WO2022242862A1 - Frischbeton - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Frischbeton, umfassend Zement, Wasser und folgende Zuschlagstoffe: - Abbruchmaterial, umfassend gebrochenen Beton, - Basaltfasern, - Kalkfiller.
Description
Frischbeton
Die Erfindung betrifft einen Frischbeton gemäß Anspruch 1.
Die Bewehrung von Beton mit nichtmineralischen Fasern, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Fasern oder Polypropylen-Fasern, ist bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Betonwerkstoff anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Frischbeton mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Frischbeton umfasst Zement, Wasser und folgende Zuschlagstoffe:
- Abbruchmaterial, umfassend gebrochenen Beton,
- Basaltfasern,
- Kalkfiller.
In einer Ausführungsform ist der Zement mit einem Anteil von 285 kg/m3 bis 325 kg/m3 pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen.
In einer Ausführungsform ist der Kalkfiller mit einem Anteil von 25 kg bis 150 kg, insbesondere 25 kg bis 75 kg oder 70 kg bis 80 kg, vorzugsweise 50 kg, Kalk pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform sind 3 kg bis 8 kg Basaltfasern pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen.
In einer Ausführungsform liegen die Basaltfasern als gedrehte und/oder gewellte und/oder glatte Stäbchen vor.
In einer Ausführungsform weisen die Basaltfasem einen Durchmesser von
1,2 mm bis 1,4 mm oder 0,8 mm bis 1,0 mm auf und/oder die Basaltfasem weisen eine Länge von 56 mm bis 58 mm oder von 50 mm auf.
In einer Ausführungsform umfasst das Abbruchmaterial zusätzlich Rotanteile aus Ziegeln.
In einer Ausführungsform liegt das Abbruchmaterial als kantiger Zuschlagstoff vor.
In einer Ausführungsform weist das Abbruchmaterial ein Maximalkom von 22 mm auf.
In einer Ausführungsform umfasst das Abbruchmaterial die Sortierung 0 bis 16 mm und/oder die Sortierung 4 mm bis 22 mm.
In einer Ausführungsform umfasst der Frischbeton ferner einen Verflüssiger, insbesondere modifiziertes Polycarboxylat in Wasser.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Betonbauteil angegeben, hergestellt aus Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
In einer Ausführungsform ist das Betonbauteil als Bohrpfahl, Kopfanschlussarmierung, Gründungsplatte, Fundament oder Flachdecke ausgebildet.
Detaillierte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beton, insbesondere einen Recyclingbeton aus Abbruchmaterial, das insbesondere aus 100% Mischgranulat besteht, und Basalt-Fasern, insbesondere in gedrehter und glatter Form.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Ersatz von Bewehrungsstahl- Armierungen, insbesondere im Spezialtief- und Ingenieurbau und für großvolumige Betonbauteile. Dabei wird ein schonender Umgang mit Ressourcen bei der Betonherstellung erreicht, so dass auch Kosten eingespart werden. Weiter kann die Erfindung der Einhaltung und/oder Umsetzung sich verschärfender Umweltauflagen im Umgang mit Energie dienen. Durch die Verwendung von Recyclingmaterial und den Wegfall von Baustahl werden ferner CCE-Emissionen verringert.
Beispielsweise kann der erfindungsgemäße faserverstärkte Recyclingbeton für den Ersatz einer Bewehrungsstahl-Armierung eines Bohrpfahls verwendet werden. Es kann eine Kopfanschlussarmierung mit Basalt-Körben (Längs- und Wendelbewehrung aus Basalt) vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Beton eignet sich beispielsweise als Faserbeton für den Ingenieurbau, beispielsweise für Gründungsplatten oder Begrenzung von Rissbreiten in wasserundurchlässigem Beton.
