allgemeines
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Zusatzstoffe sind in der Regel feinkörnige Mineralien, die bestimmte Eigenschaften des Betons verbessern können. Dies sind vorrangig die Verarbeitbarkeit des Frischbetons und die mechanischen Eigenschaften sowie die Dichtigkeit des Festbetons. Manche Zusatzstoffe dienen auch der Verminderung der Wärmeentwicklung während Erhärtens des Betons. Im Gegensatz zu Beton zusatzmitteln ist die Menge der dem Beton zugegebenen Zusatzstoffe so groß, dass sie bei der Stoffraumrechnung zu berücksichtigen ist. |
Manche Zusatzstoffe werden bereits im Zementwerk durch gemeinsames Vermahlen mit dem Klinker oder durch Mischen in den Zement eingebracht. Dafür sprechen gute Gründe, denn dadurch wird sowohl eine genaue und gleichbleibende Dosierung wie auch eine homogene Verteilung der Zusatzstoffe erreicht. Zement und Zusatzstoff sind in einem präzise definierten und normgerechten Zementsystem integriert, das bei der Berechnung des w/z-Werts und des Mindestzementgehalts als Ganzes angesehen wird. Beispiele dafür sind die Holcim-Zemente der Reihen Ferro, Duo, Aqua und Trass.
Oft werden Zusatzstoffe erst im Transportbetonwerk der Mischung zugefügt. Dies hat den Vorteil, dass man das Verhältnis von Zusatzstoff zu Zement frei wählen und damit den Anforderungen anpassen kann, die an eine bestimmte Betonrezeptur gestellt werden.
Allerdings sind damit auch einige Nachteile verknüpft. Die getrennte Lagerung der Zusatzstoffe verlangt zusätzliche Silos und Dosiereinrichtungen sowie zusätzliche Kontrollen. Manche Zusatzstoffe neigen bei längerer Lagerung zur Knollenbildung. Die Herstellung eines homogenen Frischbetons kann eine längere Mischdauer erfordern. Die DIN EN 206-1 unterscheidet zwei Typen von Betonzusatzstoffen.
Zusatzstoffe des Typs I sind inerte Stoffe (z.B. Gesteinsmehl, Pigmente), die keine chemische Bindung eingehen. Als Zusatzstoff des Typs II werden latent hydraulische und puzzolanische Stoffe wie Hüttensandmehl bzw. Steinkohlenflugasche bezeichnet, die dank ihrer Reaktivität zur Festigkeits bildung des Zementsteins beitragen (Abb.1.5.1).
Einteilung
Die übliche Einteilung der Zusatzstoffe richtet sich, wie Abb.1.5.1 zeigt, nach ihrem chemischen Verhalten im Zementleim und/oder nach ihrer Wirkung im Beton. Eine weitere Einteilung der Zusatzstoffe bezieht sich auf deren chemische Zusammensetzung (siehe dazu das Dreistoffdiagramm Abb.1.1.17 in Kap.1.1 «Zemente»).
Inerte Zusatzstoffe
- Kalkstein- und Quarzmehl
Kalkstein- und Quarzmehl verbessern aufgrund ihrer geringen Korngröße, ihrer Kornzusammensetzung und Kornform den Kornaufbau des Betons im Mehl kornbereich. Sie werden zugesetzt, um beispielsweise bei Gesteinskörnungen mit mehlkornarmen Sanden einen für die Verarbeitbarkeit und für ein geschlossenes Gefüge ausreichenden Mehlkornanteil einzubringen. Kalkstein und Quarzmehl sollten auf ihre Eignung für den vorgesehenen Zweck geprüft werden.
- Fasern
Fasern als Betonzusatzstoffe können aus verschiedenen Materialien bestehen, Stahl, Kunststoff oder Glas (Abb.1.5.2-4). Stahlfasern sind die in der Praxis am häufigsten eingesetzten Fasern.
