DE4204727A1 - Hochfester hochofenschlackenbeton - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft hochfeste Betonmasse, die aus Zuschlag­ stoff, aus als Bindemittel dienendem Mischbinder, der als Hauptbestandteile feingemahlene hydratationsfähige Hochofen­ schlacke und als Anreger Portlandzement, letzteren in einer Menge von 14 bis 50 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hochofen­ schlacke, in der Trockensubstanz enthält, sowie aus Betonver­ flüssiger und Wasser besteht. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Betonmasse.

Vom Beton wird in vielen Einsatzbereichen eine extrem hohe Fe­ stigkeit verlangt, wodurch sich infolge verringerten Volumens und damit infolge verringerten Gewichts Kosteneinsparungen er­ geben. Man ist auch allgemein bestrebt, die sich über die ge­ samte Lebensdauer des Bauwerks erstreckenden Gesamtkosten durch Einsatz von viel Nutzraum lieferndem, dauerhaftem und hochfe­ stem Beton gering zu halten. Bei Gebäuden sowie unter mechani­ schem Verschleiß und zum Beispiel unter korrosiven Bedingungen werden vom Beton Dichtigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien verlangt. Dies ist besonders wichtig bei Objekten, bei denen die Betondeckschicht die in den Beton eingebettete Bewehrung unter chemischer Beanspruchung zu schützen hat. Diese Situation liegt in vielen Industriegebäuden sowie zum Beispiel bei Straßenbrücken unter Streusalzeinwirkung vor. Im Hinblick auf die Fertigung oder die Bauarbeiten werden vom Beton gute Verarbeitbarkeit, das heißt Gieß-/Schüttfähigkeit und Verdicht­ barkeit, sowie ausreichend schnelle Festigkeitsentwicklung ver­ langt, damit die Bauarbeiten beziehungsweise die Produktion innerhalb angemessener Frist fortgesetzt werden können.

Es ist allgemein bekannt, daß sich durch hohen Zementgehalt in der Betonmasse gute mechanische Festigkeit und dichte innere Struktur, das heißt geringe Porosität erzielen lassen. Durch Einsatz von Betonverflüssigern zur Verbesserung der Verarbeit­ barkeit läßt sich, wie allgemein üblich, der Wassergehalt der Masse verringern, so daß man Beton mit einer erhärteten Matrix von hoher Festigkeit und gleichmäßig verteilter Mikroporen­ struktur erhält.

Leider sind dem Einsatz des Zements, etwa des Portlandzements, in der Betonmasse im Zusammenhang mit niedrigen Wasser-Binde­ mittel-Verhältnissen und auch mit großen Zementmengen zur Steigerung der mechanischen Festigkeit und Dichtigkeit der Mas­ se aus Frischbeton-Plastizitäts- und -Reaktivitätsgründen Gren­ zen gesetzt. Mit zunehmendem Zementanteil in der Masse steigt auch die bei der Hydratation freigesetzte Wärmemenge, was, be­ dingt durch Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen den einzelnen Teilen des Betonkörpers, in der teilweise erhärteten Masse zu innerer Rißbildung führt. Dieses Phänomen tritt mit zunehmender Dicke oder Größe des Betonkörpers wegen des dann erschwerten Wärmeabgangs aus den Betonkörper-Innenteilen verstärkt in Er­ scheinung. Betonmassen mit hohem Zementgehalt neigen außerdem zu verstärktem Schwinden nach dem Erhärten mit der typischen Folge von Rißbildung in der Konstruktion.

Diese Probleme hat man, wie etwa in der Schrift FI-8 84 714, durch Einsatz von sehr feinkörniger Silika wie sie in Verbin­ dung mit der Siliciumeisen- und Siliciumgewinnung anfällt, zu lösen versucht. Solche Silika ist infolge ihrer Feinkörnigkeit hochgradig aktiv und reagiert während der Hydratation mit den anderen Bestandteilen. Silika erhöht besonders die Betonfestig­ keit und -dichtigkeit und beschleunigt die Festigkeitsentwick­ lung, neigt aber wegen der besagten Reaktion dazu, die Wärme­ freisetzung beim Erhärten und das plastische Schwinden sowie die Rißbildung zu erhöhen. Hohe Silikaanteile haben den Nach­ teil, daß, um Frischbeton von annehmbarer Plastizität zu erhal­ ten, wegen der extrem großen spezifischen Oberfläche der Silika entweder mit hohen Betonverflüssigerzusätzen oder alternativ mit hohem Wasseranteil gearbeitet werden muß, was wiederum ent­ weder zu erhöhten Kosten beziehungsweise zu verminderter Fe­ stigkeit führt.

Ein bekanntes Mittel zur Verringerung der Wärmeerzeugung und damit der Rißbildung ist der Einsatz von Hochofenschlacke im Bindemittel, wobei herkömmliche Hochofenschlacke entweder sepa­ rat oder zusammen mit dem Portlandzement auf gleiche Korngröße wie der Zement gemahlen wird. In einigen Normen wird dies aus­ drücklich vorausgesetzt, wie zum Beispiel aus der Schrift WO- 90/09 968 hervorgeht. Der Schlackenanteil beträgt dabei 25 bis 65%, bezogen auf das aus Portlandzement und Hochofenschlacke bestehende Bindemittel. Hochofenschlacke benötigt zur Initiie­ rung des Hydratationsprozesses freien Kalk oder freies Alkali. Die Hydratation der Schlacke bewirkt dabei progressiv eine Um­ wandlung des freigesetzten Calciumhydroxids in festigkeitsför­ derndes Calciumsilicathydrat.