Der erfindungsgemäße Beton ist eine Kombination aus RC -Zuschlagstoffen, die aus aufbereitetem Bauschutt hergestellt sein können, Zement, vorzugsweise nur in der mindestens zulässigen Menge und/oder nur in der mindestens zulässigen Qualität, sowie Kalkfiller mit einem gegebenenfalls erhöhten Anteil und Basaltfasern, beispielsweise einem Basalt- Stäbchenmix.
Insbesondere handelt es sich bei dem erfmdungsgemäßen Beton um einen Beton der Druckfestigkeitsklasse C20/25. Insbesondere werden RC -Zuschlagstoffe einer bestimmten Sieblinie verwendet, beispielsweise 0-16 und/oder 4-22.
In einer Ausführungsform können die RC -Zuschlagstoffe gebrochenen Beton und Rotanteile aus Ziegeln umfassen. Gebrochenes Material saugt Wasser auf, wird also immer vorgewässert. Die Rotanteile können als Wasserspeicher dienen, deren Wasser für die Hydratation nutzbar ist. In einer Ausführungsform können kantige Zuschlagstoffe, das heißt möglichst kein Rundkom, verwendet werden.
Trotz der Verwendung der vergleichsweise minderwertigen RC -Zuschlagstoffe und des Zements geringer Qualität und Menge wird die geforderte Stabilität und Tragfähigkeit durch die Basaltfasem ermöglicht.
In einer Ausführungsform kann beim Bohren von Bohrpfählen anfallendes Bohrgut für die Herstellung des Betons für die Bohrpfähle verwendet werden.
In einer Ausführungsform werden für den Beton 285 kg bis 325 Zement, 25 kg bis 150 kg, insbesondere 25 kg bis 75 kg, vorzugsweise 50 kg, Kalk sowie 3 kg bis 5 kg Basaltfasern pro Kubikmeter der Betonmischung verwendet.
Die folgende Tabelle 1 zeigt Druckfestigkeiten nach theoretischem Zementgehalt:
mäß [SIA 262: 2013 - Betonbau. (2013).]
Die Betonmischung mit dem geringen Zementgehalt von 285 kg/m3 kann beispielsweise im Hochbau für die Betontypen NPK A, NPK B und im Tiefbau für die Betontypen NPK K und NPK L eingesetzt werden.
Die Betonmischung mit dem hohen Zementgehalt von 325 kg/m3 kann beispielsweise im Hochbau für die Betontypen NPK B, NPK C und im Tiefbau für die Betontypen NPK D, NPK H und NPK I eingesetzt werden.
Neben dem Einsatz in Pfählen ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen Betone in voluminösen, nicht oder wenig bewehrten Fundamenten einzusetzen.
Der Beton kann auch als Konstruktionsbeton bei Bauteilen verwendet werden, bei denen keine verformungsbedingten Probleme und/oder hohe Querkraftspitzen (Flachdecken, einspringende Ecken etc.) zu erwarten sind.
Die folgende Tabelle 2 zeigt Fasertypen und -gehalte, Zement und Kalkfillergehalt verschiedener Beton-Rezepte der angestrebten Druckfestigkeitsklasse 20/25 mit einem angestrebten Ausbreitmaß von 480 mm, Klasse F3 sowie bei einem Zementgehalt von 285 kg/m3 und einem Fillergehalt von 75 kg/m3. Bei Annahme eines Kalkfillergehalts im CEM II-B LL 32.5R von etwa 1/3 entspricht dies einem totalen Kalkfillergehalt von ca. 160 kg/m3 oder etwa 45% des gesamten Mehlanteils.
Tabelle 2: Rezepte, Fasertypen und -gehalte:
Für alle Rezepte der Tabelle 2 wurden die folgenden fixen Parameter verwendet.
Tabelle 3:
Es wurde ausschließlich Recyclinggranulat aus Mischabbruch (Rb) verwendet. Es wurde ein Mix aus zwei Sortierungen, 0-16 mm (90%) und 4-22 mm (10%), verwendet. Die verwendeten Zuschlagsmischungen und die resultierende Siebkurve (Granul ometrie) sind in Tabelle 4 ersichtlich.