Gleichmäßig im Beton verteilte Stahlfasern verbessern dessen Verhalten unter Biegezugbeanspruchung (z.B. Verformbarkeit, Duktilität, Biegezugfestigkeit).
Weiterhin wirken sie sich günstig auf den Verschleißwiderstand, die Grünstandsfestigkeit und das Verhalten bei dynamischer Beanspruchung aus. Ihre erfolgreiche Anwendung setzt eine auf die konkrete Bauaufgabe ausgerichtete Planung und Beratung durch einen spezialisierten Ingenieur voraus. Der Deutsche Beton- und Bautechnik Verein (DBV) hat dazu das DBV-Merkblatt «Stahlfaserbeton» herausgegeben.
Entscheidende Neuerung ist die Einführung von Faserbetonklassen. Der Planer wird dadurch in die Lage versetzt die statisch erforderlichen Materialeigenschaften durch Festlegen der Faserbetonklasse anzugeben (siehe auch Kapitel Stahlfaserbeton).
Der Hersteller eines solchen Stahlfaserbetons muss dafür Sorge tragen, dass die Materialeigenschaften sicher erreicht werden. Dies geschieht durch erweiterte Erstprüfungen, da die Leistungsfähigkeit von Stahlfaserbeton von vielen Faktoren beeinflusst wird. Sie ist u.a. abhängig vom Fasertyp, der Faser schlankheit, dem Fasergehalt sowie der gleichmäßigen Verteilung der Fasern im Beton.
Der erforderliche Stahlfasergehalt bewegt sich in weiten Grenzen. Als Anhaltspunkt kann von 20 bis 50 kg Stahlfasern pro Kubikmeter Beton ausgegangen werden. Die Zugabe von Stahlfasern zur Betonmischung benötigt besondere Dosiervorrichtungen, um eine homogene Verteilung sicherzustellen. Die Zugabe von Stahlfasern führt in der Regel zu steiferen Konsistenzen. Eine gute Verarbeitbarkeit ist durch betontechnologische Maßnahmen sicherzustellen. Dies kann z.B. durch den Einsatz eines Fließmittels erfolgen.
Polypropylenfasern, die meist verwendeten organischen Fasern, werden dem Beton beigemischt, um Frühschwindrisse zu vermeiden. In Beton mit erhöhtem Feuerwiderstand werden sie zur Abminderung des Wasserdampfdrucks im Zementstein eingesetzt (siehe Kap. 3.9)
Pro Kubikmeter Beton sind etwa 1kg Fasern notwendig. Das Einmischen geschieht relativ einfach und erfordert keine speziellen Vorkehrungen oder Einrichtungen.
- Anorganische Pigmente
Anorganische Pigmente werden zum Einfärben von Beton und Mörtel verwendet (Abb.1.5.5). Den hohen Anforderungen bezüglich Beständigkeit und Korngrößenverteilung genügen praktisch nur Oxidpigmente.
Pigmente haben keine chemische Wirkung im Beton. Wegen ihres meist höheren Wasserbedarfs bedingen sie einen höheren Wasserzementwert, sofern dieser Effekt nicht durch den Einsatz eines Fließmittels kompensiert wird.
Die Pigmentdosierung, meist wenige Prozente bezogen auf die Zementmasse, richtet sich nach der gewünschten Farbintensität und wird vom Lieferanten angegeben. Reste von gefärbtem Beton müssen sorgfältig aus Mischer, Transportfahrzeug und Umschlaggeräten entfernt werden, um die nachfolgenden Betonchargen nicht zu verunreinigen.
Auch die besten Farbpigmente verhindern nicht, dass die Farbe des Betons mit der Zeit etwas stumpfer wird.