Die herkömmlichen auf Portlandzement-Schlacken-Mischungen ba­ sierenden Betone haben eine beträchtlich geringere Wärmebildung und eine langsamere Festigkeitsentwicklung als mit bloßem Port­ landzement hergestellte Betone. Die Hochofenschlacke verbessert die Chemikalienbeständigkeit des Betons. Ein weiterer Vorteil des Hochofenschlackenbetons ist seine Preisgünstigkeit, denn Hochofenschlacke ist billig.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß man mit silika­ haltigen, mit bloßem Portlandzement hergestellten Betonen hohe Festigkeitswerte (über 100 MPa, während sie bei herkömmlichen Portlandzementbetonen höchstens etwa 70 bis 80 MPa und in der Praxis im allgemeinen höchstens 40 MPa betragen) erzielt, daß aber wegen der Wärmebildung die Betonkörperdicken, um Rißbil­ dung zu vermeiden, beschränkt sind, die Korrosionsbeständigkeit des Betons nicht unter allen Bedingungen besonders gut ist und der Bindemittelpreis wegen des beträchtlich hohen Rohmaterial­ preises und der großen Verflüssigermenge, die notwendig ist, hoch liegt. Für die aus Bindemitteln mit beträchtlichem Hoch­ ofenschlackenanteil hergestellten Betone wiederum sind charak­ teristisch: Hohe Korrosionsbeständigkeit, dank geringer Wärme­ bildung Eignung auch für dicke Betonkörper sowie günstiger Preis. Als Nachteile der letztgenannten Betone sind geringe oder normale Festigkeit (in der Regel ca. 10 bis 70 MPa) sowie langsame Festigkeitsentwicklung zu nennen.

In der Anmeldung JP-6 20 36 059, Denki Kagaku Kogyo KK, wird als Betonbindemittel ein Mischbinder vorgeschlagen, der aus fein­ körniger Hochofenschlacke, extrem feinkörnigem Silikastaub, Zement und einem weiteren eventuellen Anreger sowie aus hoch­ wertigem Verflüssiger besteht. Als Vorteile werden geringes Schwinden, gute Chemikalienbeständigkeit sowie hohe Festigkeit angeführt. In der Betonmasse nach o.g. Schrift sind im Binde­ mittel in der Regel 20% Silika enthalten, und in allen Mi­ schungen mit Druckfestigkeitswerten um oder über 100 MPa sind außerdem 8 bis 10% Gips oder anderer alkalischer Anreger ent­ halten. Das Wasser-Bindemittel-Verhältnis wird mit 0,125 bis 0,30 angegeben. Auf Grund der Silika und des Wassers kann kon­ statiert werden, daß es sich dabei nicht um eigentlichen Schütt-/Gußbeton, sondern eher um Mörtel handelt. Durch das Al­ kali wird die Festigkeitsentwicklung beschleunigt, jedoch unter erhöhtem Karbonatisierungsrisiko. Bei Aktivierung mit Alkali zeigte sich zumindest in den weiter hinten in dieser Anmeldung behandelten Fällen eine Neigung zu Mikrorißbildung.

In der Schrift WO-90/09 968, Slag Sand Pty. Ltd., ist ein Misch­ binder des vorangehend genannten Typs als Betonbindemittel vor­ geschlagen, der sich aus extrem feinkörniger Hochofenschlacke mit einer Kornzusammensetzung von im wesentlichen 12 bis 1 µm sowie Portlandzement als Anreger in einer Menge von etwa 15 bis 45 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hochofenschlacke des Binde­ mittels, zusammensetzt. Weiter ist in der besagten Schrift eine solche Mischung beschrieben, die zusätzlich noch 10 Ge­ wichtsprozent Silika sowie Verflüssiger enthält. Auf diese Wei­ se erzielte man im besten Falle eine Druckfestigkeit von 84 MPa, was im Vergleich zu den besten Betonen kein besonders gu­ ter Wert ist. Die Ursache dafür könnte das aus der Schrift her­ vorgehende verhältnismäßig große Wasser-Bindemittel-Verhält­ nis - W/C 0,40 bis 0,55 - sein, das seine Ursache wiederum in der insgesamt recht kleinen Korngröße der eingesetzten Kompo­ nenten haben dürfte. Geringe Korngröße, das heißt große spezi­ fische Oberfläche, erhöht nach allgemein anerkannter Theorie und erfahrungsgemäß die für die Betonmasse erforderliche Was­ sermenge, das heißt das Wasser-Bindemittel-Verhältnis. Dieses Bindemittel ist auch relativ teuer, und zwar namentlich wegen der feinen Mahlung seiner Komponenten, da bei hochfeiner Mah­ lung die Energiekosten und der Zeitaufwand steil ansteigen. Der als Ergebnis entstehende Beton dürfte geringes Schwinden und gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine mäßig gute Festigkeits­ entwicklung haben.

In den vorgenannten Schriften ist deutlich das Bestreben zu erkennen, jenes in der Beton- und auch der Pigmenttechnik be­ kannte Prinzip anzuwenden, gemäß dem zur Reduzierung der zum Verflüssigen der Masse erforderlichen Flüssigkeitsmenge die Möglichkeit genutzt wird, die Partikelzwischenräume statt mit Flüssigkeit mit kleineren Partikeln zu füllen. In den genannten Schriften bildet Silika jenen aus kleinen Partikeln bestehenden zwischenraumfüllenden Gemengeteil. Diese Sache war auch Gegen­ stand theoretischer Betrachtungen. Zur Optimierung der Packungsdichte stetiger Partikelgrößenverteilungen hat Andrea­ sen (1930) eine Theorie entwickelt, bei der die kumulative Korngrößenverteilung durch folgende Exponentialgleichung be­ schrieben wird:

Der Theorie zufolge erzielt man die optimale Packungsdichte wenn n 0,33 bis 0,5 beträgt.