Tabelle 4:
Es wurden Basaltfasern verwendet, die sich in Form, Durchmesser, Länge und Gewicht (Tabelle 5) voneinander unterscheiden.
Aufgrund der verschiedenen Volumen der Einzelfasern weisen die beiden Fasertypen stark verschiedene Gewichte pro Faser auf. Daraus ergibt sich, dass die Anzahl Fasern pro beigemischtem kg ebenfalls deutlich verschieden ist (Tabelle 2).
Tabelle 5: Fasertypen
Die Frischbetone wurden in einem geeichten 81 Gefäß gewogen und die Dichte ermittelt. Wie in Tabelle 6 ersichtlich ist, hat der Fasergehalt bei den untersuchten Mischungen keinen Einfluss auf die Frischbetondichte.
Tabelle 6: Dichte der Betonrezepturen
Die Rezepturen wurden mit der Dichtemessung plausibilisiert. Daraus ergeben sich die tatsächlichen Betonrezepte (Tabelle 7), die vom Zielrezept maximal um etwa 2% abweichen.
Tabelle 7: Tatsächliche Zusammensetzung der gefertigten Betonrezepturen
Das Ausbreitmaß wurde während der Betonherstellung für die Versuchskörper zur Festigkeitsprüfung ermittelt. Die Ausbreitmasse der verschiedenen Rezepte sind in Tabelle 8 ersichtlich.
Tabelle 8: Ausbreitmasse der Frischbetone
Die Ausbreitmasse sind in der angezielten Ausbreitklasse.
Wie in Tabelle 8 ersichtlich, haben die untersuchten Fasergehalte keinen Einfluss auf das Ausbreitmaß.
Die verschiedenen Betonrezepte wurden nach 28 Tagen auf ihre Druckfestigkeit geprüft. Da die Druckfestigkeit hauptsächlich von den Granulaten und der Zementmenge abhängig ist, ist kaum zwischen Betonen mit und ohne Fasern zu
unterscheiden. Die Druckfestigkeitsprüfung ergab, dass die Betone alle in der Druckfestigkeitsklasse C20/25 einzustufen sind. Die durchschnittliche Betondruckfestigkeit über alle Betonrezepte ist fcm = 29,9 MPa. Grundsätzlich ergaben die untersuchten Fasergehalte keinen messbaren Einfluss auf die Druckfestigkeit der Proben.
Weiter wurden die Elastizitätsmodule (E-Module) der Betone bestimmt. Die gemessenen E-Module stimmen in etwa mit den anhand einschlägiger Berechnungsformeln für Recyclingbeton (z.B. SIA 2030:2010 Recyclingbeton (2010)) prognostizierten Werten überein. Im Durchschnitt über alle Betone ist der E-Modul mit 21,6 GPa um etwa 30% geringer als ein vergleichbarer Beton mit natürlicher Gesteinskörnung. Die untersuchten Fasergehalte haben praktisch keinen messbaren Einfluss auf den E-Modul der Proben.
Die Ermittlung der Restbiegezugfestigkeiten wurde nach den Vorgaben von Anhang N der DAfStb-Richtlinie für Stahlfaserbetone (Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton (2010)) durchgeführt. Die Resultate sind in Tabelle 9 zusammengestellt. Die Mischungen 1-0 und 2-0 sind technisch keine Faserbetone, da sie keine Fasern enthalten, sind aber der Vollständigkeit halber auch aufgeführt.
In Tabelle 9 ist auch der theoretisch berechnete Wert der im Riss aktivierten Fasern angegeben. Als aktivierte Fasern wurden Fasern in der unteren Hälfte des Prismas mit einem maximalen Winkel zur Normalen der Rissebene von 45° definiert. Dies geht davon aus, dass die Verteilung der Fasern absolut homogen ist.
