte und damit verbunden mit geringer Druckfestigkeit möglich. Die Wärme- i^ii-fä h in i^ii-^n unn wärmeschutzmauerwerk liegen im Bereich λ = 0,06 W/(m-K) bis λ = 0,16 W/(m-K) (Tabelle 1, Zeile 1 bis 6), so dass in der Regel Wanddicken zwischen 36,5 cm und 49 cm erforderlich sind, um die geforderten U-Werte zu erzielen.
Tabelle 1: Rohdichten, Wärmeleitfähigkeiten und Druckfestigkeiten ausgewählter massiver Wandbaustoffe
P [ 10 3- fk bzw. λ
Material p (kg/m3) M N m 2 K/
(0ck (MPa) (W/(mK))
Wkg]
1 Leichtbetonstein Bisomark
315-335 0,8 0,06 42,3 Hbn *
2 Porenbetonstein Ytong PP
250 0,8 0,07 45,7 1,6-0,25 **
3 Poroton Ziegel S9-MW *** 810-900 4,2 0,09 57,6
4 Porenbetonstein Ytong PP
400 1,8 0,10 45,0 2-0,40 **
5 Leichtbetonstein Bisoplan
600 2,5 0,14 29,8 14 *
6 Poroton Planziegel T16 *** 710-800 4,7 0,16 41,4
7 Kalksandstein Silka KS L-R 0,56-
1210-1400 5,6 8,3 p 12-1,4 **** 0,70
8 0,89-
Leichtbeton LC35/38 **** 1500-1600 35,0 26,2
1,00
9 Kalksandstein Silka KS-R P 0,99-
1810-2000 10,5 5,9 20-2 0 **** 1,10
1 Normalbeton C12/15
2200-2400 12,0 1,65-2,0 3,3 0
1
Stahlbeton C30/37 ***** 2300-2400 30,0 2,3-2,5 5,7 1 * Bisotherm GmbH. Mauerwerk-Komplett-Programm Bauen, Mülheim- Kärlich; 2013.
**Xella Deutschland GmbH. Produktprogramm 2015. Duisburg; 2015.
*** Wienerberger GmbH. Preisliste 2014 Poroton-Ziegelsysteme. Hannover; 2014.
**** DIN 4108-4: 2013-02 Thermal insulation and energy economy in buildings - Part 4: Hygrothermal design values. Berlin: Beuth Verlag; 2013.
***** ISO 10456: 2010-05 Building materials and products - Hygrothermal properties - Tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values. Berlin: Beuth Verlag; 2010.
Die in Tabelle 1 angegebene Leistungsfähigkeit wird definiert als das Verhältnis zwischen Druckfestigkeit in [MN/m2] und dem Produkt aus Rohdichte p in [kg/dm3] und Wärmeleitfähigkeit λ in [W/mK] .
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, liegen die Druckfestigkeiten dieser im Hinblick auf eine niedrige Wärmeleitfähigkeit optimierten Baustoffe im Bereich fk < 4,7 MPa. Trotz der großen Wanddicken können diese Baustoffe daher üblicherweise nur für Bauwerke mit geringer Geschossanzahl verwendet werden. Sind größere Druckfestigkeiten erforderlich, ist aufgrund der größeren Rohdichten und der damit einhergehenden höheren Wärmeleitfähigkeiten (Tabelle 1, Zeile 7 bis 11) in der Regel eine einschalige Außenwandkonstruktion ohne weitere Wärmedämmung nicht mehr realisierbar. Zumeist werden in diesem Fall Tragschalen aus Normalbeton, Leichtbeton oder Kalksandstein mit Wärmedämmverbundsystem oder mit Kerndämmung und Verblendschale (zweischalige Wände) ausgeführt.
Über die Idee, Aerogelgranulat in eine Zementmatrix einzubetten, wurde erstmalig in Ratke L, Herstellung und Eigenschaften eines neuen Leichtbetons: Aerogelbeton. Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008) Heft 4, S. 236 bis 243 berichtet. Hierbei wurden überwiegend superhydrophobe Silika-Aerogelgranulate mit einer Partikelgröße von 0,01 bis 4,0 mm, einer Porosität > 90% und einer Partikelrohdichte von 120 bis 150 kg/m3 verwendet, die normalfesten Mischungen aus CEM II 32,5 R, CEM I 42, 5R und CEM I 52, 5R zugegeben wurden. Der Aerogelanteil wurde zwischen 50 Vol.-% und 75 Vol.-% variiert, so dass Aerogelbeto- ne mit Dichten 580 kg/m3 < p < 1.050 kg/m3 hergestellt wurden. Die Ergebnisse der Versuche zeigen die hervorragenden bauphysikalischen Eigenschaften dieses Werkstoffs. Bei einer gleichmäßigen Verteilung von 70 Vol.-% Aerogelgranulat wurde eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,10 W/(m-K) gemessen. Der Aerogelbeton weist somit eine Wärmeleitfähigkeit auf, die mit der von Wärmeschutzmauerwerk (Tabelle 1, Zeile 1 bis 6) vergleichbar ist. Die an Prismen mit 40 mm Kantenlänge ermittelten mittleren Druckfestigkeiten lagen im Bereich 0,6 < /cm,prism4o ^ 1,5 MPa und somit deutlich unter den Druckfestigkeiten der in Tabelle 1 aufgeführten Wandbaustoffe. Die aus den Ergebnissen der Druckfestigkeitsprüfungen abgeleiteten E-Moduli lagen zwischen 52 MPa und 127 MPa. Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Aerogelbetone betrug vorzugsweise 9,3- 10 3 MNm2K/Wkg. Bei der Berechnung wurde die Prismenfestigkeit Cm,prism4o mit den Faktor 0,9 auf die Würfeldruckfestig¬ keit (150 mm Kantenlänge) fcm umgerechnet.
Aus der DE 10 2006 033 061 AI geht, insbesondere aus dem Beispiel 1 in Kombination mit dem Absatz [0036] eine Aerogelbetonmischung hervor, die Aerosil®, Portlandzement, ein Dispergiermittel in Form einer Kieselgel-Suspension, einen Betonverflüssiger und einen Leichtzuschlagstoff in Form von Superlite® enthält.
In Hub A., Zimmermann G., Knippers J., Leichtbeton mit Aerogelen als Konstruktionswerkstoff. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) Heft 9, S. 654 bis 661 wurde Silika-Aerogelgranulat in eine nicht näher beschriebene Matrix aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) eingebettet, um die Druckfestigkeit von Aerogelbeton zu verbessern. Die gemessenen Wärmeleitfähigkeiten lagen zwischen λ = 0,06 W/(m-K) für Mischungen mit einer Rohdichte von p < 400 kg/m3 und λ = 0,10 W/(m- K) für Mischungen mit einer Rohdichte von p = 570 kg/m3. Die Druckfestigkeit für Mischungen im Bereich 500 kg/m3 < p < 620 kg/m3 wurde zu 1,4 < cm,prism4o ^ 2,5 MPa bestimmt, so dass prinzipiell der beabsichtigte posi¬ tive Effekt der UHPC-Matrix auf die Druckfestigkeit beobachtet werden kann. Die Druckfestigkeit des Aerogelbetons mit p < 400 kg/m3 wurde nicht untersucht. Die weiteren Ergebnisse der Untersuchungen in Hub et al. zeigen, dass Aerogelbeton einen niedrigen E-Modul (ECm = 1100 MPa), einen hohen Frostwiderstand, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (5,3 x 10"6 1/K), eine hohe Schwindneigung (2,2 mm/m) und eine sehr niedrige Verbundspannung (0,95 N/mm2 bei einem Schlupf von 0,02 mm für Betonstahl 0 8 mm) aufweist. Die Leis- tungsfähigkeit der untersuchten Aerogelbetone auf UHPC-Basis lag bei 25,2- 10~3 MNm2K/Wkg.