Weiterentwickelt wurde diese Theorie durch Hinzunahme der Mi­ nimalpartikelgröße (J.F. Funk, D.R. Dinger, J.E.Funk Jr.: Coal Grinding and Particle Size Distribution Studies for Coal-Water Slurries at High Solids Content. Final Report Empire State Electric Energy Research Corporation, 1980), wobei man zu der folgenden, auch weiter hinten in dieser Anmeldung behandelten Gleichung gelangte:

Dabei erzielt man die optimale Packungsdichte wenn nY=0,37 bei der sog. Alfred-Verteilung (D.R. Dinger et al.: Rheology of high solids coal-water mixtures: Co-Al 4th Int. Symp. Coal Slurry Combustion, Orlando, 10h12 May 1982, Pittsburg, Pitts­ burg Energy Technology Center, Vol. 4., 13 S.). Diesen Theorien zufolge würde die zur Verflüssigung eines Gemenges erforderli­ che Flüssigkeitsmenge also, unabhängig von der Korngröße selbst, dann ihr Minimum haben, wenn n im Bereich zwischen 0,33 und 0,5 liegt und besonders wenn n ca. 0,37 beträgt.

Bei mit nur einem Mahlverfahren natürlich ermahlenen Pulvern, in diesem Falle Hochofenschlacke, variiert der o.g. Exponent n, wie aus Fig. 1 hervorgeht, ungefähr zwischen 0,3 und 0,8. Mit normaler Mahlung erzielt man also leicht die theoriegemäße op­ timale Korngrößenverteilung.

Ziel der Erfindung war somit die Entwicklung einer Hochofen­ schlacke enthaltenden Betonmasse, die sich durch schnelles Er­ härten, Dichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit sowie Preisgünstigkeit auszeichnet. Ziel war somit die Schaf­ fung eines reichlich Hochofenschlacke enthaltenden, als Beton­ bindemittel einzusetzenden Mischbinders, der dem Beton den be­ sten anderen Zementen entsprechende Festigkeitswerte verleiht, jedoch dank der Hochofenschlacke eine geringe Wärmebildung hat, so daß sich der Beton auch für massive Einsatzobjekte eignet. Weiter soll mit der Erfindung ein solcher Mischbinder geschaf­ fen werden, der dem Frischbeton beim Arbeiten mit kleinem Was­ ser-Bindemittel-Verhältnis und herkömmlichen Verflüssigermengen eine gute Plastizität verleiht, so daß er sich leicht verarbei­ ten läßt und als Ergebnis eine dichte und hochfeste Konstruk­ tion liefert. Weiter soll mit der Erfindung ein solcher Misch­ binder geschaffen werden, der sich durch gute Korrosionsbe­ ständigkeit und günstigen Preis auszeichnet.

Gelöst werden die oben umrissenen Probleme und erreicht werden die angeführten Ziele mit dem erfindungsgemäßen Mischbinder, für den charakteristisch ist, was im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 darüber ausgeführt ist, sowie mit dem Verfah­ ren, das im kennzeichnenden Teil von Anspruch 7 definiert ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der be­ sagte Mischbinder, der reichlich Hochofenschlacke enthält und dadurch die vorgenannten günstigen Eigenschaften, geringe Wär­ mebildung und damit geringe Neigung zu Mikrorißbildung, Korro­ sionsbeständigkeit sowie Dichtigkeit und damit langsame Karbo­ natisierung, aufweist, Beton liefert, der in seiner Festigkeit den mit den besten Portlandzementen erzielten Betonen ent­ spricht. Gleichzeitig kommt aber das Bindemittel günstiger zu stehen, teils wegen der Hochofenschlacke selbst, teils wegen des einfachen und vorteilhaften Herstellungsverfahrens. Der erfindungsgemäße Mischbinder ist trotz geringem Wasser-Binde­ mittel-Verhältnis auch gut verdichtbar und leicht zu verarbei­ ten.

Im folgenden soll die Erfindung unter Hinweis auf die beigefüg­ ten Figuren im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt in Tabellenform verschiedenartige Hochofenschlak­ ken-Kombinationen und enthält erfindungsgemäße Bindemittelmi­ schungen.

Fig. 2 zeigt verschiedenartige Hochofenschlacken-Korngrößen­ verteilungen in Form kumulativer Kurven.

Fig. 3 zeigt die gemeinsamen und getrennten kumulativen Korn­ größenverteilungen der festen Komponenten des erfindungsgemäßen Mischbinders.

Fig. 4 zeigt einige Korngrößenverteilungen dem Stand der Technik entsprechenden Hochofenschlackenpulvers und erfindungs­ gemäßen Hochofenschlackenpulvers.

Fig. 5 zeigt den Wasseranspruch der in Fig. 1 definierten Massen in Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche.

Fig. 6 zeigt den Wasseranspruch der in Fig. 1 definierten Massen in Abhängigkeit von der Form der Partikelgrößenvertei­ lung.

Fig. 7 zeigt die Festigkeitsentwicklung u. a. auf der Basis von Mischbindern nach Fig. 1 hergestellter Betone.

Fig. 8 zeigt die Druckfestigkeitsentwicklung auf der Basis von erfindungsgemäßen Mischbindern hergestellter Betone und dem Stand der Technik entsprechender Betone in Abhängigkeit vom Wasser-Bindemittel-Verhältnis.

Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Festigkeitsentwicklung von Betonen in Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche der Hochofenschlackenkomponente des Mischbinders.

Man hat nun überraschend festgestellt und an Hand der Ergebnis­ se experimenteller Untersuchungen bewiesen, daß sich feingemah­ lene Hochofenschlacke gut als Bindemittel für hochfesten Beton eignet. Durch Feinmahlen der Hochofenschlacke und erfindungs­ gemäßes Optimieren der Korngrößenverteilung lassen sich die Erhärtungseigenschaften der Hochofenschlacke und der Wasseran­ spruch der Betonmasse beeinflussen.

