Ultra hochfester Beton (UHPC / UHFB)

Ultra Hochfester Beton

Als Ultra hochfeste Betone  bezeichnet man Betone mit Druckfestigkeiten größer als 150 N/mm². Im Wesentlichen erreicht ultra hochfester Beton seine hohe Festigkeit durch eine sehr große Gefügedichte und einen geringen Wasserzementwert. Mit Hilfe ultra hochfester Betone lassen sich sehr filigrane, dadurch leichte und ressourcenschonenden Bauteile aus Beton herstellen. Auch bei Bauwerken der Superlative, wie beispielsweise beim Burj Dubai kommen ultra hochfeste Betone zum Einsatz.

UHPC Diagramm

Ausgangsstoffe

Die Zumsammensetzung von UHPC unterscheidet sich deutlich vom klassischen Drei-Phasen-Werkstoff aus Zement Gesteinskörnung und Wasser. Für das Erreichen von hohen Festigkeiten wird ein Vielzahl von weiteren Zusatzstoffen und Zusatzmitteln benötigt. So liegt bei der Entwicklung ultra hochfester Betone der Fokus zunächst auf der Optimierung der Granulometrie. Durch die Staffelung von Korngrößen und die Zugabe von Feinzuschlägen wie beispielsweise Gesteinsmehl und Flugasche können die Hohlräume in der Matrix gezielt verfüllt werden, woraus eine hohe Gefügedichte resultiert. Die optimierte Granulometrie kann durch Versuche aber auch rechnerisch bestimmt werden.

Auch bei normalen Betonen kann die Druckfestigkeit durch eine Reduktion des Wasserzementwertes erreicht werden. Die hohen Festigkeiten bei ultra hochfesten Betonen werden erreicht, indem der Wasserzementwert leicht unter dem zur vollständigen Hydratation theoretisch notwendige Wasserzementwert angesetzt wird. Dadurch werden die Anteile an Feinstkorn im Zementstein erhöht und folglich die Porosität des Zementsteins gesenkt.

Durch das Herabsetzen des Wasserzementwertes verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit. Für das Erreichen einer guten Verarbeitbarkeit werden deshalb bei der Herstellung von ultra hochfestem Beton leistungsfähige Fließmittel auf Basis von Polycarboxylaten oder Polycarboxylatethern verwendet. Bei der Auswahl der Fließmittel ist darauf zu achten, dass das Fließmittel mit dem verwendeten Zement harmoniert. Für die Herstellung eines ultra hochfesten Betons wird meist auch Mikrosilica der Mischung hinzugegeben. Durch Mikrosilica können die auf mikroskopischer Ebene feststellbaren Hohlräume zwischen Zuschlagskörnung und Zementsteinmatrix, welche durch die Calciumhydroxidanreicherung entstehen, wirksam verschlossen werden. Durch die Zugabe von Microsilika kann so eine weitere Festigkeitssteigerung erreicht werden.

Je nach Anwendungsfeld und Anforderungen werden bei der Herstellung von ultrahochfesten Betonen weitere Zusatzmittel wie beispielsweise Schwindreduzierer und Entschäumer der Mischung hinzugegeben.

Betonzusatzmittel

Eigenschaften

Ultra hochfester Beton hat in der Regel Druckfestigkeiten von 150 N/mm² bis 250 N/mm². Unter Laborbedingungen und mit Hilfe spezieller Druck- und Temperaturbehandlungen können sogar bis zu 800 N/mm² Druckfestigkeit erreicht. In diesem Fall übersteigt die Druckfestigkeit von UHPC sogar die von Stahl (500 N/mm²). Mit steigender Druckfestigkeit erhöht sich jedoch auch die Spödigkeit des Werkstoffes. Auch die Zugfestigkeiten von ultra hochfestem Beton liegen deutlich über denen von Normalbeton. Als Faustregel kann für die Zugfestigkeit ein Zehntel der Druckfestigkeit angenommen werden. Ultra hochfester Beton hat also in der Regel Zugfestigkeit größer als 15  N/mm². Durch die Zugabe von Fasern oder Textilen lässt sich die Zugtragfahigkeit und Duktilität des Werkstoffes weiter steigern. Gerade für den Bau sehr filigraner Bauelemente aus UHPC bietet sich eine Verstärkung des Betons mit einem Carbontextil an.

Bedingt durch die dichte Gefügestruktur weist ultra hochfester Beton eine sehr geringe Porosität auf. Daraus resultiert ein geringer Wasseraufnahmekoeffizient, was sich wiederum positiv auf die Dauerhaftigkeit und auf den Chlorideindringwiderstand auswirkt. Ultra hochfester Beton eignet sich somit auch für den Einsatz in chemisch stark belasteten Betonbauteilen, wie beispielsweise im industriellen Kanalisations- und Anlagenbau.

Durch die Verwendung von Betonzusatzmitteln können ultra hochfeste Betone selbstverdichtenden Eigenschaften erreichen. Durch den relativ großen Zementanteil findet die Hydratation schneller als bei herkömmlichen Beton statt. Dadurch ist der ultra hochfester Beton weniger lang verarbeitbar. Durch die Zugabe von entsprechenden Zusatzmitteln kann die Verarbeitbarkeit verlängert werden.

Selbstverdichtender Beton

Ausblick

Aufgrund der Tatsache, dass aus einer weiteren Steigerung der Druckfestigkeiten aktuell keine wesentlichen, für die Praxis relevanten Vorteile mehr gezogen werden könnten, liegt der Fokus bei aktuellen Forschungsarbeiten zum Thema UHPC vermehrt auf der Untersuchung und Optimierung der rheologischen Eigenschaften des Betons. Eine gute Verarbeitbarkeit und ein ausreichendes Fließverhalten des Frischbetons sind für ein problemloses Befüllen der, bei der Herstellung von Bauteilen aus UHPC gegebenen, meist filigranen Schalungszwischenräume essentiell. Bei der Anwendung von ultra hochfesten Betonen sind deshalb überwiegend selbstverdichtende Eigenschaften gefragt. Für die Entwicklung von selbstverdichtenden Betonen hat der DAfStb im September 2012 die Richtlinie „Selbstverdichtender Beton“ herausgegeben. Eine weitere Möglichkeit ultra hochfesten Beton zu optimieren liegt im Erstellen und Analysieren von 3D-Daten der verwendeten Zuschläge. Hierzu können können 3D-Bilder im Computerromograph erstellt werden und nach Auswertung die Granulometrie optimiert werden.

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