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Die Herstellung einwandfrei gefärbter Bauteile bedarf großer Erfahrung. Eine homogene Betonmischung sowie geeignete Ausgangsstoffe sind Voraussetzung, um gleichmäßig gefärbte, helle Betonoberflächen zu erzielen. Als Zemente eignen sich insbesondere die hellen Hochofenzemente (Holcim-Duo, Holcim-Aqua) oder Weißzement (Holcim-White). Es sollten zudem helle Sande verwendet werden. Die Farbe des Kieses spielt hingegen eine untergeordnete Rolle. |
- Puzzolanische Zusatzstoffe
Allen puzzolanischen Zusatzstoffen ist gemein, dass sie im erhärtenden Beton in Gegenwart von genügend Wasser langsam mit dem aus dem Zement abgespaltenen Calciumhydroxid reagieren, zementhydrat ähnliche Stoffe bilden und dadurch zur Festigkeitsbildung beitragen. Diese puzzolanische Reaktion verringert die Betonporosität und verbessert damit die Dauerhaftigkeit des Betons. Betone mit puzzolanischen Zusätzen (ausgenommen Silicastaub) erhärten etwas langsamer als solche ohne, besonders bei tiefer Temperatur. Nachbehandlungsdauer und Ausschalfristen sind gegebenenfalls angemessen zu verlängern.
Um eine ausreichen de Alkalität der Porenlösung bei Stahl- und Spannbeton zu gewährleisten, sind maximale Mengen puzzolanischer Zusatzstoffe vorgegeben (DIN 1045-2). Ebenso ist in der Norm die Anrechenbarkeit der Zusatzstoffe des Typs II auf den Wasserzementwert sowie den Mindestzementgehalt mit einem k-Wert-Ansatz geregelt (Abb. 1.5.6).
- Steinkohlenflugaschen
Steinkohlenflugaschen fallen als Nebenprodukt in thermischen Kraftwerken an. Ihre Qualität hängt von der verwendeten Kohle sowie von der Art des Kraftwerks und seiner Betriebsweise ab und kann deshalb in weiten Grenzen schwanken. Die Verwendung von Steinkohlenflugasche aus verlässlicher Herkunft hat sich jedoch als Betonzusatz bewährt.
Die meist hohe Feinheit der Steinkohlenflugaschen und deren charakteristische kugelige Kornform (Abb.1.5.7) bewirken eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Auch die Dauerhaftigkeit und Dichtigkeit des Betons werden erhöht, wenn eine Steinkohlenflugasche von hoher puzzolanischer Aktivität mit der gebotenen Sorgfalt bezüglich Betonzusammensetzung und Nachbehandlung verwendet wird. Da Steinkohlenflugaschen die Hydratationswärmeabgabe der erhärtenden Betone reduzieren, lassen sich mit ihr in massigen Betonbauteilen Temperaturspitzen vermindern.
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Die Anforderungen an Steinkohlenflugaschen als Betonzusatzstoff sind in DIN EN 450 geregelt. |
- Silicastaub
Silicastaub, auch Kieselsäurestaub oder Mikrosilica genannt, entwickelt wegen seiner extrem hohen Feinheit und seines sehr hohen Kieselsäuregehalts eine sehr große puzzolanische Aktivität.
Infolge seiner extremen Feinheit kann Silicastaub gewisse Probleme bei der Dosierung und bei der Homogenisierung der Betonmischung verursachen. Bei nicht sachgerechter Handhabung kann sich eine übermäßige Feinststaubentwicklung einstellen. Je nach gegebenem Fall lassen sich diese Probleme mit drei unterschiedlichen Arten des Angebots vermeiden:
• als in den Zement integrierter Bestandteil
• als Silicastaub-Slurry (in Wasser aufgeschlämmtes Produkt)
• als granulierter Silicastaub.
Silicastaub wird in Deutschland vorwiegend im Spritzbeton sowie im Hochleistungsbeton eingesetzt. Abb.1.5.6 gibt Auskunft über die dabei maximal anrechenbaren Mengen auf den Mindestzementgehalt und den Wasserzementwert.