Dabei hat man nun festgestellt, daß der Wasseranspruch der Be­ tonmasse entgegen den allgemein anerkannten Theorien nicht un­ ter allen Bedingungen ohne weiteres der Korngröße, das heißt der spezifischen Oberfläche der festen Komponenten des Binde­ mittels folgt. Wie vorangehend und u. a. in den angeführten Vor­ veröffentlichungen beschrieben, ist man allgemein der Auffas­ sung, daß der Wasseranspruch mit abnehmender Korngröße wächst. Dieses auf dem Stand der Technik basierende Abhängigkeitsver­ hältnis ist in Fig. 5 in Kurvenform dargestellt. Der Wasser­ anspruch der erfindungsgemäßen Betonmasse weicht entscheidend vom Wasseranspruch der bekannten Betonmassen ab; dies geht aus den Punkten E4, B3 und B4 in Fig. 5 hervor, die gewisse erfin­ dungsgemäße Bindemittelzusammensetzungen repräsentieren. Durch solches, weiter hinten im Text genauer beschriebenes Optimieren der Korngrößenverteilung des Hochofenschlackenpulvers kann feinkörnige Hochofenschlacke eingesetzt werden ohne daß sich dadurch der Wasseranspruch der Betonmasse erhöht. Für den Hoch­ ofenschlackenbeton sind dabei als Zusatzstoffe Betonverflüssi­ ger einzusetzen.

Die Tabelle von Fig. 1 zeigt die Mischungsverhältnisse ver­ schiedener experimentell untersuchter Hochofenschlackentypen. Bei der Hochofenschlackenkomponente "Hieno" (= fein) handelt es sich um in der Strahlmühle gemahlene und von einem Alpine-Klas­ sierer gelieferte extrem feinkörnige Hochofenschlacke mit einer spezifischen Oberfläche in der Größenordnung von 1200 m²/kg, berechnet aus einer nach dem Röntgensedimentationsverfahren (Sedigraf) bestimmten Korngrößenverteilung. Diese Korngrößen­ verteilung ist auch in Fig. 2 als Kurve A4 dargestellt. Die übrigen Hochofenschlackenkomponenten sind im Handel erhältliche Pulver; ihre berechneten spezifischen Oberflächen sind in der Tabelle in Fig. 1 angegeben. Zwei relativ feinkörnige Pulver sind auch in ihrer Korngrößenverteilung als Kurven A1 und B1 in Fig. 2 dargestellt.

Es wurde eine Versuchsreihe zur Untersuchung des Einflusses der Partikelgrößenverteilung mit Portlandzement angeregter Hoch­ ofenschlacke auf den Wasseranspruch, die Festigkeitsentwick­ lungsgeschwindigkeit und die Endfestigkeit mit Verflüssiger hergestellter Betonmasse durchgeführt. Der Wasseranspruch wurde durch Ermittlung jener Wassermenge, die dem Frischbeton eine gute Verarbeitbarkeit verleiht, definiert. Bei der Versuchsrei­ he war man um konstante Schüttungs- und Verdichtungsbedingungen in allen Versuchen bemüht. Die Plastizität der Frischbetone wurde mit Haegerman-Tisch bestimmt. An Hand von Parallelversu­ chen wurden auch die Einflüsse anderer Anreger als Portlandze­ ment - wie zum Beispiel Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid - sowie der Portlandzementmenge und -qualität und auch von Alumi­ natzementen auf die Mikrorißbildung des Hochofenschlackenbetons ermittelt. Weiter wurde der Einfluß folgender Faktoren auf die Mikrorißbildung untersucht: Betonmischungsverhältnis, Wärmebe­ handlung, Autoklavbehandlung, verschiedene Mischtechniken, oberflächenaktivitätsmindernde Stoffe sowie Zusammensetzung der Hochofenschlacke. Im folgenden werden jene Versuchsergebnisse erörtert, die zum Verständnis der Erfindung von wesentlicher Bedeutung sind. Die übrigen Einflüsse werden durch Erwähnen des besten Ergebnisses, sofern ein solches deutlich festzustellen war, gestreift.

Die Bedeutung der Partikelgrößenverteilung des o.g. Hochofen­ schlackenpulvers im Hinblick auf den Wasseranspruch wurde u. a. an Hand der Gleichung (1) geklärt; die Werte D_S, D_L und n der in der Versuchsreihe verwendeten Materialien sind der Tabelle in Fig. 1 zu entnehmen.

Darin bedeuten:

Y
= kumulativer Volumenanteil
D	= Partikelgröße, µm
DS	= Minimalgröße, µm
DL	= Maximalgröße, µm
n	= Formfaktor der Verteilung

Neben der vorgenannten, auf die Hochofenschlackenkomponente gerichteten Versuchsreihe wurden mit jener Hochofenschlackenmi­ schung, die sich als beste erwiesen hatte, eine zusätzliche Versuchsreihe zur Klärung des Silika-Einflusses sowie, zur Schaffung von Vergleichswerten, Versuche u. a. mit herkömmlichem Portlandzement unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Die ungefähre Korngrößenverteilung der eingesetzten wasserfreien amorphen Silika (SiO₂) ist in Fig. 3 durch die Kurve S einge­ tragen; ihre spezifische Oberfläche beträgt wenigstens 20000 m²/kg. Hierzu ist festzustellen, daß man bei der Bestimmung der Korngröße so feinen Pulvers bereits auf eine gewisse Unbe­ stimmtheit der Partikeloberfläche und -form stößt, so daß die genannte Kurve nicht als eigentliche Korngrößenverteilungs-De­ finition aufzufassen ist.

In Fig. 3 ist auch die Korngrößenverteilung des verwendeten Portlandzements als Kurve P eingetragen.

Die Betone der ersten Versuchsreihe hatten folgende Zusammen­ setzung:

Bindemittel:
Schlacke|83%
Portlandzement	17%

Zuschlagstoffe:
Füller|6,25%
0,1-0,6 mm	12,5%
0,5-1,2 mm	15%
1-2 mm	13,75%
2-3 mm	11,25%
3-5%	13,75%
5-10 mm	27,5%
Verhältnis Bindemittel/Zuschlagstoffe = 1 : 4

Verflüssiger

Scancem SP 62/Migthy 150-2% (in gewissen Versuchen auch 3% oder 4%) bezogen auf die Bindemittelmenge Trockensubstanzgehalt 42%. Der Wasseranteil wurde von der Ge­ samtwassermenge gerechnet.