Die Druckfestigkeit, die Biegezugfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Aerogelbeton wurden auch in Gao T., Jelle B.P., Gustavsen A., Ja- cobsen S., Aerogel-incorporated concrete: An experimental study.
Construction and Building Materials 52 (2014), S. 130-136 untersucht. Für die untersuchten Mischungen wurden hydrophobiertes Aerogelgra- nulat mit einer Korngröße von 2 bis 4 mm, CEM I 52,5 R, Silikastaub, Plastifizierer, Sand und destilliertes Wasser verwendet. Der Wasser- Bindemittel-Wert wurde auf 0,4 festgelegt, das Volumen der Zuschläge (Aerogel und Sand) auf 60 Vol.-%. Hierbei variierte der Aerogelanteil zwischen 0 und 60 Vol.-%, was zu Rohdichten im Bereich von 1.000 kg/m3 und 2.300 kg/m3 führte. Für die interessanteste Mischung mit einem Aerogelanteil von 60 Vol.-% waren die Ergebnisse
λ = 0,26 W/(m-K), Cm,prism4o = 8,3 MPa und = 1,2 MPa. Es wurden mathematische Beziehungen für die Zusammenhänge zwischen Wärmeleitfähigkeit und Dichte sowie Druckfestigkeit und Dichte abgeleitet. Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Aerogelbetone betrug vorzugsweise zwischen 13,9- 10"3 und 28,7- 10"3 MNm2K/Wkg.
In Ng S., Jelle B.P., Sandberg L.I.C., Gao T., Wallevik O.H., Experimental investigations of aerogel-incorporated ultra-high
Performance concrete. Construction and Building Materials 77 (2015), S. 307-316 wird über weitere Optimierungen des Aerogelbetons berichtet. Hier wurden 20 bis 80 Vol.-% Aerogelgranulat in eine UHPC- Mischung eingebettet, wobei ein Aerogelanteil von 50 Vol.-% als optimal betrachtet wird . Für diese Mischung wurde eine Rohdichte von 1.350 kg/m3, eine Druckfestigkeit von Cm,prism4o = 20 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,55 W/(m-K) ermittelt. Während also eine erhebliche Steigerung der Druckfestigkeit erzielt wurde, blieb die Wärmeleitfähigkeit deutlich über den bislang ermittelten Werten für Aero- gelbetone. Eine Erhöhung des Aerogelanteils auf 70 Vol.-% brachte eine erhebliche Reduzierung der Druckfestigkeit, um den Faktor 4, mit sich ( cm,prism4o = 5,8 MPa), führte aber nur zu einer Verbesserung der Wär¬ meleitfähigkeit um 20% auf λ = 0,44 W/(m-K). Für Probekörper aus parallel hergestellten Zement-Silica-Mischungen, die ohne die für UHPC typischen Feinbestandteile (Sand und Feinsand) hergestellt wurden, wurden bei gleichen Aerogelanteilen erheblich geringere Druckfestigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten beobachtet. Diese Zement-Silica- Mischungen wurden mit einem erhöhten Wasser-Zement-Wert von 0,60 hergestellt, da keine Fließmittel zugegeben wurden. Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Aerogelbetone lag vorzugsweise zwischen 21,8- 10~3 und 25,4- 10~3 MNm2K/Wkg.
Bislang zeigte Aerogelbeton hervorragende physikalische Eigenschaften, aber der niedrige E-Modul, die hohe Schwindneigung, die geringen Verbundspannungen und insbesondere die Druckfestigkeit, die noch immer unter der von Ziegel- oder Leichtbetonmauerwerk mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit liegt (Tabelle 1 = charakteristische Werte), stehen einer Anwendung von Aerogelbeton für tragende Wände von mehrgeschossigen Gebäuden entgegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung druckfester jedoch wenig wärmeleitfähiger Betone, Betonfertigtei- le, Estriche, Fertigteilestriche, (GFK-)bewehrte Betone, Brandschutzplatten, Bauelemente zur thermischen Trennung und Mauersteine.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch eine Aerogelbetonmischung enthaltend :
10 bis 85, insbesondere 75 Vol.-%/m3 Aerogelgranulat mit einer Korngröße im Bereich von 0,01 bis 4 mm,
100, insbesondere 200 bis 900 kg/m3 anorganisches hydraulisches Bindemittel,
10, insbesondere 20 bis 40 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens einer Kieselgel-Suspension,
1, insbesondere 2 bis 5 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens eines Fließmittels,
0,2 bis 1 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittelgehalt wenigstens eines Stabilisierers sowie
0, insbesondere 10 bis 60 Vol.-%/m3 wenigstens eines Leichtzuschlages, beispielsweise Leichtsande, Blähton und/oder Blähglas.
Erfindungsgemäß werden Hochleistungsbetone erhältlich, bei denen durch Einbettung von Aerogelgranulat in eine hochfeste Zementmatrix „Aerogelbeton" entwickelt wird, der die Vorzüge von herkömmlichen Betonen (hohe Druckfestigkeit, beliebige Formbarkeit) mit den Eigenschaften eines Wärmedämmstoffs vereint. Kern der Erfindung ist somit die Entwicklung eines Baustoffs, der bei vergleichbaren Wärmeleitfähigkeiten die Druckfestigkeiten von konventionellem Wärmedämmmauerwerk deutlich übertrifft und sich somit zur Herstellung von einschaligen Außenwänden mehrgeschossiger Gebäude ohne weitere Wärmedämmung eignet. Auf Grundlage der Mischungszusammensetzungen für Hochleistungsbeton (HPC), Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und Leichtbeton (LC) werden Mischungen für Aerogelbeton bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Aerogelbeton weist außerordentliche Wärmedämmeigenschaften und eine mit Normalbeton vergleichbare Druckfestigkeit auf. Die hervorragenden Wärmedämmeigenschaften werden durch die Verwendung von Aerogelgranulat in einer Menge von 10 Vol. % bis 85, vorzugsweise 70 Vol.-%/m3, insbesondere 60 bis 65, bevorzugt 50 bis 70 Vol.-%/m3 erreicht. Die Korngröße des Aerogels beträgt 0,01 bis 4 mm, insbesondere 1 bis 4 mm. Diese Korngröße kann durch einfaches Sieben erhalten werden. Hierbei werden Feinbestandteile, insbesondere Staub entfernt. Die Anwesenheit dieser Feinbestandteile führt zu einer Verschlechterung der Druckfestigkeitswerte.
In DE 10 2006 033 061 AI wird der Mischung Sand zugegeben, wie es üblicherweise bei der Mischung von Betonen und Mörtel der Fall ist. Erfindungsgemäß wird jedoch auf Sand und Grobzuschläge vorzugsweise vollkommen verzichtet (ausgenommen Mischungen mit zusätzlichen Leichtzuschlägen).
