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Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG 1
2 PROBLEMSTELLUNG 4
2.1 Prinzipielle Wirksamkeit von Puzzolanen 4
2.2 Ablauf der puzzolanischen Reaktion 5
2.3 Gefügeveränderungen infolge der puzzolanischen Reaktion 8
2.4 Forschungsbedarf 9
3 VERSUCHSPROGRAMM UND -DURCHFÜHRUNG 12
3.1 Generelle Vorüberlegungen 12
3.2 Versuchspläne 15
3.2.1 Prinzipielle Wirkung von Puzzolanen 15
3.2.2 Wirkung von Puzzolanen in der Frühphase 19
3.2.3 Einflussgrößen auf das Reaktionsvermögen 21
3.2.4 Reaktionskinetik 26
3.2.5 Grenzen der Anwendbarkeit 26
3.3 Ausgangsstoffe 27
3 3.1 Auswahl der Ausgangsstoffe 27
3.3.2 Untersuchung der Ausgangsstoffe 27
3.4 Versuchsdurchführung 29
3.4.1 Herstellung von Zementsteinprüfkörpern 29
3.4.2 Beurteilung des Reaktionsgrades von Puzzolanen 30
3.4.2.1 Vorversuchsserie zur Auswahl der Prüfverfahren 30
3.4.2.2 Verfahrensbeschreibung: Thermogravimetrie (TG) 33
3.4.2.3 Verfahrensbeschreibung: Bestimmung reagierter Flugascheanteil 37
3.4.3 Zusammensetzung des Porenwassers 38
3.4.4 Porosität und Porenstruktur 38
3.4.5 Hydratationswärme 39
4 PRINZIPIELLE WIRKUNG VON PUZZOLANEN (VERÄNDERUNGEN IM ZEMENTSTEIN) 41
4.1 Prinzipieller Verlauf der puzzolanischen Reaktion 41
4.2 Separierung des Füllereffektes 46
4.3 Stöchiometrie der CSH-Phasen 50
4.4 Veränderung des pH-Wertes der Porenlösung und des Alkalitätsdepots 55
4.5 Porosität und Porenstruktur 71
4.6 Zusammenfassung 78
5 WIRKUNG VON PUZZOLANEN IN DER FRÜHPHASE 80
5.1 Hydratationswärme 80
5.1.1 Allgemeine Betrachtungen 80
5.1.2 Wirkung von Steinkohlenflugasche 80
5.1.3 Wirkung von Silikastaub 84
5.2 Reaktionsprodukte 88
5.2.1 Steinkohlenflugasche 88
5.2.2 Silikastaub 90
5.3 Zusammenfassung 94
6 EINFLUSSGRÖßEN AUF DIE REAKTION VON PUZZOLANEN 96
6.1 Bedeutung der Puzzolanart 96
6.2 Bedeutung der Zementart für das Reaktionsverhalten von Puzzolanen 97
6.2.1 Einflussgröße Ca(OH)2-Angebot 97
6.2.2 Einflussgröße Alkaligehalt 104
6.2.3 Zusammenfassung / Bewertung der verschiedenen Einflussgrößen 115
6.3 Bedeutung des Wasserzement- bzw. Wasserbindemittelwertes 115
6.3.1 Einflussgröße Porenstruktur 115
6.3.2 Einflussgröße pH-Wert der Porenlösung 121
6.3.3 Zusammenfassung / Bewertung der verschiedenen Einflussgrößen 123
6.4 Äußere Einflüsse auf das Reaktionsverhalten von Puzzolanen 124
6.4.1 Temperatur 124
6.4.2 Relative Luftfeuchte 127
7 REAKTIONSKINETIK 133
7.1 Beginn der puzzolanischen Reaktion 133
7.2 Zeitpunkt mit höchster Reaktionsrate 133
7.3 Gründe für das Abschwächen der puzzolanischen Reaktion 137
7.4 Übergang löslichkeits- zu diffüsionskontrolliertem Prozess 137
7.5 Maßnahmen zur Förderung der puzzolanischen Reaktion 139
7.6 Verlust des Alkalitätsdepots 139
8 GRENZEN DER ANWENDBARKEIT 141
8.1 Wirkung bei extrem hohen Puzzolangehalten 141
8.2 Klimatische Randbedingungen 145
8.3 Mögliche Einflüsse auf die Betonqualität 146
9 ZUSAMMENFASSUNG 148
10 LITERATUR 152
Tabellen A1-A54