Die vom Stand der Technik abweichenden Wasseranspruchswerte der erfindungsgemäßen Hochofenschlackenmischungen gehen aus den Fig. 5 und 6 hervor. In Fig. 5 weichen die Mischungen E4, B3 und B4 beträchtliche von den herkömmlichen Mischungen ab, deren Wasser-Bindemittel-Verhältnis mit zunehmender spezifi­ scher Oberfläche stark wächst, wie aus der Kurve "Stand der Technik" in Fig. 5 hervorgeht. Das Wasser-Bindemittel-Verhält­ nis der erfindungsgemäßen Mischungen ist also beträchtlich kleiner als dasjenige den Stand der Technik repräsentierenden Pulvers mit entsprechender spezifischer Oberfläche. Zum Ver­ gleich sei konstatiert, daß die in der Schrift WO-90/09 968 an­ geführte Hochofenschlacke in dieser Versuchsreihe fast genau der Bindemittelmischung A1 entspricht. Wie zu erkennen ist, liegt der Wasseranspruch der betreffenden Betonmasse an einer völlig von demjenigen der Erfindung abweichenden Stelle, aber in der Nähe der aus der besagten Schrift hervorgehenden Stelle, wie vorangehend schon vermutet wurde. Aus Fig. 6 ist ersicht­ lich, daß der Wasseranspruch der Betonmassen mit hoher Genau­ igkeit dem Formfaktor n der Gleichung (1) folgt. Hat dieser Formfaktor n als Betrag eine kleine positive Zahl, d. h. < ca. 0,2, so erzielt man ein einigermaßen annehmbares Wasser-Binde­ mittel-Verhältnis von 0,3. Geht der Formfaktor gegen Null und weiter dann ins Negative, in diesem Falle auf angenähert -0,2, so sinkt das Wasser-Bindemittel-Verhältnis auf einen Wert von ca. 0,27.

In Fig. 3 ist die kumulative Korngrößenverteilung der Hoch­ ofenschlackenmischung B4, die in der Versuchsreihe bezüglich des Wasser-Bindemittel-Verhältnisses den besten Wert lieferte, eingetragen. Die Mischungen B4 und A1 sind auch in Fig. 2 ein­ getragen, in der im Prinzip die gleichen Beziehungen wie in Fig. 3 dargestellt sind. Diese nach gegenwärtigem Wissen beste erfindungsgemäße Mischung B4 und das dieser zunächst liegende dem Stand der Technik gemäße Pulver A1 sind zur Klarstellung ihres gegenseitigen Unterschiedes in Fig. 4 auch als Volumen­ anteilverteilung dargestellt. Weiter sind in Fig. 4 die ande­ ren erfindungsgemäßen Mischungen E4 und B3 dargestellt. Wenn­ gleich ihr Unterschied gegenüber der Verteilung A1 nicht allzu groß erscheint, so ist er nach den aus Fig. 5 und Fig. 6 her­ vorgehenden Ergebnissen dennoch ausschlaggebend. Schon in die­ sem Zusammenhang kann konstatiert werden, daß sich die erfin­ dungsgemäße Korngrößenverteilung mit keiner der bekannten Mahl­ methoden, sondern nur durch Vermengen verschiedenartiger Pulver erreichen läßt. Die Doppelspitzigkeit dieser Verteilung ist aus Fig. 4 ersichtlich. Die Korngrößenverteilungs-Grenzwerte für die erfindungsgemäße Hochofenschlacke betragen auf Grund des Obigen:

Auf Grund des Obigen kann als Hauptprinzip der Erfindung zusam­ menfassend konstatiert werden, daß der Wasseranspruch der Be­ tonmasse durch die Form der Verteilung bestimmt wird, jedoch unabhängig ist vom Feinheitsgrad des Pulvers. M.a.W. bei glei­ chem Formfaktor der Pulver oder Pulvermischungen ist ihr Was­ seranspruch der gleiche, ganz gleich ob das Pulver bzw. die Mischung grobkörnig oder feinkörnig beschaffen ist. Dies ist deutlich daraus ersichtlich, daß die Mischungen B4 und E4 aus Fig. 1 den gleichen Formfaktor, nämlich -0,15, und den glei­ chen Wasseranspruch (vgl. Fig. 6) haben, obgleich ihre spezi­ fischen Oberflächen - 843 m²/kg bzw. 584 m²/kg - ganz erheblich voneinander abweichen. Optimalverteilung des Hochofenschlacken­ pulvers liegt also vor bei Formfaktorwerten <+ 0,2, bevorzugt bei negativen Beträgen und am besten bei <- 0,2, wobei die Form der Verteilung der obigen Tabelle entspricht und in den angege­ benen Korngrößenbereich fällt. Der Korngrößenbereich wird durch die Größen D_L und D_S bestimmt, deren Beträge zwischen 0,7 und 1,5 µm bevorzugt bei etwa 1µm beziehungsweise zwischen ca. 30 und 120µm liegen. Dieses Ergebnis, so nimmt man an, ist darauf zurückzuführen, daß bei solcher Verfahrensweise die in­ nere Reibung des Pulver-Wasser-Gemisches eliminiert und dadurch der Wasseranspruch minimiert wird. Ermöglicht wird dies durch die relativ hohe Passivität der Hochofenschlacke, die den Par­ tikeln nach erfolgtem Anrühren der Betonmasse während der Schüttung genügend Zeit zum Ineinanderschieben läßt. Dadurch wiederum ergibt sich, wie nachstehend beschrieben, eine hohe Festigkeit.