Die Zusammenstellung der einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Aerogelbetons erfolgt unter Berücksichtigung der bekannten M ischungszusammensetzungen für HPC, UHPC und LC. Die untersuchten Komponenten sind nachstehend aufgeführt:
• Portlandzement,
• Mikrosilika (Staub und Suspension),
• Verschiedene übliche Zuschläge,
• Quarzsand,
• Betonverflüssiger, • Stabilisierer,
• Aerogelgranulat,
• Wasser,
• Leichtzuschläge (beispielsweise Leichtsande, Blähton, Blähglas).
Die aus diesen Komponenten hergestellten und untersuchten Mischungen werden nachfolgend beschrieben:
Erfindungsgemäß wurde der Einfluss der oben aufgeführten Komponenten untersucht. Dazu wurden 25 Mischungen (prismatische Probekörper) mit dem Ziel einer Druckfestigkeitserhöhung hergestellt. Die Konzentrationen der Additive, des Betonverflüssigers, des Mikrosilika und des Portlandzements wurden hierzu variiert. Danach wurden die besten Mischungen weiter optimiert. Hierfür wurden Würfelprobekörper mit 15 cm Kantenlänge entsprechend der deutschen Normung (EN 12390- 3 : 2009-7 Testing hardened concrete - Part 3 : Compressive strength of test specimens. Berlin : Beuth Verlag; 2009) untersucht. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf diese optimierten Mischungen Ml bis M7. l l .
Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Entwicklung der Druckfestigkeit von Aerogelbeton ist die Art der Lagerung. Im Rahmen der Untersuchungen wurden drei verschiedene Lagerungsarten berücksichtigt: Trockenlagerung bei einer Umgebungstemperatur von 20°C ± 2°C, gemischte Lagerung nach EN 12390-2 (EN 12390-2 Ber 1 : 2012-02
Testing hardened concrete - Part 2: Making and curing specimens for strength tests. Annex NA. Berlin : Beuth Verlag; 2012) für sechs Tage unter Wasser bei einer Wassertemperatur von 20°C ± 2°C und die darauffolgenden 12 Tage an der Luft bei einer Umgebungstemperatur von 20°C ± 2°C. In Schachinger, I. Untersuchungen an Hochleistungs- Feinkorn-Beton. 38. DAfStb-Forschungskolloquium. TU München; 2000 p. 55-66 wird über positive Einflüsse einer Wärmebehandlung auf die Druckfestigkeit von HPC berichtet. Daher wurden auch Probewürfel mit einem Betonalter von 24h für 24h im Trockenschrank wärmebehandelt. Alle Würfel wurden im Betonalter von 24h ausgeschalt, bevor sie unter den drei genannten verschiedenen Lagerungsbedingungen gelagert wurden.
Für jede Mischung und jede Lagerungsart waren jeweils drei Probekörper erforderlich. Zudem wurde die Druckfestigkeit wie oben aufgeführt jeweils im Betonalter von sieben und 28 Tagen bestimmt. Daher wurden für jede Mischung insgesamt 18 Probekörper hergestellt.
Um den Einfluss der Wärmebehandlung und die Hydratationswärme des Aerogelbetons zu bestimmen, wurde die Temperatur während des Hydratationsprozesses durch einen im Kern der Probewürfel einbetonierten Temperatursensor gemessen. Für jede Mischung wurden entsprechend der drei Lagerungsarten drei Temperaturmessungen durchgeführt (Fig. l). Fig. 1 zeigt die Temperaturkurven für die Mischung MIO. Während der ersten Stunden konnte ein signifikanter Anstieg der Kerntemperaturen beobachtet werden. Nach fünf bis acht Stunden wurde die maximale Temperatur erreicht. Die hohe Kerntemperatur ergab sich aus dem hohen Zementgehalt und der Zugabe von Silikastaub (siehe auch Held M. Hochfester Konstruktions-Leichtbeton. Beton 1996;7:411 bis 415). Die drei Temperaturkurven fallen nicht so stark ab wie sie ansteigen. Unabhängig von der Höchsttemperatur war die Kerntemperatur für die Mischungen Ml bis M13 nach 26h zwischen 20°C und 25°C. Während dieser Zeitspanne wurde die Luft- bzw. Wassertemperatur zwi- sehen 20°C und 25°C gehalten. Daher ist davon auszugehen, dass der Hydratationsprozess nach 26h abgeschlossen war.
Die Wärmebehandlung der Probewürfel ist ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.
Der Trockenschrank wies eine Umgebungstemperatur zwischen 84°C und 93°C auf. Die Kerntemperatur der Betonwürfel erreichte einen
Höchstwert von 80°C und hängt im Wesentlichen vom hohen Zementanteil und dem Silikaanteil ab. Der Einfluss der gewählten Wärmebehandlung auf die Druckfestigkeit ist gering.
Die Ergebnisse der Druckfestigkeitsuntersuchungen und die zugehörigen Rohdichten sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2: Mischungszusammensetzungen, Druckfestigkeiten nach 28
Tagen (7 Tagen) , Wärmeleitfähigkeiten und Leistungsfähigkeit der optimierten Mischungen
Mischung M7.10 M7.8 Ml MIO M9 M7.7 M2 M7.5 M7.3 M7.1
Aerogelgehalt
77 70 60 60 60 65 60 60 55 45 [Vol.-%]
CEM I 52,5 R
202,0 348,9 500,8 534,6 502,8 473,0 541,7 559,5 647,5 846,2 [kg/m3]
Microsilica-Pulver /
60,6 104,7 65,1 139,0 66,2 141,9 140,8 167,8 194,3 253,9 Suspension [kg/m3]
Fließmittel [kg/m3] 9,1 15,7 19,0 19,0 19,3 21,3 19,0 25,2 29,1 38,1
Stabilisierer [kg/m3] 1,0 1,7 2,7 2,5 2,4 2,8 3,2 4,2
Wasser [kg/m3] 80,8 94,2 204,1 97,9 190,5 71,0 97,0 69,9 68,0 50,8
Trockenrohdichte
487 690 850 860 880 888 1015 1133 1326 1450 p [kg/m3]
Trockenlagerung : fcm
- - 7,4 8,9 9,9 - 11,5 - - - [MPa]
Wärmebehandlung :
- - 7,8 10,0 9,5 - 12,7 - - - [MPa]
Gemischte Lagerung :
1,4 4,8 8,4 9,3 9,2 5,94 13,9 16,8 26,0 24,7 [MPa]
Gemischte Lagerung :
1,3 4,3 8,1 8,9 6,6 7,07 10,3 16,4 27,4 27,2 [MPa] Warme eitfahigkeit λ
0,168 "") Ο,ΐδδ**1 0,199'"> - 0,19 > 0,255*' [W/mK]
Leistungsfähigkeit P . _
64,4 55,6 33,6 - 77,6 76,9
[10 3- MNm2K/Wkg] ' '
*' HFM-Verfahren
**' THB-Verfahren
Die angegebenen Druckfestigkeiten fcm werden definiert als die mittlere Druckfestigkeit von Würfelprobekörpern mit 150 mm Kantenlänge nach 28 Tagen, Cm,7 als die mittlere Druckfestigkeit von Würfelprobekörpern mit 150 mm Kantenlänge nach 7 Tagen.
Die meisten Mischungen erzielten die höchste Druckfestigkeit bei gemischter Lagerung. Die frühe Wärmebehandlung führte nicht zu signifikant höheren Druckfestigkeiten. Im Hinblick auf die Druckfestigkeiten nach sieben und 28 Tagen konnte kein eindeutiger Trend beobachtet werden.