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Möglichkeiten zur Optimierung der Wirkungsweise bauchemischer Zusatzmittel durch Mechanismen der kontrollierten Wirkstofffreisetzung
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Die Verkapselung und kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen ist in vielen Industriebereichen ein gängiges Verfahren, um deren Eigenschaften zu verbessern. Trotz einer Vielzahl denkbarer Anwendungsgebiete hat diese Technologie bis heute jedoch keine wesentliche Bedeutung für den Baubereich. Ziel der Arbeit war es, die zukünftige Nutzung der Verkapselungstechnologie für den Baustoffbereich zu evaluieren. Im ersten Teil der Arbeit wurden Veränderungen der Wirkungsweise verschiedener bauchemischer Zusatzmittel bei deren zeitlich kontrollierter Dosierung zu zementgebundenen Baustoffen untersucht, um hieraus Kriterien zur Auswahl der Wirkstoffe und des Verkapselungsverfahrens zu ermitteln. Darauf aufbauend wurde im zweiten Teil der Arbeit ein für die kontrollierte Wirkstoffdosierung geeignetes Zusatzmittel in Mischagglomeraten verkapselt. Anschließende Untersuchungen widmeten sich den Einflussfaktoren auf das Verkapselungsergebnis und die kontrollierte Wirkstofffreisetzung. Auf Grundlage statistischer Datenauswertungen wurde ein Modell zur Verkapselung bauchemischer Wirkstoffe in Mischagglomeraten entwickelt, deren Freisetzungskinetik in Folgeuntersuchungen optimiert und abschließend im realen Baustoff aufgezeigt.

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Die rasche Überprüfung der Wirksamkeit von Erstarrungsbeschleunigern ist baupraktisch nach wie vor schwierig, da der Erstarrungsbeginn damit versetzter Zementleime bereits innerhalb von 1 bis 2 Minuten eintritt und somit meist noch innerhalb der Mischzeit liegt. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde eine spezielle Misch- und Prüftechnik entwickelt, mit der sowohl ausreichend homogen mit Beschleunigern vermischte Zementleime hergestellt als auch anschließend sofort das Erstarrungsverhalten von diesen ermittelt werden kann. Kernstück dieser Mischapparatur ist eine Zweikomponenten-Mischanlage, bei der Beschleuniger und Zementleim erst unmittelbar vor der Mischstrecke vermengt werden.

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Mit den vorliegenden Untersuchungen soll ein Beitrag geleistet werden, zu klären, welche organischen Einzelverbindungen und/oder typische Verbindungsklassen in Betonen mit Zusatzmitteln vorhanden sowie in organischen Extrakten und wässrigen Eluaten prinzipiell mobilisierbar sind. Dazu wurden zuerst die charakteristischen Inhaltsstoffe in 5 marktüblichen Betonzusatzmitteln identifiziert und mögliche Hilfsstoffe und Verunreinigungen nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Verfahren zur Identifizierung der in Betonen tatsächlich verarbeiteten Zusatzmittel durch die Identifizierung charakteristischer Inhaltsstoffe nach Extraktion mit organischen Lösemitteln bzw. Eluation mit Wasser. Die Identifizierung und Quantifizierung der relevanten Verbindungen in Zusatzmitteln und Extrakten wurde mit Kernresonanzspektroskopie sowie Gaschromatographie/Massenspektrometrie durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden Betonzusatzmittel mit den Wirkstoffen Polyacrylat bzw. Acrylat-copolymer, Ligninsulfonat, Naphthalinsulfonat und Polycarboxylatether ausgewählt.

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Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden erste grundlegende Versuche zur potenziellen Belastung der Umwelt durch die Emission von umweltrelevanten organischen Bestandteilen aus Baustoffen mit organischen Betonzusatzstoffen durchgeführt. Dazu wurde sowohl das Auslaugverhalten als auch die gasförmige Emission von zementgebundenen Baustoffen mit organischen Zusatzstoffen in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. In Deutschland gibt es zwei bauaufsichtlich zugelassene organische Betonzusatzstoffe, eine wässerige Dispersion aus Polystyrolacrylat und eine wässerige Dispersion aus Polystyrolbutadien. Ein Vergleich der Mengen an organischem Kohlenstoff (TOC), die bei praxisorientierten Auslaugtests ermittelt worden sind, mit den TOC-Gehalten von Trinkwasser deutet darauf hin, dass die Umweltrelevanz der organischen Betonzusatzstoffe für die üblichen Einsatzbereiche im Betonrohrbau und Abwasserbereich als unbedenklich eingestuft werden kann. Die Untersuchungen zur gasförmigen Emission von organischen Bestandteilen aus zementgebundenen Baustoffen mit organischen Betonzusatzstoffen wurden in einer mit 1-Kubikmeter-Prüfkammer aus Glas durchgeführt. Die Konzentration an organischen Substanzen in der Kammerluft wurde über eine Stunde direkt nach dem Herstellen der Proben und im Probenalter von 1, 2, 3, 14, 28, 42 Tagen bestimmt. Aus den Untersuchungen geht hervor, daß die emittierten Konzentrationen über einen Zeitraum von 42 Tagen kontinuierlich abnehmen. Ein vollständiges Abklingen der emittierten Konzentrationen konnte jedoch innerhalb dieses Zeitraumes nicht festgestellt werden. Die Konzentrationen der Einzelverbindung liegen weit unterhalb der MAK-Werte. Dies ist für die Verarbeitung des Baustoffs als positiv anzusehen.