Gemäß dem gleichen Erfindungsprinzip wurde die Korngrößenver­ teilung des als Anreger dienenden Portlandzements durchweg grö­ ber als die Hochofenschlackenpulver-Verteilung gewählt, wie aus der Kurve P in Fig. 3 hervorgeht. Somit folgt man also bei der Erfindung folgendem Prinzip: Je aktiver eine Komponente ist, desto grobkörniger hat sie zu sein, und je passiver eine Kom­ ponente ist, desto feinkörniger hat sie zu sein, um ein Inein­ anderschieben der Partikel sowie eine gleichmäßige und passende Reaktionsgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Fig. 7 zeigt die Festigkeitsentwicklung von Beton des oben beschriebenen Typs mit Hochofenschlacken-Mischungen des Typs B1 bis B4 und E1 bis E4. Es ist folgendes zu erkennen: Je kleiner der Formfaktor n der Pulvermischung ist, d. h. je niedriger das Wasser-Bindemittel-Verhältnis der Betonmasse liegt, desto höher verläuft ihre Festigkeitsentwicklungs-Kurve. Die Betondruckfe­ stigkeit folgt also den einzelnen Mischungen wie folgt: B4 < B3 < B2 < B1 und E4 < E3 < E2 < E1. Die festigkeitsmäßig beste Mischung B4, die auch bezüglich des Wasseranspruchs die gün­ stigste war, hatte im Alter von 90 Tagen eine Druckfestigkeit (Endfestigkeit) von etwa 95 MPa - ein relativ guter Wert für Beton mit hohem Gehalt an Hochofenschlacke. Mit allen anderen Mischungen lag die Betondruckfestigkeit nach 90 Tagen unter 90 MPa, und mit der Mischung Al betrug sie ca. 86 MPa. Die nied­ rigste Endfestigkeit - ca. 60 MPa - lieferte die Mischung E1. Die Endfestigkeitswerte zeigen also stellenweise deutliche Un­ terschiede, die nicht mit dem Wasseranspruch korrelieren, aber stellenweise sind die Differenzen verhältnismäßig klein, wenn­ gleich deutlich und unbestreitbar festzustellen. Die Mischungen mit dem niedrigsten Wasser-Bindemittel-Verhältnis liefern mit die besten Endfestigkeitswerte. Die Festigkeitsentwicklung wie­ derum korreliert hauptsächlich mit der spezifischen Oberfläche, wobei den Versuchen zufolge die schnellste Festigkeitsentwick­ lung bei spezifischen Oberflächen im Bereich von etwa 750 bis 950 m²/kg auftritt und ihre Spitze bei einer spezifischen Ober­ fläche von ca. 850 m²/kg hat (Fig. 9).

An Hand von Betonversuchen suchte man nach einer guten Beton­ massen-Zusammensetzung im Hinblick auf schnelle Erhärtung, hohe Endfestigkeit und Dichtigkeit. Als Grundbindemittel verwendete man im Ergebnis der ersten Versuchsreihe erhaltene Hochofen­ schlacke mit der Korngrößenverteilung B4. Weiter wurden Versu­ che durchgeführt, bei denen das Bindemittel zu 70% bzw. 87% aus Hochofenschlacke und entsprechend zu 30% bzw. 13% aus Portlandzement bestand. Im ersteren Fall entsprachen die Fe­ stigkeitswerte ungefähr denjenigen des in der ersten Versuchs­ reihe hergestellten Betons, im letzteren Fall lagen sie etwas niedriger, wie auch aus Fig. 7 und den Kurven 3 und 5 in Fig. 8 hervorgeht. Bei dem mit Portlandzement angerührten Hochofen­ schlackenbeton trat geringe oder keine Mikrorißbildung auf. Die beigemengte Portlandzementmenge hatte Einfluß auf die Zahl der Mikrorisse. Als Ursache dafür nahm man an, daß die PZ-angeregte Hochofenschlacke unter Binden von Kalk beim Erhärten typenmäßig ähnliche Erhärtungsprodukte wie der Portlandzement bildet. Die Erhärtungsgeschwindigkeit des bei gemischten Portlandzements wiederum zeigte keine Auswirkungen auf die Rißbildung. Im Hin­ blick auf geringe Mikrorißbildung, schnelle Festigkeitsentwick­ lung und Dichtigkeit des Betons kam man zu dem Ergebnis, daß der Portlandzementanteil wenigstens etwa ein Drittel der Schlackenmenge, d. h. auf die Gesamtbindemittelmenge bezogen etwa 20% betragen darf. Bei höheren Anteilen beginnt auch der Wasseranspruch zu steigen. Die Druckfestigkeitswerte in den ersten Wochen lagen erheblich höher, wenn statt schnellhärtenden (P 40/7) oder normalhärtenden Portlandzements (Versuchsreihe P 40/28) sehr schnell härtender Zement (P 40/3) zugesetzt worden war. Der mit Alkali angeregte sowie der mit Alkali und Port­ landzement angeregte Hochofenschlackenbeton hingegen zeigten beträchtliche Rißbildung.

Wärmebehandlung bewirkte bei den feineren Betonmassen eine mä­ ßige, bei den gröberen Massen jedoch nur eine geringfügige Be­ schleunigung der Festigkeitsentwicklung. Das Wasser-Bindemit­ tel-Verhältnis der verflüssigerfreien Massen betrug über 0,4, und die erzielte Endfestigkeit war im Vergleich zu den ent­ sprechenden Werten der mit Verflüssiger angerührten Massen be­ scheiden.