Ein Vergleich zwischen den in Tabelle 2 angegebenen Werten mit den Werten aus dem Stand der Technik (Tabelle 1 und S. 4 bis S. 7) zeigt deutlich, dass die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Hochleis- tungsaerogelbetone z.T. erheblich größer ist als bei den bekannten Leichtbaustoffen und Aerogelbetonen. Als Hochleistungsaerogelbeton im Sinne der Erfindung ist ein Aerogelbeton zu verstehen, der eine Leistungsfähigkeit von mindestens 30,0 - 10 3 MNm2K/Wkg aufweist.
Der Zusammenhang zwischen Rohdichte und Druckfestigkeit ist in Fig. 2 für 13 Mischungen mit gemischter Lagerung aufgetragen. Hierzu wurde eine lineare Regressionsanalyse durchgeführt. Der Determinationskoeffizient wurde zu 0,93 errechnet, was eine hohe Korrelation zwischen Rohdichte und Druckfestigkeit zeigt. Nach Gibson L.J., Ashby M.F. Cellu- lar solids. Cambridge University Press. 2nd Edition. Cambridge; 1997; p. 213 kann die Druckfestigkeit poröser Körper als Funktion der Rohdichte berechnet werden. Hier wurden für o und acr° die Werte des verwendeten Portlandzements eingesetzt. σσ = ο,2. σΙ . {ρΐΡΰψΙ2) Gleichung (1)
Unter Berücksichtigung der Untersuchungen an Aerogelbeton aus Ratke (loc. cit.) sollte der Exponent 3/2 in dieser Gleichung durch % ersetzt werden. Beide Funktionen sind in Fig. 2 dargestellt. In den experimentellen Untersuchungen des Instituts für Massivbau (IfM) erreichten die meisten optimierten Mischungen höhere Druckfestigkeiten als aufgrund von Gl. (1) nach Ratke (loc. cit.) und Gao et al. (loc. cit) zu erwarten war. Fig. 3 zeigt die Druckfestigkeit von 13 Mischungen in einem Betonalter von 28 Tagen im Verhältnis zur Rohdichte.
Die Wärmeleitfähigkeit einiger Mischungen (siehe Tabelle 2) wurde mit dem„Transient Hot Bridge"-Messverfahren (THB) oder dem„Heat Flow Meter" (HFM) bestimmt. Die Ergebnisse des IfM und von Gao et al. (loc. cit) sind in Fig. 3 dargestellt. Eine Korrelation zwischen Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit ist deutlich erkennbar. In beiden Untersuchungen steigt die Wärmeleitfähigkeit mit größer werdender Druckfestigkeit (und Rohdichte) an. Die Versuchsergebnisse aus Gao et al. (loc. cit.) liegen zwischen 8 MPa und 62 MPa mit zugehörigen Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,26 W/(m- K) und 1,9 W/(m-K), während die erfindungsgemäß ermittelten Druckfestigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten zwischen 1,4 MPa und 26 MPa bzw. 0,082 W/(m-K) und 0,255 W/(m- K) liegen. Das heißt im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden bei vergleichbaren Druckfestigkeiten kleinere Werte für die Wärmeleitfähigkeit und somit bessere Wärmedämmeigenschaften festgestellt. Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
Auf Grundlage der bekannten Rezepturen für HPC, UHPC und LC wurde erfindungsgemäß Aerogelbeton mit einer Druckfestigkeitssteigerung unter Beibehaltung guter Wärmedämmeigenschaften erhalten.
Die Druckfestigkeit korrelierte mit der Rohdichte und erreichte Werte bis zu 26,0 MPa. Im Hinblick auf die Druckfestigkeiten nach sieben und 28 Tagen konnte kein eindeutiger Trend beobachtet werden. Die Wärmeleitfähigkeiten wurden zu 0,082 < λ < 0,255 W/(m-K) bestimmt, was mit guten Wärmedämmeigenschaften gleichzusetzen ist.
Im Vergleich zu Wärmedämmmauerwerk weist der erfindungsgemäße Hochleistungsaerogelbeton größere Druckfestigkeiten bei vergleichbaren Wärmeleitfähigkeiten auf.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren zu Herstellung von Aerogelbetonen unter Verwendung der oben beschriebenen Mischung mit Wasser. Hierbei ist die Mischreihenfolge von besonderer Bedeutung.
Mischungen für hochfeste (HPC) und ultrahochfeste Betone (UHPC) werden üblicherweise so hergestellt, wie es in Bundesverband der deutschen Zementindustrie, Zement-Merkblatt Betontechnik B 16 10.2002, Hochfester Beton / Hochleistungsbeton. Leipzig 2002, beschrieben ist: „Um eine optimale Homogenisierung speziell der Feinststoffe zu erzielen, hat sich die Dosierreihenfolge Gesteinskörnungen, Zement, Wasser und anschließend Flugasche und Silikastaubsuspension als günstig erwiesen. Zur optimalen Wirkung der Zusatzmittel sollten diese nach der Wasser- und Silikastaubzugabe dosiert werden." Mischungen, die auf diese Weise hergestellt wurden, weisen, wie der Stand der Forschung und eigene Untersuchungen belegen, nur geringe Druckfestigkeiten und Leistungsfähigkeiten auf.
Gegenüber dieser dem Fachmann geläufigen Mischreihenfolge wurde das Mischregime bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise folgendermaßen verändert: Im Vorfeld werden Vormischungen der flüssigen Bestandteile hergestellt. Hierzu werden 1/3 des Zugabewassers mit dem Fließmittel und 1/4 des Zugabewassers mit der
Silicasuspension vermischt. Danach werden das Aerogelgranulat und - sofern vorhanden - die Leichtzuschläge miteinander vermischt. Nach einer Mischzeit von ca. 30 bis 60 Sekunden wird das Wasser-Silika- Gemisch hinzugegeben. Nach weiteren 30-60 Sekunden Mischzeit werden das Wasser-Fließmittel-Gemisch und der Stabilisierer in die Mischung gegeben. Danach ist der Mischvorgang anzuhalten, um das anorganische Bindemittel in den Mischer zu füllen. Nach erneutem 1-2- minütigen Mischen werden die Dosierbehälter für die Silicasuspension und das Fließmittel mit jeweils 50 Vol-% des verbleibenden
Zugabewassers befüllt, damit ausgespült und in den Mischer entleert. Die gesamte Mischung wird weitere 2-10 Minuten gemischt, bevor sie verarbeitet werden kann. Die auf diese Weise hergestellten Mischungen zeigten überraschender Weise eine erheblich größere Druckfestigkeit und Leistungsfähigkeit als bei der Verwendung konventioneller Mischregime (siehe Tabelle 2).
Das Zugabewasser wird so dosiert, dass Wasser-Bindemittelwerte (w/b- Werte) von 0,15 - 1,00, insbesondere 0,20 - 0,60, bevorzugt 0,28 - 0,35, resultieren. Für die Berechnung des w/b-Wertes ist hier nur der Anteil des hydraulischen Bindemittels ohne weitere feste Bestandteile, wie z.B. das Silica, anzusetzen.
Besonders niedrige w/b-Werte und damit verbunden hohe Druckfestigkeiten werden erhalten, wenn man das Zugabewasser vor der Vermischung mit den festen Bestandteilen kühlt, insbesondere auf eine Temperatur von weniger als 10°C, besonders bevorzugt auf weniger als 5°C.
