Thermal curing of fibre-reinforced UHPC
Final Report Abstract
Ein Grund für die hohe Festigkeit und Dichtheit von Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) ist der sehr geringe w/z-Wert von unter 0,3. Dieser beschränkt die Hydratation auf einen unbefriedigend kleinen Klinkeranteil. Im vorliegenden Projekt wurde systematisch untersucht, inwieweit eine thermale Behandlung den Reaktionsgrad und damit auch die Druckfestigkeit steigern kann. Einbezogen wurden die bereits vereinzelt auf UHPC angewendete Wärmebehandlung bei 90 °C und die hydrothermale Behandlung (Autoklavierung analog zu Porenbeton bei 185 °C/1,1 MPa). Die im Projekt erarbeiteten Erkenntnisse zum Einfluss von Vorlagerungs- und Behandlungsdauer, die auf der Analyse von Festigkeit, Phasenbestand und Gefüge basierten, führten zu einem tieferen Prozessverständnis. Es zeigten sich systematische Unterschiede zwischen Wärme- und Hydrothermalbehandlung, insbesondere da sich die forcierten Reaktionsmechanismen signifikant unterscheiden. Die Frühfestigkeit konnte durch eine Wärmebehandlung gezielt erhöht werden. Vorrausetzung für eine weitere Steigerung im Vergleich zur 28d-Referenzfestigkeit war vor allem ein effektiver Schutz vor Austrocknung. Eine ungeschützte Wärmebehandlung verringerte die 28d-Festigkeit sogar, sodass in der relevanten Richtlinie eine entsprechende Schutzmaßnahme zurecht gefordert wird. Bei einer Verhinderung des Austrocknens (z. B. durch Einschweißen) wurde die 28d-Referenzfestigkeit unter praxisrelevanten Bedingungen sicher erreicht. Aber ausschließlich eine Wärmebehandlung im Wasserbad, also bei zusätzlichem Wasserangebot, ermöglichte es, Festigkeiten zu erzielen, die die „End“-Festigkeit einer weiter hydratisierenden Referenzprobe langfristig übersteigen. Dabei ging eine längere Behandlungszeit mit weiter zunehmender Festigkeit einher, da die Hydratation offensichtlich auch über sehr lange Zeiträume fortschreitet. Bezüglich des Phasenbestandes war im Wesentlichen nur der Zerfall von Ettringit und eine verstärkte puzzolanische Reaktion zu vermerken. Die Intensivierung der Reaktionen bei der hydrothermalen Behandlung im Vergleich zur Wärmebehandlung hatte nicht nur eine hohe Frühfestigkeit, verbunden mit einem sicheren Überschreiten der 28d-Referenzfestigkeit, zur Folge. Darüber hinaus lagen die erreichten Festigkeiten deutlich höher (zwischen 15 und 30 %) und damit sogar über den Festigkeiten von 5 Monate in Wasser gelagerten Referenzproben. Im Gegensatz zur Wärmebehandlung spielte die Vorlagerungszeit hier praktisch keine Rolle. Mit zunehmender Haltezeit stieg zunächst auch die Festigkeit, ab einer Haltezeit von etwa 24 h blieb diese jedoch etwa konstant. Sowohl die aktivierte puzzolanische Reaktion, erkennbar am Abbau des Portlandits, als auch die weitere Klinkerhydratation und Veränderungen in der C-S-H Stöchiometrie trugen zur erhöhten Festigkeit bei. Abweichend von der Literatur wurden keine kristallinen C-S-H Phasen im Inneren der UHPC-Proben nachgewiesen, sodass Tobermoritbildung als Ursache für die Festigkeitssteigerung auszuschließen ist. Wegen der Dichtheit des UHPCs und dem niedrigen w/z-Wert ist schon nach relativ kurzer Behandlungsdauer kein weiteres Wasser verfügbar, sodass die festigkeitsbildenden Reaktionen abbrechen. Weiterer Forschungsbedarf besteht zur Dauerhaftigkeit, insbesondere da bei bestimmten Behandlungsvarianten eine Zonierung auftrat. Diese oberflächennahe Veränderung der Mikrostruktur, möglicherweise auch der C-S-H Struktur, ist kritisch hinsichtlich der Qualität (im Sinne der Dauerhaftigkeit) dieser Zone zu bewerten, denn eine nachteilige Wirkung ist nicht auszuschließen.
Publications
- A New Sample Holder for Fast XRD Investigation on UHPC, In: Wagner, J.; Elger, K.: GeoBerlin 2015 - Dynamic Earth from Alfred Wegener to today and beyond (2015), Berlin, GFZ German Research Centre for Geosciences. S. 341
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- Einfluss der Dauer der hydrothermalen Behandlung auf Festigkeit und Phasenbestand von UHPC, In: 19. ibausil (2015), Weimar, Germany, F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar. Vol. 1, S. 521 - 528
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- Thermal Treatment of Ultra-High Performance Concrete, In: Wagner, J.; Elger, K.: GeoBerlin 2015 - Dynamic Earth from Alfred Wegener to today and beyond (2015), Berlin, GFZ German Research Centre for Geosciences. S. 340
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- Phase Composition and Strength of thermally treated UHPC, In: Proceedings of Hipermat 2016 – 4th International Symposium on Ultra-High Performance Concrete and High Performance Construction Materials Kassel (2016), Kassel, Germany, Kassel University Press. S. 7 - 8 (Kurzfassung im Tagungsband), Langfassung auf CD (S.1 - 8)
Selleng, C.; Fontana, P.; Meng, B.
- Einflussgrößen auf die Wirksamkeit einer Wärmebehandlung von Ultrahochfestem Beton (UHFB) / Influencing factors for the effectivity of heat treatment of ultra-high performance concrete (UHPC). In: Beton- und Stahlbetonbau 112 (2017), Heft 1, S. 12 - 21
Selleng, C., Meng, B., Gröger, K., Fontana, P.
(See online at https://doi.org/10.1002/best.201600059)