Da Silika bekanntlich die Festigkeit von Portlandzement erhöht, wurde auch der Einfluß von Silikazusatz untersucht. In vielen Anwendungen (wie in der o.g. JP-Schrift) setzt man Silika hauptsächlich als Füller zur Bildung einer dicht gepackten Kornstruktur zu, wobei die Silikamenge beispielsweise 20% der Bindemittelmenge betragen kann. Bekannt sind auch Silikagehalte von 4 bis 15%, auf die Schlacke bezogen (FI-8 81 714). Da aus dem Portlandzement mit dessen Erhärtung etwa ein Fünftel Calci­ umhydroxid, bezogen auf die Zementmenge, entsteht und die Sili­ ka für ihre eigene Erhärtungsreaktion davon fast eine ihrem Eigengewicht entsprechende Menge verbraucht, kam man unter zu­ sätzlicher Berücksichtigung des Umstandes, daß keiner der bei­ den Bestandteile vollständig umgesetzt wird, zu dem Ergebnis, daß die Silika in einer Menge von etwa 1/4 der Portlandzement­ menge zuzusetzen ist. Hierbei wurde als beste Mischbinder-Zusa­ mensetzung befunden: 70% Hochofenschlacke, 24% Portlandzement und 6% Silika; die kumulative Volumenanteilverteilung dieser Mischung als Funktion der Korngröße ist durch die Kurve I in Fig. 3 dargestellt. Die Beziehung Korngröße/Aktivität ent­ spricht hier der oben dargelegten Erfindungsidee, d. h., die Mischbinder-Komponente mit der geringsten Aktivität ist auch die feinkörnigste. Die spezifische Oberfläche von Silika be­ trägt im typischen Fall über 20000 m²/kg, so daß man zu einer sich gleichmäßig entwickelnden Kombination mit in gegenseitiger Wechselwirkung stehenden erhärtenden Komponenten gelangt. Die Silikamenge an sich liegt im herkömmlichen Bereich, wie zum Beispiel aus der Patentanmeldung FI-8 81 714 hervorgeht. Die Si­ lika erwies sich als eine Art Verflüssiger und "Schmiermittel" der Betonmasse, so daß das Wasser-Bindemittel-Verhältnis norma­ len, mit herkömmlichen Zuschlagstoffen hergestellten, erfin­ dungsgemäße Hochofenschlacke enthaltenden Betons bis herunter auf 0,20 gesenkt werden konnte.

Die Ergebnisse sind in den Fig. 7 und 8 als Funktion sowohl der Festigkeitsentwicklung als auch des Wasser-Bindemittel-Ver­ hältnisses dargestellt. Silika erhöht also, wie zu erwarten stand, die Betonfestigkeit und verringert außerdem den Wasser­ anspruch. Die beste Festigkeit nach 90 Tagen - fast 120 MPa - erhält man mit der oben definierten, 6% Silika enthaltenden Mischung bei einem Wasser-Bindemittel-Verhältnis von 0,24 (Kur­ ve 1). Die Festigkeitswerte der gleichen Mischung im Alter von 28 Tagen sind durch die Kurve 2 dargestellt. Durch den Punkt 6 ist in Fig. 7 auch der Druckfestigkeitswert einer 9% Silika, 30% Portlandzement und somit 61% Hochofenschlacke B4 enthal­ tenden Mischung bei einem Wasser-Bindemittel-Verhältnis von 0,27 eingetragen. Dieser Wert ist jedoch wegen der abweichenden Größe des betreffenden Probekörpers mit den übrigen Ergebnissen nicht voll vergleichsfähig. Zum Vergleich sind in Fig. 8 auch die Festigkeitskurven 3 und 5 zweier anderer, auf der Basis von bloßer Hochofenschlackenmischung B4 und Portlandzement herge­ stellter Betone eingetragen. Weiter sind in Fig. 8 die Festig­ keitskurven 4 und 7 dem herkömmlichen Stand der Technik ent­ sprechender, auf der Basis bloßen Portlandzements hergestellten Betons eingetragen. Die Festigkeitsentwicklung der erfindungs­ gemäßen 6% Silika enthaltenden Betone ist in Fig. 7 durch die Kurven 8 und 9 dargestellt. Es ist festzustellen, daß der mit erfindungsgemäßem Mischbinder hergestellte Beton in bezug auf Festigkeit und Dichtigkeit gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Betonen ein beachtlich hohes Niveau hat.

Bezüglich der Verarbeitbarkeit des Frischbetons wurde festge­ stellt, daß bei Herstellung hochfesten Betons aus feingemahle­ ner Hochofenschlacke und mit sehr niedrigem Wasser-Bindemittel- Verhältnis (< 0,25) die Kohäsion des Frischbetons gering ist, die Viskosität aber mit zunehmender Formänderungsgeschwindig­ keit rasch wächst. Zum Mischen mit Hochofenschlacke hergestell­ ter Betonmasse eignen sich Mischer vom Zwangsmischer- und be­ sonders vom Stiftscheibenmühlen-Typ. Intensives Mischen der Masse mit einem solchen Mischer erhöht die Früh- und Spätfe­ stigkeit des Hochofenschlackenbetons erheblich. Der Frischbeton eignet sich für Rüttel- und Schubverdichtung.

Wie bereits weiter oben in dieser Beschreibung festgestellt wurde, läßt sich die erfindungsgemäße Hochofenschlackenkompo­ nente durch Vermischen zweier, verschiedenen Feinheitsgrad re­ präsentierender Hochofenschlackenpulver herstellen. Der eine Schlackenteil besteht aus herkömmlichem Pulver mit einer spe­ zifischen Oberfläche von unter ca. 600 m²/kg, bevorzugt von ca. 400 m²/kg, der andere Schlackenteil aus hochfeinem Pulver, des­ sen spezifische Oberfläche in der Größenordnung von wenigsten etwa 900 m²/kg und im typischen Fall von ca. 1200 m²/kg liegt. Das hochfeine Pulver ist in der Mischung in einem Anteil von ca. 30 bis 50 Volumenprozent, bevorzugt von etwa 40 Volumenpro­ zent, bezogen auf die Hochofenschlacke, enthalten. Damit er­ zielt man die aus den Fig. 2 bis 4 hervorgehenden Hochofen­ schlackenmischungen, insbesondere die Mischung B4, die durch die Gleichung (1) approximiert sind.