Kieselgel-Suspensionen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Handel erhältlich und umfassen insbesondere ein sehr reaktives, amorphes Mikrosilica-Wasser-Gemisch mit hoher spezifischer Oberfläche, beispielsweise MC Centrilit Fume SX: Blaine-Wert 20000, das heißt 4 bis 5 Mal größer als Zement / Bindemittel.
Das Kieselgel kann in Pulverform oder als Suspension zugegeben werden, wobei der Feststoffgehalt der Suspension üblicherweise 50 Vol. -% beträgt. D.h. die Silicasuspension verfügt über einen Wirkstoffgehalt von 50 Vol.-%, 50 Vol.-% bestehen üblicherweise aus Wasser.
Fließmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Handel erhältlich und umfassen insbesondere im Handel erhältliche Polycarboxylate, beispielsweise Powerflow 3100: Polycarboxylatether mit 30 Gew. % Feststoffgehalt, hoher Ladungsdichte und kurzen Seitenketten.
Stabilisierer im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Handel erhältlich und umfassen insbesondere im Handel erhältliche organische Polymere, beispielsweise MC Stabi 520, Wasser aufsaugende und Wasser einlagernde Cellulose.
Neben den oben genannten Bestandteilen der Aerogelbetonmischung können die erfindungsgemäßen Mischungen auch weitere übliche Betonzusatzmittel und Betonzusatzstoffe enthalten.
Betonzusatzmittel sind in den Europäischen Normen EN 934„Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel" die in allen CEN- Mitgliedsländern verbindlich gelten, definiert. Der Teil 2 der EN 934 enthält die Definitionen und Anforderungen an Betonzusatzmittel :
„Ein Stoff, der während des Mischvorgangs des Betons in einer Menge hinzugefügt wird, die einen
Masseanteil von 5 % des Zementanteils im Beton
nicht übersteigt, um die Eigenschaften der Betonmischung im frischen/ und/oder erhärteten Zustand zu verändern."
Die EN 934-2 enthält Definitionen und Anforderungen für folgende einzelne Wirkungsgruppen:
• Betonverflüssiger,
• Fließmittel,
• Stabilisierer, • Luftporenbildner,
• Beschleuniger: Erstarrungsbeschleuniger und Erhärtungsbeschleuniger,
• Verzögerer und
• Dichtungsmittel.
Sand (Kornrohdichte p > 2000 kg/m3) ist im Allgemeinen nicht erforderlich, da dieser durch Aerogelgranulat oder/und Leichtzuschläge ersetzt wird . Unter Leichtzuschlägen sind leichte Gesteinskörnungen oder Leichtsande mit einer Kornrohdichte p < 2000 kg/m3 zu verstehen.
Bauelemente aus Aerogelbeton, die mit den angegebenen Mischungszusammensetzungen und nach dem beschriebenen Mischregime hergestellt werden, zeichnen sich im Vergleich zu den bislang bekannten Ae- rogelbetonen überraschender Weise durch eine sehr kurze Erhärtungsdauer und eine sehr schnelle Festigkeitsentwicklung aus. Bereits nach 15-30 Minuten ist ein Erstarren des Frischbetons zu beobachten, und nach ca. 26 Stunden ist der Hydratationsprozess nahezu vollständig abgeschlossen (siehe auch Fig . 1), so dass zu diesem Zeitpunkt die Druckfestigkeit schon ca. 80% der Druckfestigkeit nach 28 Tagen beträgt.
Die erfindungsgemäßen Wand-/Deckenelemente beziehungsweise Mauersteine aus gradiertem Aerogelbeton weisen eine hohe Tragfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Sie ermöglichen damit die Herstellung einschaliger Außenwandkonstruktionen von mehrgeschossigen Wohn- und Nichtwohngebäuden ohne zusätzliche Wärmedämmung, wie sie beispielsweise bei Wärmedämmverbundsystemen (WDVS) oder zweischaligem Mauerwerk mit Kerndämmung erforderlich ist (siehe oben). Zusätzliche Schalen sind jedoch gleichbedeutend mit einem größeren Herstellungsaufwand und damit höheren Kosten. Hinzu kommen konstruktive Problemstellungen (Brandschutz bei EPS- und XPS- Dämmstoffen, Befestigungstechnik, Fassadenveralgung,
Recyclierbarkeit von WDVS).
Unter„gradiertem Aerogelbeton" ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass Bauelemente aus mindestens zwei Schichten (Layern) verschiedener Aerogelbetonmischungen hergestellt werden. Solche Bauelemente können„frisch in frisch" oder„frisch auf fest" gefertigt werden. Im ersten Fall wird zunächst die erste Schicht Aerogelbeton betoniert, die zweite Schicht wird unmittelbar im Anschluss, noch vor Erhärten des ersten Layers, gefertigt. Beim„frisch auf fest" -Verfahren wird der zweite Layer erst nach Erhärtung der ersten Schicht hergestellt. Unabhängig vom gewählten Verfahren entsteht ein Endprodukt, das einen mehrschichtigen Aufbau aufweist, wobei die Schichten druck-, zug- und schubfest miteinander verbunden sind .
Die Tragfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Wandkonstruktionen aus Aerogelbeton konnten weiter optimiert werden, indem der Baustoff Aerogelbeton auf diese Weise gradiert oder abgestuft eingesetzt wurde (Fig. 4). Hierbei wurden zwei Ansätze verfolgt: Zum einen wurden die Wandelemente so konzipiert, dass verschiedene Schichten eines Materials angeordnet wurden, dessen Zusammensetzung für jede Schicht individuell festgelegt wurde (gradiertes Monostoffbauteil). Hierdurch entstand ein Bauelement für einschalige Wände, das aus verschiedenen Schichten bestand, die jeweils primär die mechanischen oder bauphysikalischen Anforderungen erfüllten. Zum anderen wurde als Material für diese verschiedenen Schichten Aerogelbeton eingesetzt, der einen signi- fikant günstigeren Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufwies als konventionelle Wandbaustoffe für massive Außenwände. Für die Tragschicht wurde der oben angegebene Hochleis- tungsaerogelbeton mit hoher Druckfestigkeit ( em = 25 MPa), aber verhältnismäßig niedriger Wärmeleitfähigkeit (Λ = 0,25 W/(m- K)) verwendet, für die Dämmschicht ein Aerogelbeton mit ausreichender Druckfestigkeit und sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit. Bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Prototypen wurden für die Dämmschicht Aerogelbe- tone mit fcm = 2 MPa und λ = 0,09 W/(m-K) hergestellt und eingesetzt.
Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung insoweit ist die Kombination des an sich bekannten Aerogelbetons mit der Konstruktionsweise eines gradierten Baustoffes. Hiervon abzugrenzen sind funktional gradierte Betone, bei denen Aerogelbeton ausschließlich als poröser Füllstoff für nichttragende Bereiche von Bauteilen eingesetzt wird.
