Einfluss von Feinststoffen auf die Packungsdichte und das rheologische Verhalten von UHPC

In Ultrahochleistungsbetonen (UHPC) werden hohe Anteile an mehlfeinen Stoffen <125 µm (z.B. Zemente, Flugaschen, Silikastäube) eingesetzt, die die Zwischenräume der Gesteinskörnungen füllen und dem Beton damit eine höhere Packungsdichte verleihen sollen. UHPC weist deshalb und aufgrund eines extrem niedrigen Wassergehalts (w/z-Wert rd. 0,2) gegenüber Normalbeton ein äußerst dichtes, nahezu kapillarporenfreies Gefüge auf, wodurch eine höhere Leistungsfähigkeit und eine bessere Widerstandskraft gegenüber Korrosion erreicht werden.

Die Kornzusammensetzung der in Beton enthaltenen Gesteinskörnungen beeinflusst  bekanntermaßen die Dichtigkeit und Festigkeit des Betons, jedoch auch die rheologischen Eigenschaften. Bei groben Gesteinskörnungen wird dem seit langem dadurch Rechnung getragen, dass die einschlägigen Normen (DIN EN 206 u. DIN 1045) günstige und weniger günstige Sieblinien u.a. danach unterscheiden, wie hoch der Wasser- und der Zementleimanspruch ist. Bekannt ist auch, dass die Verdichtungswilligkeit und die Festigkeit von der Kornform der Gesteinskörnungen beeinflusst werden. Hierzu wurden im Rahmen dieses Projektes weitreichende Untersuchungen mit Hilfe eines Partikelform-Analysators mit automatisierter Bildanalyse durchgeführt. Die ermittelten Kenngrößen für die Partikelform mehrerer Rohstoff-Mehle wurden mit rheologischen Messungen daraus erstellter Mörtel korreliert, woraus dann Gesetzmäßigkeiten abgeleitet wurden, die in der Dissertation von Dr. C. Geisenhanslüke veröffentlicht wurden.

Es stellte sich dabei jedoch heraus, dass dieses Verhalten unterhalb einer kritischen Partikelgröße (wenige Mikrometer) von steigendem Einfluss von Oberflächenkräften überlagert wurden. In diesem Projekt soll daher weiterhin auch der Einfluss der Wechselwirkungen der Partikel untereinander untersucht werden. Besonders im Feinstoffbereich zeigt sich, dass elektrostatische, van-der-Waals-Kräfte sowie sterische Abstoßung das Fließverhalten des Zementleims bestimmen. Daher werden die verwendeten Rohstoffe auf ihre Verträglichkeit mit Fließmitteln, ihre Oberflächenladungen und ihr Verhalten in verschiedenen chemischen Medien hin untersucht.
Mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und der Colloidal Probe-Methode ist es uns möglich, die tatsächlichen Kräfte zu messen, die zwischen zwei Partikeln in der Frischbetonsuspension auftreten.  Dabei wird eine nur wenige Mikrometer große Kugel aus Siliziumdioxid mit einer sehr glatten Oberfläche an einem frei beweglichen Federbalken (Cantilever) befestigt, eine weitere auf einem Glassubstrat. Dieser Versuchsaufbau kann dann in einer speziellen Messzelle mit verschiedenen Elektrolyt- und Fließmittelsuspensionen geflutet werden. Die Elektrolytumgebung im Frischbeton kann auf diese Weise nachgestellt werden.

Mit dieser Messmethode konnte in unserem Institut bereits direkt gemessen werden, welche Energie nötig ist, um zwei Partikel bei Einsatz verschiedener Fließmittel voneinander zu trennen, nachdem sie in Kontakt gebracht wurden. Da das Scheren und Fließen von Beton ein Prozess ist, bei dem der Zyklus des Aufeinander-Stoßens und Voneinander-Lösens von Partikeln in großer Zahl vorkommt, lässt dieser Versuch Rückschlüsse auf das Verhalten des Frischbetons zu. Viel wichtiger ist jedoch die Tatsache, dass so genau ergründet werden kann, welche Moleküle bzw. welche Partikel in welchem Maße zu einer eventuellen Verschlechterung oder Verbesserung des Fließverhaltens beitragen. Auch das Verhalten der Fließmittelmoleküle auf den Partikeln, ihre Schichtdicke und die Rigidität der Schicht kann so beobachtet werden.

Neben diesem Kernpunkt der Untersuchungen wird der außerdem Einfluss weiterer Parameter wie Zetapotential, Korngröße und -form, Wassergehalt, spez. Oberfläche usw. evaluiert. Am Ende soll aufgrund des bisherigen Forschungsstandes und der neu gewonnenen Erkenntnisse ein umfassendes Bild über die grundlegenden Abläufe entstehen, die das rheologische Verhalten des UHPC bestimmen.