Die kapillare Wasserdurchlässigkeit und die Gasdurchlässigkeit waren sowohl bei den mit Portlandzement hergestellten Ver­ gleichsbetonen als auch bei jenen Hochofenschlackenbetonen, bei denen das Bindemittel zu 70% aus Hochofenschlacke bestand und das Wasser-Bindemittel-Verhältnis 0,20 bis 0,28 betrug, äußerst gering. Diese Versuchsbetone karbonatisierten etwas schneller als der mit Portlandzement hergestellte Vergleichsbeton und hatten in saurer Lösung eine entscheidend bessere Beständigkeit als der mit Portlandzement angerührte Vergleichsbeton.

Intensive Wärmebehandlung (Temperatur 60 bis 75°C) wirkt sich günstig auf die Frühfestigkeit aus und beeinträchtigt die End­ festigkeit kaum. Der wärmebehandelte, mit feingemahlener Hoch­ ofenschlacke hergestellte Beton gleicht in seiner Festigkeits­ entwicklung im jungem Alter etwa dem mit schnellhärtendem Port­ landzement hergestellten hochfesten Beton.

Passende Einsatzobjekte für die erfindungsgemäßen Betone sind im Hochbau die Tragkonstruktionen und besonders Konstruktionen in Industrieanlagen unter chemisch aggressiven Verhältnissen sowie Straßenbeläge. Passende Einsatzobjekte für mit feingemah­ lener Hochofenschlacke hergestellte steife Frischbetone sind außerdem witterungs- und chemisch beanspruchte Betonsteine, Dachziegel sowie kommunaltechnische Erzeugnisse.

Claims (9)

1. Hochfeste Betonmasse, die Betonzuschlagstoff und als Bin­ demittel einen Mischbinder, der als Hauptbestandteil feingemah­ lene hydratationsfähige Hochofenschlacke und als Anreger Port­ landzement, letzteren in einem Trockensubstanzanteil von etwa 15 bis 50 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hochofenschlacke, hat, sowie Betonverflüssiger und Wasser enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte feingemahlene Hochofenschlacke in ihrer Korngrößenverteilung derart beschaffen ist, daß in der sie charakterisierenden Gleichung worin: Y = kumulativer Volumenanteil D = Partikelgröße, µm D_S = Minimalgröße, µm D_L = Maximalgröße, µm n = Formfaktor der Verteilung der Formfaktor wenigstens < +0,2, im typischen Fall negativ und bevorzugt 0,2 ist, und daß die Korngrößenverteilung des Portlandzements zu einer gegenüber dieser Hochofenschlacken­ Korngrößenverteilung größeren Korngröße hin verschoben ist.

2. Betonmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Hochofenschlacke der Hauptanteil im Bereich <2 bis <5 µm liegt und in der stetigen Korngrößenverteilung der Hochofenschlacke außerdem folgende Anteile enthalten sind: Korngröße (µm) Anteil in der Schlacke <20, <50|9-21% < 5, <10 11-27% < 1, < 2 5-18%

3. Betonmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der als Bindemittel dienende Mischbinder außerdem wasserfreie amorphe, äußerst feinkörnige Silika enthält, deren Korngröße wesentlich kleiner als diejenige der besagten Hoch­ ofenschlackenkomponente ist, und daß die Silika in einer Menge von 2 bis 9%, bevorzugt von etwa 6% der Mischbinder-Trocken­ substanz enthalten ist.

4. Betonmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockensubstanz des besagten Mischbinders zu 60 bis 80%, bevorzugt zu etwa 70% aus Hochofenschlacke und zu 13 bis 35%, bevorzugt zu etwa 24% aus schnellhärtendem Portlandzement besteht, und daß das Wasser-Bindemittel-Verhältnis der Beton­ masse im Bereich zwischen etwa 0,2 und 0,3, bevorzugt bei etwa 0,25 liegt.

5. Betonmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Oberfläche der Silika in der Größenordnung von wenigstens 20000 m²/kg und die durchschnittliche spezifi­ sche Oberfläche der Hochofenschlackenmischung im Bereich zwi­ schen ca. 750 und 950 m²/kg liegt.

6. Betonmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kumulative Korngrößenverteilung der Hochofenschlacken­ mischung angenähert folgende ist: Korngröße (µm) kumulat. Volumenanteil (%) <125 <93 < 50 <83 < 20 <65 < 10 <50 < 5 <35 < 2 <12 < 1 < 4 < 0,5 < 1 wobei die Minimalgröße D_S zwischen 0,7 und 1,5 µm bevorzugt etwa 1µm und die Maximalgröße D₁ zwischen 30 und 120µm be­ trägt.

7. Verfahren zur Herstellung von hochfester Betonmasse nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 oder von Bestandteilen sol­ cher Betonmasse, die sich aus Betonzuschlagstoff und aus als Hauptbestandteil gemahlene hydrationsfähige Hochofenschlacke und als Anreger Portlandzement enthaltendem Mischbinder als Bindemittel sowie aus Betonverflüssiger, Silika und Wasser zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des im voraus festgelegten Kornverteilungstyps des Hochofenschlackenanteils der für den Mischbinder einzusetzende Schlackeanteil durch Vermengen herkömmlichen Pulvers mit einer spezifischen Oberfläche von unter etwa 600 m²/kg, bevorzugt von etwa 400 m²/kg, und hochfeinen Pulvers mit einer spezifischen Oberfläche von wenigstens etwa 900 m²/kg, bevorzugt von etwa 1200 m²/kg, in einem solchen Mischungsverhältnis hergestellt wird, daß die Mischung ca. 30 bis 50 Volumenprozent, bevorzugt etwa 40 Volumenprozent, des besagten hochfeinen Pulvers ent­ hält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den genannten zwei verschiedenen Pulverkomponenten zusammengesetzte Hochofenschlackenmischung eine mittlere spe­ zifische Oberfläche zwischen etwa 750 und 950 m²/kg und bevor­ zugt in der Größenordnung von 850 m²/kg hat.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, um eine homogene Masse zu erzielen, die Bestandteile der Betonmasse für deren Einsatz mit einem besonders leistungsfähi­ gen Mischer, etwa mit einer Stiftscheibenmühle, gemischt wer­ den.