Um die Anforderung an den Trittschallschutz im Hochbau zu erfüllen, werden sogenannte "schwimmende Estriche" verwendet. Diese bestehen aus einer mindestens 35 bis 75 mm dicken Schicht aus Zement-, Calciumsulfat-, Gussasphalt-, Magnesia- oder Kunstharzestrich, die auf einer zusammendrückbaren, ca. 20 bis 50 mm dicken Schicht aus Dämmstoffen (EPS-Schaum, Mineralwolle) angeordnet ist. Die Dicke der Estrichschicht ist bei Anordnung von Fußbodenheizungen um das Maß des Heizrohrdurchmessers zu erhöhen, so dass in der Praxis Estrichdicken von mehr als 10 cm zu beobachten sind. Die Dichte der oben aufgeführten Estricharten variiert zwischen 2,0 und 3,0 kg/dm3, demzufolge liegt die Eigenlast der Estrichschichten zwischen 0,7 kPa und etwa 3,0 kPa. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Estriche beträgt zwischen λ = 0,5 W/(m-K), (Magnesia Estrich) und λ = 1,4 W/(m-K), (Zementestrich). Zementestriche sind je nach Festigkeitsklasse sehr belastbar, sind auch für Feuchträume geeignet, neigen aber zu Rissbildung und zum Aufschüsseln und benötigen lange Trocknungszeiten von mehreren Wochen oder Monaten (je nach Dicke). Anhydrit-Estriche haben deutlich kürzere Trocknungszeiten von etwa einer Woche, sind aber weniger belastbar und nicht für Feuchträume geeignet. Gussasphalt-Estriche erreichen ihre mechanischen Eigenschaften unmittelbar nach dem Abkühlen und sind sehr robust, weisen eine gute Trittschalldämmung auf, sind im Brandfall aber als kritisch zu bewerten (Brandausbreitung, toxische Brandgase). Magnesia-Estriche sind leicht sowie mechanisch belastbar, sind aber ebenfalls sehr feuchteempfindlich. Kunstharzestriche sind beständig gegen Wasser und viele Chemikalien, trocknen sehr schnell und sind mechanisch sehr belastbar, werden aber wegen möglicher Emission von Schadstoffen kritisiert. Der Einsatz von Aerogelbeton als Estrich war bislang aufgrund der geringen Druck- und Biegezugfestigkeiten nicht möglich.
Der erfindungsgemäße Aerogelestrich vereint die Vorteile der genannten Estriche, weist dabei aber keine der genannten Nachteile auf. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Anmeldung besteht darin, Hochleistungs- aerogelbeton als Material für die Herstellung von schwimmendem Estrich zu verwenden - Aerogelestrich. Diese Anwendung von Aerogelbeton als Estrich wurde erst durch die Entwicklung des erfindungsgemäßen Hochleistungsaerogelbetons und der damit einhergehenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Die erfindungsgemäßen Untersuchungen zeigen, dass Estrich aus Hochleistungsaero- gelbeton bei kleinen Rohdichten (etwa 0,5 - 1,0 kg/dm3) hohe Druck- festigkeiten (bis ca. 10 MPa), ausreichende Biegezugfestigkeiten (etwa 2 - 3 MPa) und geringe Wärmeleitfähigkeiten (A = 0,06 - 0,16
W/(m-K)) aufweist. Die Biegezugfestigkeit und das Schwind- beziehungsweise Rissverhalten können beispielsweise durch Zugabe von Glasfasern verbessert werden.
Aerogelbetone trocknen innerhalb weniger Tage und zeigen nach Aushärtung nur ein geringes Wasseraufnahmevermögen. Aerogele sind nicht toxisch, nicht kanzerogen und wurden vom Umweltbundesamt der Bundesrepublik Deutschland als "weitgehend ungefährliches Material" eingeordnet. Aerogelbeton ist ein hervorragender Brandschutzwerkstoff und weist eine hohe Schallabsorption auf.
Durch die geringe Rohdichte ergeben sich bei üblichen Estrichdicken Eigenlasten zwischen ca. 0,25 kPa und ca. 1,0 kPa. Die reduzierte Eigenlast führt dazu, dass die tragenden Bauteile eines Gebäudes weniger belastet und daher schlanker dimensioniert werden können. Weiterhin ergeben sich hierdurch Anwendungspotentiale beim Bauen im Bestand, wo der Estrich auch in Form vorgefertigter Estrichplatten eingesetzt werden kann. Gegebenenfalls ist, bedingt durch das geringe Gewicht, den niedrigen E-Modul und die hohe Schallabsorption von Aerogelestrich im Sinne der vorliegenden Erfindung die zusammendrückbare Schicht unter dem Estrich entbehrlich, so dass der Estrich direkt auf die Geschossdecken aufgebracht werden kann.
Vorgefertigte Bauplatten aus Hochleistungsaerogelbeton eignen sich aber nicht nur als Fertigteilestrichelemente, sondern auch als Brandschutzplatten. Entflammbare Bauelemente oder Bauelemente, deren mechanische Eigenschaften sich unter Einwirkung hoher Temperaturen in tragsicherheitsrelevanter Weise verändern, müssen vor Brandeinwirkung wirksam geschützt werden. Die erfindungsgemäßen Brandschutzplatten aus Aerogelbeton werden als Verkleidung auf die zu schützenden Bauteile aufgebracht. Aufgrund der hervorragenden brandschutztechnischen Eigenschaften des Materials werden die verkleideten Bauteile nicht nur wirksam vor unmittelbarer Beflammung geschützt, sondern wegen der extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit bleibt die Temperatur auf der Plattenrückseite im Brandfall so niedrig, dass eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der zu schützenden Bauteile ausgeschlossen ist.
Aktuell verwendete Brandschutzplatten sind im Regelfall zementgebundene, glasfaserbewehrte Bauplatten, denen mineralische Leichtzuschläge wie beispielsweise Blähton zugegeben werden, oder
Calciumsilikatplatten. Diese Platten schützen zwar wirksam vor unmittelbarer Beflammung, weisen aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit (ca. λ = 0,18 - 0,25 W/(m-K)) im Brandfall auf der Plattenrückseite Temperaturen auf, die für besonders empfindliche Bauelemente wie mit Epoxidharz aufgeklebte CFK-Lamellen oder CFK-Gelege schädlich sein können. Einige der bekannten Brandschutzplatten sind auch für die Anwendung bei direkter Bewitterung, das heißt im Außenbereich, zugelassen, weisen aber aufgrund der stark saugenden Leichtzuschläge eine hohe Wasserabsorption auf (ca. 0,5 g/cm3). Brandschutzplatten auf Gipsbasis sind nicht für den Einsatz im Außenbereich geeignet.
Die erfindungsgemäßen Brandschutzplatten aus Aerogelbeton weisen gegenüber Platten aus Leichtbeton eine erheblich reduzierte Wärmeleit- fähigkeit auf (ca. λ = 0,06 - 0,17 W/(m-K)). In Brandversuchen haben Bauteile aus Aerogelbeton ihre hervorragenden Brandschutzeigenschaften unter Beweis gestellt. Die Temperaturen auf der Bauteilrückseite sind um den Faktor 2 bis 3 geringer als bei Leichtbetonbauteilen. Überdies sind Aerogele bei normalen Umgebungstemperaturen hydrophob, so dass für Aerogelbeton eine erheblich niedrigere Wasserabsorption als für Leichtbeton erwartet wird (ca. 0,1 g/ cm3). Bei hohen Temperaturen (beispielsweise im Brandfall) verlieren die Aerogele ihre hydrophobe Eigenschaft und verhalten sich hydrophil. Eingesetztes Löschwasser wird dann von den Platten absorbiert und führt zu einer zusätzlichen Kühlung der Platten. Aerogelbeton verfügt im Vergleich zu Leichtbeton bei gleicher Wärmeleitfähigkeit über höhere Druckfestigkeiten. Die Biegezugfestigkeit kann durch die Zugabe von Glasfasern verbessert und auf den individuellen Bedarf abgestimmt werden.
