Power-Ultrasound as a tool for sustainable concrete production - first upscaling of laboratory experiments
Final Report Abstract
Die Anforderungen an die Nachhaltigkeit, aber auch an die Leistungsfähigkeit von Betonen steigen stetig. Beide Kriterien lassen sich mit optimierten Mischverfahren steigern. Im vorliegenden Projekt wurde der Einfluss von Power-Ultraschall (PUS) im Betonmischprozess anhand einer praxisrelevanten Fertigteilbetonrezeptur mit folgenden Kernfragen untersucht: • Können PUS-Parameter aus Zement- und Mörteluntersuchungen auf die Betonherstellung übertragen werden? • Welche Änderungen müssen im Betonmischprozess vorgenommen werden um PUS zu integrieren? • Welche Effekte lassen sich mit einer PUS-Behandlung im Beton hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Festigkeitsentwicklung, Gefügeausbildung und Dauerhaftigkeit erzielen? • Welches Potential bietet eine Beschallung von Betonen mit Kompositzementen? Die Untersuchungen zeigen, dass Power-Ultraschall die Frühdruckfestigkeiten von Beton signifikant steigert und die Verarbeitbarkeit deutlich verbessert werden kann. Um PUS im Betonmischprozess anwenden zu können, wurde das hybride Mischen angewendet. Hierbei wurde der Zementleim separat hergestellt und beschallt. Nach der Beschallung wurde der Zementleim mit der Gesteinskörnung vermengt. PUS-Parameter, welche für Zementsuspensionen oder Mörtel optimiert wurden, konnten sehr gut auf den Betonmaßstab übertragen werden. Mit Bezug auf die Verarbeitbarkeit (Ausbreitmaß), zeigte sich eine starke Fließmittelabhängigkeit. Auf Grundlage der Ergebnisse ermöglicht PUS in der Betonherstellung, bei gleichbleibender Frühfestigkeit, Zemente geringerer Festigkeitsklasse einzusetzen. Alternativ kann die Wärmebehandlung der Betone teilweise bis vollständig ersetzt werden, was die Nachhaltigkeit der Betone steigert. Bei Verwendung eines PCE-basierten Fließmittels zeigte sich, dass bis 30% des Fließmittels bei gleichbleibender Konsistenz eingespart werden können. Dauerhaftigkeitskennwerte wie Sulfatwiderstand, Karbonatisierung, Chlorideindringwiderstand und Frost- bzw. Frost-Tausalzwiderstand zeigten keinen Einfluss infolge einer PUS-Behandlung. Darüber hinaus zeigte der AKR-Performance Test, dass es zur Verstärkung einer AKR bei Beschallung des Betons kommt. Die Ursache hierfür konnte im Rahmen des Projektes nicht geklärt werden. Weiterhin konnte mit den für Portlandzement optimerten PUS-Parametern keine deutliche Steigerung der Frühdruckfestigkeiten von Betonen mit Kompositzementen erreicht werden. Die hier durchgeführten Untersuchungen stellen eine Vorstufe für die industrielle Applikation dar. Trotz der innerhalb des Projektes dokumentierten positiven Effekte erfolgt bisher noch keine Umsetzung im Betonfertigteilwerk. Gründe dafür sind die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten für eine industrielle Anlage. Da derzeit noch keine gebrauchsfertige Anlage für die Betonproduktion existiert, wird die reibungslose Implementierung in das Betonfertigteilwerk zusätzlich erschwert. Allgemein wird von allen Projektteilnehmern des Transferprojektes ein hoher Erkenntnisgewinn bestätigt. Die Neuartigkeit der vorgeschlagenen Methode wird in der Bauindustrie mit großem Interesse wahrgenommen. Mit Entwicklung des Ultraschallbetonmischsystems (Patent DE 10 2017 206 660.1) wurde bereits eine Grundlage für die Anwendung im Betonfertigteilwerk gelegt. Bei Weiterentwicklung des PUS-System för Betonfertigteilwerke sowie der parallelen Bearbeitung offener Fragen wie der Beschleunigung von Kompositzementen als auch der AKR-Beständigkeit, könnte innerhalb der nächsten 5 Jahre eine Anwendung in der Praxis erfolgen.
Publications
- Influence of Power Ultrasound on the hydration of C3 S. Proceedings of the 14. International Conference on the chemisty of cement, Peking, 2014
Peters, S.; Rößler, C.; Ludwig, H.-M.
- Powerultraschall zur Steigerung der Betonfrühfestigkeiten. Tagungsband der 19. Internationalen Baustofftagung ibausil, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus Universität Weimar, 2015, Band 1, S. 1105-1112
Remus, R.; Rößler, C.; Orben, J.; Ludwig, H.-M.
- Power Ultrasound assisted concrete production - scale up of the laboratory results. Proceedings of the 2. International Conference on the Chemistry of Construction Materials, München, 2016, S. 372-376
Remus, R.; Rößler, C.; Orben, J.; Ludwig, H.-M.
- Power Ultrasound assisted concrete production. Proceedings of the 2. Concrete Innovation Conference, Tromsø, 2017
Remus, R.; Rößler, C.; Ludwig, H.-M.
- Powerultraschallgestützte Betonherstellung - Scale Up der Laborexperimente. BFT-International, 05-2017, S. 48-54
Remus, R.; Rößler, C.; Ludwig, H.-M., Orben, J.
