Ziel der Diplomarbeit ist es, Zusammenhänge zwischen der Carbonatisierung und dem Frost-Tausalz-Widerstand von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen zu untersuchen. Wichtige Parameter der Betonherstellung, -lagerung und -beanspruchung, die die Carbonatisierung und den FTSW beeinflussen, sollten ermittelt und hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Dauerhaftigkeit bewertet werden.
Die Untersuchungen ergaben, daß zwischen Carbonatisierung und FTSW von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen Zusammenhänge bestehen. Unabhängig davon, ob SFA, BFA oder Metakaolin zur Zementsubstitution verwendet wurde, verbesserte sich der FTSW durch die Carbonatisierung erheblich. Bei Verwendung des nordeuropäischen Portlandflugaschezementes sind andere Einflüsse auf die Betoneigenschaften zu beobachten als bei Zementsubstitution durch FA. Bezüglich Dichtigkeit und Festigkeitsentwicklung ist der untersuchte Flugaschezement-Beton eher mit dem Referenzbeton vergleichbar. Bei Verwendung dieses Zumahlstoffzementes führte die Carbonatisierung zu einer signifikanten Verschlechterung des FTSW.
Da eine Gefügeverdichtung durch die Carbonatisierung bei allen untersuchten Betonen festgestellt wurde, müssen für die Unterschiede im FTSW der carbonatisierten Betone andere Ursachen verantwortlich sein. Anhand der Ergebnisse der Röntgendiffraktometrie wurde festgestellt, daß die abgewitterte Oberflächenschicht der Flugaschezement-Betone weniger stabilen Calcit und dafür mehr metastabilen Vaterit enthält. Da Vaterit in Gegenwart der Chloride aus der Tausalzlösung eine erhöhte Löslichkeit aufweist, könnte dies die chemische Ursache für den schlechteren FTSW der carbonatisierten Flugaschezement-Betone darstellen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Kenntnisstand
2.1 Carbonatisierung
2.2 Schädigungsmechanismen beim Frost-Tausalz-Angriff
2.3 Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW
2.4 Einflußgrößen auf Carbonatisierung und FTSW von Beton
2.1.1 Einfluß der Mischungsbestandteile auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton
2.1.2 Einfluß des Wasserzementwertes
2.1.3 Einfluß der Nachbehandlung und der Lagerungsbedingungen
2.1.4 Übersicht
2.5 Zum Einfluß von Flugaschen und Metakaolin auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton
3 Versuchsprogramm und Voruntersuchungen
3.1 Versuchsprogramm
3.2 Übersicht zum Versuchsprogramm
3.3 Charakterisierung der Betonausgangsstoffe
3.3.1 Zemente
3.3.2 Mineralische Zusatzstoffe
3.3.3 Zusatzmittel
3.3.4 Zuschlag
3.3.5 Zugabewasser
3.4 Mischungsberechnung
3.5 Betonherstellung und Lagerungsbedingungen
4 Versuchsergebnisse
4.1 Betonkennwerte im Rahmen der Eignungsprüfung
4.1.1 Frischbetonkennwerte
4.1.2 Festbetonkennwerte
4.2 Gefügeuntersuchungen am Festbeton
4.2.1 Porengrößenverteilung (Quecksilberhochdruckporosimetrie)
4.2.2 Luftporenkennwerte (Bildanalyse)
4.3 Carbonatisierungstiefen
4.4 Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes im CDF-Test
4.4.1 Kapillares Saugen
4.4.2 Abwitterungsmengen und mittlere Abwitterungstiefen
4.5 Röntgenanalytische Untersuchungen
4.5.1 Untersuchungen an Anfangsabwitterungen
4.5.2 Untersuchungen an Zementsteinproben
4.6 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen
5 Wertung und Diskussion der Ergebnisse
5.1 Druckfestigkeit
5.2 Porosität, Carbonatisierung und Frost-Tausalz-Widerstand
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit untersucht die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Carbonatisierung und dem Frost-Tausalz-Widerstand (FTSW) bei Beton unter Verwendung mineralischer Zusatzstoffe. Das Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen verschiedenen Herstellungs- und Lagerungsparametern zu ermitteln, um die Dauerhaftigkeit von Straßenbeton durch einen optimierten Einsatz dieser Zusatzstoffe zu verbessern.
- Untersuchung des Einflusses mineralischer Zusatzstoffe (Flugasche, Metakaolin) auf Betoneigenschaften.
- Analyse der Carbonatisierungsprozesse und deren chemisch-mineralogische Auswirkungen.
- Bewertung des Frost-Tausalz-Widerstandes mittels CDF-Verfahren.
- Optimierung der Anrechenbarkeit von Zusatzstoffen auf den Wasserzementwert.
- Einfluss der Nachbehandlung und Lagerungsbedingungen auf die Porenstruktur und Dauerhaftigkeit.