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Mit einer auf die Zementmasse bezogenen Dosierung von 5 bis 10% Silicastaub lassen sich nachhaltige Verbesserungen der Betoneigen schaften erzielen: • gesteigerte Kohäsion und stark erhöhtes Wasserrückhaltevermögen im Frischbeton, dadurch keine Entmischung • Verminderung des Rückpralls beim Spritzbeton • bedeutende Erhöhung der Betonfestigkeit; er laubt die Herstellung von hochfestem Beton • erhebliche Verminderung der Betonporosität, damit eine wesentliche Verbesserung der Dauerhaftigkeit: erhöhter Widerstand gegen Frost-, Frosttaumittel- und Sulfatangriff sowie gegen andere chemisch aggressive Stoffe • verlangsamter Karbonatisierungsfortschritt, da mit verbesserter Korrosionsschutz der Bewehrung |
Natürliche Puzzolane
Zu den natürlichen Puzzolanen zählt u.a. der Trass, ein natürliches Gestein meist vulkanischen Ursprungs. Seine puzzolanische Wirkung war schon den römischen Baumeistern bekannt. Trass als Betonzusatzstoff ist in DIN 51 034 geregelt. Trass verbessert die Verarbeitungseigenschaften von Beton und kann dessen Ausblühneigung reduzieren.
Latent hydraulische Zusatzstoffe
Latent hydraulische Stoffe benötigen, anders als die Puzzolane, nicht das Ca(OH)2 aus der Zementhydratation als ständigen Reaktionspartner. Sie reagieren schon in Gegenwart geringer Mengen sogenannter Anreger wie z.B. alkalischen Stoffen oder Sulfaten. Gemeinsam mit Wasser reagieren sie dann unter Bildung von zementhydratähnlichen Stoffen und verfestigen sich wie Zement.
- Hüttensande
Hüttensand (wie in Kap.1.1 beschrieben) kann wie kein anderer Zusatzstoff Zementklinker in einer Betonmischung nahezu vollständig ersetzen. Wegen der notwendigen, relativ aufwendigen Investitionen zur Aufbereitung der Hochofenschlacke ist hochwertiger Hüttensand jedoch nur beschränkt auf dem Markt verfügbar. Um die günstigen Eigenschaften des Hüttensandes zu nutzen, empfiehlt es sich, hüttensandhaltige Portlandhüttenzemente oder Hochofen zemente zu verwenden (Kap.1.1). Im Unterschied zur Steinkohlenflugasche existiert bisher auch nur ein Normenentwurf (DIN EN 15 167) für Hüttensand als Betonzusatzsoff. Für seine Verwendung ist daher eine allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung erforderlich.
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1. präzis - 정확한, 명확한, 꼼꼼한
2. integrieren - 완전하게 하다, 통합하다, 합병하다
3. zufügen - 덧붙이다
4. verknüpfen - 결합하다, 잇다, 관련시키다
5. der Knollen - 덩어리
6. das Pigment - 염료, 안료, 원료
7. sich beziehen - ~에 해당하다, ~을 끌어내다
8. der Quarz - 석영
9. die Duktilität - 유연성, 연성
10. die Biegezugfestigkeit - 굽힘강도
11. der Verschleiß - 마모, 파손
12. herausgeben - 내주다, 인도하다
13. Polypropylen - 폴리프로필
14. die Vorkehrung - 대비, 준비, 대책,예방
15. anorganisch - 무기의, 무기질의
16. die Beständigkeit - 불변성, 항구성
17. kompensieren - 조정하다, 메우다
18. bedingen - 초래하다, 영향을 미치다
19. stumpf - 무딘, 뾰족하지 않은
20. abspalten - 쪼개지다, 분열되다
21. die Porosität - 다공성, 통기성
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23. anfallen - 생기다, 발생하다
24. schwanken - 흔들리다, 동요하다, 일정하지 않다
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26. sich bewähren - 입증하다, 증명하다
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35. die Investition - 출자, 투자
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