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Grenzen der Anwendbarkeit von Puzzolanen im Beton
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1996, 219 S.,
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Das Forschungsvorhaben hatte die Erarbeitung neuer Erkenntnisse über den Einfluß von Steinkohlenflugasche (SFA) und Silicastaub als Zusatzstoff im Beton auf das Alkalitätsdepot und das Betongefüge mit besonderem Hinblick auf die Grenzen der Anwendbarkeit und die Randbedingungen für eine optimale Wirkung zum Ziel. Die Versuchsreihen bezogen sich auf den Einfluß der Puzzolane auf die Reaktionsmechanismen bei der Zementerhärtung und erfaßten den Einfluß extremer Randbedingungen unter Variation der Zementart, der Puzzolanart, des Puzzolangehaltes, des Wasserbindemittelwertes und der Lagerungsbedingungen. Es wurden 2 verschiedene Portlandzemente und ein Hochofenzement untersucht. Als Puzzolane wurden 2 Steinkohlenflugaschen mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung und ein Silicastaub verwendet. Bei SFA wurde der Puzzolangehalt bis zu einem Extremwert von 60 Masseprozent variiert, während der untersuchte maximale Silicastaub 25 Masseprozent betrug. Die untersuchten Wasserbindemittel-Werte lagen zwischen 0,35 und 0,65. Es wurde der praxisrelevante Temperaturbereich zwischen 5 und 40 Grad C und der Luftfeuchtebereich oberhalb von 76% relativer Feuchte einbezogen. Bei SFA besteht bis zu einem Flugaschegehalt von 60 Masseprozent kein Anlaß, die Anwendung zu begrenzen. Bei Silicastaub hingegen scheint die in der Praxis gängige Größenordnung der Anwendungsgrenze durchaus berechtigt.

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C. Müller
Einfluß der Granulometrie von Steinkohlenflugaschen auf die Eigenschaften von Beton. Abschlußbericht
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Ziel des durchgeführten Versuchsprogramms war es, den Einfluß von Aufbereitungsmaßnahmen auf die Eigenschaften von Mörtel- und Beton zu untersuchen. Siebung oder Sichtung von SFA bei einer Trenngrenze von 40 Mikrometer sind wirkungsvolle Aufbereitungsmethoden, um eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit gegenüber flugaschefreien Mörteln und im Vergleich zur Verwendung nicht aufbereiteter SFA zu erzielen. Ebenso kann dadurch die Druckfestigkeit von Mörteln und Betonen im Vergleich zur Verwendung unbehandelter SFA und zu flugaschefreien Mischungen z.T. deutlich erhöht werden. Bei Verwendung sehr feiner SFA können im Alter von 28 Tagen im Vergleich zu Betonen ohne SFA bis zu 20% höhere Druckfestigkeiten erzielt werden, was bei Betonen der Festigkeitsklasse B 25 ungefähr einer Erhöhung der Druckfestigkeit um 6 N/qmm entspricht. Durch das Mahlen von SFA kann ebenfalls eine deutliche Erhöhung der Mörteldruckfestigkeit im Vergleich zur unbehandelten SFA erzielt werden. Nach den hier vorliegenden Versuchsergebnissen erscheint, auch im Hinblick auf eine möglichst rückstandsfreie Aufbereitungstechnik, die Kombination von Siebung bzw. Sichtung und Mahlung der groben SFA-Parktikel (40 Mikrometer) als die am besten geeignete Möglichkeit der SFA-Aufbereitung.

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Ludwig, Horst-Michael
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Deuse, Thomas; Haine, Stefan; Parker, Frank; Sievert, Thomas
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Hoffmann, Lars; Käseberg, Stefan; Holschemacher, Klaus
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Eickschen, E.; Müller, C.
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