Ein wesentliches weiteres Element der Erfindung besteht darin, die bekannten brandschutztechnischen Vorzüge von Aerogelbeton mit dem Einsatzgebiet konventioneller Brandschutzplatten zu verknüpfen. Diese Einsatzmöglichkeit ergibt sich aus der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des oben angegebenen Hochleistungsaerogelbetons - bislang hergestellte Aerogelbetone weisen eine zu geringe Druck- und Biegezugfestigkeit auf.
Brandschutzplatten aus Aerogelbeton können aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften bei gleicher Leistungsfähigkeit dünner hergestellt werden als vergleichbare Leichtbetonplatten (Gewichtseinsparung, Handhabbarkeit). Die Herstellung von Brandschutzplatten größerer Dicke, die die Eigenschaften konventioneller Platten übertreffen, ist eben- falls möglich. Die erheblich herabgesetzten Temperaturen auf der Plattenrückseite führen dazu, dass Aerogelbeton-Brandschutzplatten auch in kritischen Bereichen wie beim Brandschutz von CFK-Lamellen eingesetzt werden können, wo aufgrund der niedrigen Glasübergangstemperaturen des eingesetzten Epoxidharzes auch im Brandfall niedrige Temperaturen gewährleistet werden müssen. Aufgrund des beschriebenen hydrophoben Verhaltens eignen sich die Platten hervorragend für den Einsatz im Außenbereich, etwa beim Brandschutz von Brücken- und Ingenieurbauwerken, die beispielsweise mit aufgeklebten CFK-Lamellen oder Stahllaschen verstärkt werden.
Bauteile aus Aerogelbeton weisen, ähnlich wie Konstruktionselemente aus Leicht- oder Normalbeton, eine im Verhältnis zur Rohdichte hohe Druckfestigkeit auf, aber nur eine (Biege-)Zugfestigkeit, die um den Faktor 5 bis 10 darunter liegt. Für den Einsatz als biegebeanspruchte Bauteile ist daher, wie bei Stahlbeton, eine Bewehrung in den Aerogel- betonbauteilen anzuordnen, die die planmäßig auftretenden Zugkräfte aus Biegung oder zentrischem Zug aufnimmt.
Bislang hergestellte Aerogelbetone waren aufgrund ihrer niedrigen Druckfestigkeit und insbesondere der niedrigen Verbundspannungen nicht dazu geeignet, als bewehrter Aerogelbeton in biegebeanspruchten Bauteilen eingesetzt zu werden. Zudem wurde bisher nur der Einsatz konventioneller Betonstahlbewehrung untersucht. Der erfindungsgemäße Hochleistungsaerogelbeton weist deutlich verbesserte Verbundeigenschaften auf und kann daher als bewehrter Aerogelbeton eingesetzt werden. Erfindungsgemäß werden hierzu Bewehrungselemente aus glasfaserverstärktem Kunststoff verwendet. Aerogelbeton wurde bislang vor allem im Hinblick auf seine Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit optimiert. Die Biegezugfestigkeiten dieser Aerogelbetone sind zu gering für den Einsatz in biegebeanspruchten Bauteilen. Daher wurden sowohl Untersuchungen zum Einsatz von Glasfasern, die dem Aerogelbeton während des Mischungsvorgangs hinzugegeben wurden, als auch zum Verbundverhalten konventioneller Bewehrung aus Betonstahl im Aerogelbeton durchgeführt. Der Einsatz von Glasfasern ging mit einer Verbesserung des Rissverhaltens und einer Erhöhung der Biegezugfestigkeit einher. Allerdings ist eine Erhöhung der Biegezugfestigkeit in einem Maße, das den Einsatz in biegebeanspruchten Bauteilen ermöglichen würde, bislang nicht dokumentiert. Die bekannten Auszugversuche mit Betonstahlbewehrung zeigen, dass das Verbundverhalten von Betonstahl in Aerogelbeton nur mäßig ist. Es wurde festgestellt, dass die Verbundspannungen verhältnismäßig klein sind und der Verbund im Wesentlichen über Haftung erfolgt. Dies steht im Widerspruch zum Tragverhalten von Stahlbetonbauteilen, wo die Haftungskomponente für den Verbund nahezu unbedeutend ist und der Verbund überwiegend über Reibung (glatter Bewehrungsstahl) bzw. mechanische Verzahnung (gerippter Bewehrungsstahl) erfolgt. Der Einsatz von Betonstahl als Bewehrung für Aerogelbetonbauteile ist vor dem Hintergrund dieser Ergebnisse sehr in Frage zu stellen. Dies gilt insbesondere, weil eine weitere elementare Bedingung für das Funktionieren des Verbundwerkstoffs "bewehrter Aerogelbeton" beim Einsatz von Betonstahl nicht erfüllt ist: das Erfordernis, dass die eingesetzten Komponenten die gleiche Wärmeausdehnung besitzen. Konventioneller Beton hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 10 x 10"6 1/K, Betonstahl ebenfalls von 10 x 10"6 1/K und Aerogelbeton ca. 5 x 10"6 1/K. Die Wärmeausdehnung von Betonstahl ist also etwa doppelt so groß wie die von Aerogelbeton, so dass es bei Temperaturbeanspruchung zu Dehnungsdifferenzen zwischen Aerogelbeton und Betonstahl kommen wird, was mit einem Verlust der Haftung einhergeht. In diesem Fall geht die Funktionsfähigkeit des "bewehrten Aerogelbetons" unwiderruflich verloren.
Ein weiteres wesentliches Element der Erfindung besteht darin, die bislang verwendete Bewehrung aus Betonstahl durch eine Bewehrung aus glasfaserverstärktem Kunststoff zu ersetzen. Diese Bewehrung ist im Handel erhältlich, wird bislang aber ausschließlich in Normal- oder konventionellem Leichtbeton eingesetzt. Erfindungsgemäße Untersuchungen des Verbundverhaltens zwischen Hochleistungsaerogelbeton und GFK-Bewehrung haben gezeigt, dass die Verbundspannungen mit bis zu fb = 3 MPa erheblich über den bislang für Aerogelbeton mit Betonstahlbewehrung ermittelten Werten und überdies im Wertebereich von konventionellem Stahlbeton liegen. Der erfindungsgemäße Hochleistungsaerogelbeton ermöglicht somit die Herstellung GFK-bewehrter Aerogel- betonbauteile. Überdies ist GFK-Bewehrung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 x 10"6 1/K deutlich besser für den Einsatz in Aerogelbeton geeignet als Betonstahl. Da Aerogelbetonbauteile fast ausschließlich in Bereichen eingesetzt wird, in denen hohe Anforderungen an den Wärmeschutz gestellt werden, erweist sich der Einsatz von GFK-Bewehrung auch in dieser Hinsicht als besonders vorteilhaft: Die Wärmeleitfähigkeit von GFK liegt mit 0,7 W/(m-K) um den Faktor 85 unter der Wärmeleitfähigkeit von Betonstahl. Da GFK-Bewehrung, anders als Betonstahl, keine Ansprüche an ein alkalisches Milieu stellt, sind kleinere Betondeckungen und damit eine bessere
Querschnittsausnutzung möglich.