Tabelle 9: Zusammenstellung der Restbiegezugfestigkeiten nach DAfStb- Richtlinie:
Es hat sich gezeigt, dass der Fasergehalt einen praktisch linearen Einfluss auf die Restbiegezugfestigkeit hat, sowohl bei kleinen Rissweiten (fcn,i) als auch bei grösseren Durchbiegungen (fcn,2)· Der Fasertyp schlägt sich ebenfalls in den Restbiegezugfestigkeiten nieder: bei gegebenem Fasergehalt resultieren für Fasertyp 2 fast durchweg höhere Werte. Dieses Ergebnis bildet in erster Linie den Einfluss des Faserquerschnitts ab, weniger die Faserform. Da Fasertyp 2 deutlich dünner als Fasertyp 1 ist, sind bei gegebenem Fasergehalt für Fasertyp 1 physisch schlicht deutlich weniger Fasern vorhanden (jeweils etwa 75% weniger Einzelfasem). Infolge der Lokalisierung des Bruchs in einem einzigen Riss fallen die Restbiegezugfestigkeiten für diesen Fasertyp daher auch tiefer aus. Sollen vergleichbare Restbiegezugfestigkeiten erreicht werden, müsste für Fasertyp 1 die Dosierung um 2-3 kg/m3 erhöht werden oder der Gehalt kann für Fasertyp 2 reduziert werden.
Die verwendete Betonmatrix mit einem hohen Anteil Kompositzement und Mischabbruchgranulat hat gegenüber einem in der Schweiz üblichen Bohrpfahlbeton vom Typ NPK-H einen um etwa 25% tieferen Ausstoß an Treibhausgasen (in m3 C02-eq.).
Die in Tabelle 10 aufgelisteten Treibhausgasemissionen wurden nach der in [Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Betonrechner Hintergrundbericht-Version 2.0 (2016)] beschriebenen Methodik berechnet, inklusive für die Schweiz typischen Transportdistanzen (etwa gleich für alle Betontypen). Ein Einsparpotential gegenüber klassischen Betonen von 25 bis 33% ist möglich. Der Einspareffekt wird vor allem durch die reduzierte Klinkermenge (Kompositzement und niedrigerer Zementgehalt) erzeugt.
Tabelle 10: Treibhausgasemissionen in kg C02-eq./m3 der untersuchten Betone und in der Schweiz üblicher Betone
0 Beton beschrieben in [Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Betonrechner Hintergrundbericht- Version 2.0 (2016)]
Das Einsparpotential des vorliegend entwickelten Betons für alle in der Schweiz üblichen Umweltindikatoren ist in Tabelle 11 zusammengefasst.
Tabelle 11 : Einsparungspotential gegenüber in der Schweiz üblichen Umweltindikatoren
Die Herstellung von Beton mit 100% Mischabbruchgranulat ist möglich, resultiert jedoch in einer etwas geringeren Druckfestigkeit (Reduktion ca. 15%) als eine vergleichbare Rezeptur mit Naturkies. Dazu kommt ein um etwa ein Drittel reduzierter E-Modul, der aber dem nach einschlägigen Normen zu erwartenden Wert entspricht. Ein Beton mit 100% Mischabbruchgranulat ist aufgrund der ausschließlich kantigen Zuschläge etwas weniger gut verarbeitbar.
Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit (Erhöhung des Ausbreitmaßes) kann der Mehrgehalt der Rezepturen weiter erhöht werden. Wenn keine Erhöhung der Betonfestigkeit erforderlich ist, kann der Mehrgehalt grundsätzlich mittels Kalkfiller erhöht werden.