Auszug aus dem Buch
2.1 Carbonatisierung
Die Reaktion der Hydratphasen im Zementstein mit Kohlendioxid wird als Carbonatisierung bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine über einen längeren Zeitraum ablaufende chemische Reaktion („chemische Alterung des Betons“ /1/), die durch das Eindringen von CO2 aus der Luft über das Porengefüge in den Beton verursacht wird. Das Kohlendioxid ist bestrebt, die hochalkalische Porenlösung zu neutralisieren und reagiert mit ihr zu Calciumcarbonat (CaCO3). Dieser Prozeß beginnt an der Betonoberfläche und setzt sich über Jahre hinweg bis ins Innere des Betons fort. Geschwindigkeitsbestimmender Faktor ist hierbei die Diffusionsgeschwindigkeit (Ficksches Gesetz) des Kohlendioxids durch das Porensystem des Betons /2/. Das Fortschreiten der Carbonatisierung ist somit der Wurzel aus der Zeit direkt proportional und hängt neben der CO2-Konzentration in erster Linie vom Anteil der offenen Porosität (Kapillarporenbereich: 10 nm bis 100 µm) ab /2/.
Bei der Carbonatisierung reagiert zuerst das Calciumhydroxid in der Porenlösung (Gleichung 1), was durch Lösungsvorgänge von Kristallen des Portlandits (festes Ca(OH)2) zunächst ständig in die Porenlösung nachgeliefert wird. Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit des Carbonatisierungsablaufs ist für Ca(OH)2 am größten /2/. Neben dem Ca(OH)2 carbonatisieren jedoch auch CSH-Phasen (Gleichung 2).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die Bedeutung von Beton als Konstruktionsbaustoff heraus und thematisiert die Herausforderungen an die Dauerhaftigkeit, insbesondere durch Frost-Tausalz-Angriffe und Carbonatisierung bei Verwendung neuer mineralischer Zusatzstoffe.
2 Kenntnisstand: Das Kapitel bietet einen theoretischen Überblick über die Mechanismen der Carbonatisierung und der Frost-Tausalz-Schädigung sowie deren wechselseitige Beeinflussung unter Einbeziehung mineralischer Zusatzstoffe.
3 Versuchsprogramm und Voruntersuchungen: Es werden das experimentelle Design, die verwendeten Ausgangsstoffe, die Mischungsberechnung und die angewandten Prüfverfahren zur Charakterisierung der Betonmischungen detailliert beschrieben.
4 Versuchsergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die erhobenen Frisch- und Festbetonkennwerte, Gefügeuntersuchungen, Carbonatisierungstiefen sowie die Ergebnisse aus dem CDF-Test und der röntgenanalytischen Untersuchung.
5 Wertung und Diskussion der Ergebnisse: Die gewonnenen Daten werden hier hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Druckfestigkeit, Porosität und den Frost-Tausalz-Widerstand kritisch bewertet und diskutiert.
6 Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Darstellung der Hauptergebnisse und Schlussfolgerungen bezüglich des Einflusses von Carbonatisierung und Zusatzstoffen auf die Dauerhaftigkeit von Beton.
Schlüsselwörter
Beton, Dauerhaftigkeit, Carbonatisierung, Frost-Tausalz-Widerstand, FTSW, mineralische Zusatzstoffe, Flugasche, Metakaolin, CDF-Test, Porenstruktur, Hydratation, Zementsubstitution, Kapillarporosität, Festbeton, Bauingenieurwesen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Carbonatisierung und dem Frost-Tausalz-Widerstand bei Straßenbeton, der mit mineralischen Zusatzstoffen hergestellt wurde.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentrale Themen sind die Materialeigenschaften von Beton, die Einflüsse durch Flugasche und Metakaolin, die physikalischen und chemischen Vorgänge bei der Carbonatisierung sowie die Frost-Tausalz-Schädigungsmechanismen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und Frost-Tausalz-Widerstand zu klären und Parameter zu ermitteln, die die Dauerhaftigkeit von Straßenbeton unter verschiedenen Lagerungsbedingungen und Substitutionsmengen beeinflussen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um ein experimentelles Forschungsvorhaben, bei dem verschiedene Betonmischungen unter praxisnahen Bedingungen hergestellt, gelagert (u.a. beschleunigte Carbonatisierung durch CO2) und mittels CDF-Test auf ihren Frost-Tausalz-Widerstand geprüft wurden. Zudem erfolgten gefügetechnische Analysen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Grundlagenvermittlung, das spezifische Versuchsprogramm zur Herstellung und Charakterisierung der Betone, die detaillierte Präsentation der Versuchsergebnisse sowie eine umfassende Diskussion und Wertung der gewonnenen Erkenntnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Beton, Dauerhaftigkeit, Carbonatisierung, Frost-Tausalz-Widerstand (FTSW), mineralische Zusatzstoffe, Flugasche und CDF-Test.
Welche Bedeutung haben die mineralischen Zusatzstoffe in diesem Kontext?
Die Zusatzstoffe wie Flugasche und Metakaolin dienen zur teilweisen Substitution von Zement, um sowohl ökologische als auch dauerhaftigkeitsrelevante Optimierungen zu erreichen, wobei ihr Einfluss auf das Porensystem und die Carbonatisierung kritisch betrachtet wird.
Zu welcher Schlussfolgerung kommt die Arbeit bezüglich des Frost-Tausalz-Widerstands?
Die Carbonatisierung kann den Frost-Tausalz-Widerstand bei den untersuchten Substitutionsbetonen erheblich verbessern, während sie bei den untersuchten Flugaschezement-Betonen zu einer signifikanten Verschlechterung führen kann, was auf chemische Umwandlungsprozesse wie die Bildung von metastabilen Vaterit-Phasen zurückgeführt wird.
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- Dipl.-Ing. Alexander Schnell (Author), 2000, Einfluss der Carbonatisierung auf den Frost-Tausalz-Widerstand von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/93406