Bei der Herstellung der thermischen Hülle von Wohn- und Nichtwohnge- bäuden sind Durchdringungen dieser Hülle unvermeidlich. So entstehen, beispielsweise bei Baikonen aus Stahlbetonkragplatten, die aus statischen Gründen zwingend mit den Geschossdecken des Gebäudes verbunden sein müssen, Wärmebrücken (Fall a)). Weitere geometrische Wärmebrücken können am Fußpunkt massiver Wände und Stützen, die auf ungedämmten / nicht beheizten Bodenplatten oder Kellerdecken stehen, auftreten (Fall b)). Das erfindungsgemäße Bauelement aus Hochleistungsaerogelbeton dient der thermischen Trennung solcher Konstruktionen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Standsicherheit.
Bislang werden zur thermischen Trennung von Stahlbetonplatten Bauelemente eingesetzt, die aus einem Dämmkörper, einer Zugbewehrung und Drucklagern bestehen. Die Dämmkörper werden aus Steinwolle oder Polystyrol-Hartschaum hergestellt und können allein keine tragende Funktion übernehmen. Zur Übertragung von Zugkräften aus Biegemomenten und Querkräften werden Bewehrungselemente aus Betonstahl, Edelstahl oder Glasfasern eingesetzt. Die Übertragung von Druckkräften aus Biegemomenten und Querkräften erfolgt über Drucklager aus Baustahl oder hochfesten Mörteln. Die äquivalenten Wärmeleitfähigkeiten (das heißt die aus den Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Komponenten errechneten Wärmeleitfähigkeiten) solcher Bauelemente liegen im Bereich 0,06 < λ < 0,25 W/(m-K). Für die thermische Trennung von Mauerwerkswänden mit hoher Rohdichte (z.B. Kalksandsteinmauerwerk) werden Mauerwerkssteine eingesetzt, deren Wärmeleitfä- higkeit durch den Einsatz von Leichtzuschlägen gegenüber Kalksandsteinen herabgesetzt wird. Übliche Festigkeiten solcher„Kimmsteine" liegen, in Verbindung mit Mörtelgruppe IIa, im Bereich 6,0 < = f < = 8,1 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei etwa λ = 0,35 W/(m-K). Wärmedämmmauerwerk (etwa aus Porenbeton, Leichtbeton oder Ziegel) kann hier aufgrund der erheblich geringeren Druckfestigkeiten nicht eingesetzt werden.
Bei beiden Bauelementtypen stellt sich die Schwierigkeit, die negativ korrelierenden Eigenschaften "hohe Druckfestigkeit" und "niedrige Wärmeleitfähigkeit" gleichzeitig zu gewährleisten. Im Fall a) betrifft dies insbesondere die Drucklager: Während der Dämmkörper eine Wärmeleitfähigkeit von ca. λ = 0,03 bis 0,035 W/(m-K) aufweist, beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Druckelemente des Standes der Technik aus hochfesten Mörteln ca. λ = 0,80 W/(m- K). Diese punktuellen Wärmebrücken sind, neben der hohen Wärmeleitfähigkeit der Zugstäbe, ursächlich dafür, dass die äquivalente Wärmeleitfähigkeit des Bauelements um den Faktor 2 bis 7 über der Wärmeleitfähigkeit des Dämmkörpers liegt. Technisch war eine Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit der Druckelemente durch den Einsatz von Aerogelbeton aufgrund der geforderten Druckfestigkeiten bislang nicht möglich. Im Fall b) trifft dies auf das gesamte Bauelement zu. Im Fall a) stellt sich überdies das Problem des Brandschutzes, wenn brennbare Materialien (Polystyrol- Hartschaum) als Dämmmaterial verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Hochleistungsaerogelbeton weist ein deutlich günstigeres Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf (Λ < 0,26 W/(m-K) bei einer mittleren Druckfestigkeit von fcm = 25 MPa).
Ein weiteres wesentliches Element der Erfindung besteht darin, im Fall a) die Drucklager oder Teile des Bauelements oder das gesamte Bauelement aus Aerogelbeton herzustellen und im Fall b) das gesamte Bauelement aus Aerogelbeton herzustellen (Fig. 5). Auf diese Weise wird die Wärmeleitfähigkeit der Bauelemente unter Gewährleistung der erforderlichen Druckfestigkeiten erheblich reduziert (im Fall b) z.B. um den Faktor 2). Im Fall a) wird für die Zugbewehrung Betonstahl, Edelstahl oder GFK-Bewehrung verwendet. Durch den Einsatz von GFK- Bewehrung kann die äquivalente Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu anderen Zugbewehrungen weiter herabgesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Aerogelbetonmischung enthaltend
10 bis 85 Vol.-%/m3 Aerogelgranulat mit einer Korngröße im Bereich von 0,01 bis 4 mm,
100 bis 900 kg/m3 anorganisches hydraulisches Bindemittel,
10 bis 40 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens einer Kieselgel-Suspension,
1 bis 5 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens eines Fließmittels,
0,2 bis 1 Gew.-% bezogen auf den Gehalt an Bindemittel wenigstens eines Stabilisierers und
0 bis 60 Vol.-%/m3 wenigstens eines Leichtzuschlages.
2. Aerogelbetonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 60 bis 65 Vol. % Aerogelgranulat enthält.
3. Aerogelbetonmischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogelgranulat eine Korngröße im Bereich von 1 bis 4 mm aufweist.
4. Aerogelbetonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 500 bis 550 kg/m3 anorganisches hydraulisches Bindemittel aufweist.
5. Aerogelbetonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische hydraulische Bindemittel Zement, insbesondere Portlandzement umfasst.
6. Aerogelbetonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselgel-Suspension 1 bis 60 Vol.-%, insbesondere 50 Vol.-% Wirksubstanz (Feststoffgehalt) enthält.
7. Aerogelbetonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen w/b-Wert von 0,20 bis 0,60, insbesondere von 0,28 bis 0,35 aufweist.
8.
Verfahren zur Herstellung eines Aerogelbetons mit einer Aerogelbetonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst Aerogel und gegebenenfalls Leichtzuschläge vermischt, dann ein Wasser-Silika-Gemisch, ein Wasser-Fließmittel- Gemisch und den Stabilisierer, in einer Mischpause das anorganische Bindemittel und nach erneutem Mischen das verbleibende Wasser hinzugibt und weiter mischt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man nach jeweils 30 bis 60 Sekunden Mischzeit ein Wasser-Silika-Gemisch, ein Wasser-Fließmittel-Gemisch und den Stabilisierer, in einer Mischpause das anorganische Bindemittel und insbesondere nach erneutem 1-2-minütigen Mischen das verbleibende Wasser hinzugibt und insbesondere für weitere 2-10 Minuten mischt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass man das Zugabewasser vor dem Vermischen auf eine Temperatur von weniger als 10°C, insbesondere auf weniger als 5°C kühlt.
11. Betone, die mit Bewehrung aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) bewehrt werden, Ortbetone, Betonfertigteile, Estriche, Fertigteilestriche, Brandschutzplatten, Bauelemente zur thermischen Trennung von auskragenden (Stahl-)Betonplatten und -wänden (Wärmedämmelemente für auskragende Bauteile) oder Mauersteine erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10.
12. Gradierte Ortbetonbauteile oder Betonfertigteile nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Tragschicht und eine tragfähige Wärmedämmschicht umfassen.
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