Alle eingesetzten Fasertypen waren problemlos verarbeitbar. Der Einfluss der Fasern auf die Verarbeitbarkeit des Frischbetons war klein, zumindest für die untersuchten Dosierungen. Die mechanischen Eigenschaften der geprüften Betone
wurden, außer für die Restzugfestigkeit, durch den Fasergehalt nicht beeinflusst. Druckfestigkeit und E-Modul blieben vom Fasergehalt praktisch unbeeinflusst. Die Restzugfestigkeit steigt für die untersuchten Fasergehalte linear mit dem zugegebenen Fasergehalt. Grundsätzlich bewirkt Fasertyp 2 (feinere Fasern) eine höhere Restzugfestigkeit als Fasertyp 1 bei gleicher Faserdosierung. Soll mit Fasertyp 1 die gleiche mechanische Leistungsfähigkeit erreicht werden, müsste der Fasergehalt um 2-3 kg/m3 erhöht werden. Bei den niedrig mit Fasern dosierten Betonen ist die im Riss (theoretisch) aktivierte Faseranzahl sehr gering. Dies ist vor allem für Fasertyp 1 der Fall, da das Volumen der Einzelfaser deutlich höher als für Fasertyp 2 ist; damit sind bei gegebenem Fasergehalt für Fasertyp 1 weniger einzelne Fasern vorhanden.
Der vorliegend entwickelte Beton hat bei allen in der Schweiz üblichen Elmweltindikatoren einen deutlich reduzierten Elmwelteinfluss (bis zu 30%). Die größte Reduktion ist bei den Treibhausgasemission (20% bis 35%) und den sogenannten Elmweltbelastungspunkten (15% bis 35%) ersichtlich. Auch der Primärenergiebedarf ist deutlich reduziert (bis zu 20%).
In der folgenden Tabelle 12 werden beispielhafte Mischungsverhältnisse für 1 m3 Frischbeton angegeben:
Tabelle 12:
In der folgenden Tabelle 13 werden beispielhafte Testmischungen für eine Testmenge von 0,03 m3 (301) Recyclingbeton angegeben:
Tabelle 13:
In der folgenden Tabelle 14 werden Ausbreitmaße für die Testmischungen 1 bis 15 aus der vorherigen Tabelle betrachtet:
Tabelle 14:
Die vorliegend beschriebenen Betone können beispielsweise für großvolumige Bauteile, insbesondere Bohrpfähle und/oder Bohrpfahlköpfe verwendet werden. Dabei ersetzen die Basaltfasern die sonst übliche Stahlbewehrung.
Claims
1. Frischbeton, umfassend Zement, Wasser und folgende Zuschlagstoffe:
- Abbruchmaterial, umfassend gebrochenen Beton,
- Basaltfasern,
- Kalkfiller.
2. Frischbeton nach Anspruch 1, wobei der Zement mit einem Anteil von
285 kg/m3 bis 325 kg/m3 pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen ist.
3. Frischbeton nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kalkfiller mit einem Anteil von 25 kg bis 150 kg, insbesondere 25 kg bis 75 kg oder 70 kg bis 80 kg, vorzugsweise 50 kg, Kalk pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen ist.
4. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 3 kg bis 8 kg Basaltfasern pro Kubikmeter der Betonmischung vorgesehen sind.
5. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basaltfasern als gedrehte und/oder gewellte und/oder glatte Stäbchen vorliegen.
6. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basaltfasern einen Durchmesser von 1,2 mm bis 1,4 mm oder 0,8 mm bis 1,0 mm aufweisen.
7. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basaltfasern eine Länge von 56 mm bis 58 mm oder von 50 mm aufweisen.
8. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbruchmaterial zusätzlich Rotanteile aus Ziegeln umfasst.
9. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbruchmaterial als kantiger Zuschlagstoff vorliegt.
10. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbruchmaterial ein Maximalkom von 22 mm aufweist.
11. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbruchmaterial die Sortierung 0 bis 16 mm umfasst.
12. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abbruchmaterial die Sortierung 4 mm bis 22 mm umfasst.
13. Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Verflüssiger, insbesondere modifiziertes Polycarboxylat in Wasser.
14. Betonbauteil, hergestellt aus Frischbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Betonbauteil nach Anspruch 14, ausgebildet als Bohrpfahl, Kopfanschlussarmierung, Gründungsplatte, Fundament oder Flachdecke.
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