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Über die Reaktivität von Betonzusatzstoffen -Ein versuchsbasiertes Hydratationsmodell-

Röser, Frank :
Über die Reaktivität von Betonzusatzstoffen -Ein versuchsbasiertes Hydratationsmodell-.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Die Reaktivität von Betonzusatzstoffen 040418 Endfassung.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Über die Reaktivität von Betonzusatzstoffen -Ein versuchsbasiertes Hydratationsmodell-
Language: German
Abstract:

Werkstoffwissenschaftlich betrachtet, ist in der Betontechnologie des Bauwesens seit Jahren eine stetig steigende Komplexität festzustellen. Dies ist unter anderem auf den zur Regelmäßigkeit gewordenen Einsatz von Betonzusatzstoffen als Zementersatz zurückzuführen. Das Grundlagenverständnis bei der praktischen Anwendung dieser Zusatzstoffe ist jedoch nicht in gleichem Maße angestiegen, wie es ihr andauernd wachsendes Verbrauchsvolumen vermuten lässt. Normative Restriktionen ermöglichen ihre Verwendung lediglich in einem begrenzten Maße oder in Form von Kompositzementen beziehungsweise in Compounds. Eine Erläuterung dieser Regularien mit Hilfe von stöchiometrischen Reaktions-mechanismen oder damit einhergehender Ausbildung der Mikrostruktur bleibt oftmals leider aus. Zielsetzung der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, einen Beitrag für die differenzierte Betrachtung, Bewertung und Beurteilung der Reaktivität von Betonzusatzstoffen zu leisten. Dieses Vorgehen soll das Verständnis über die Relation zwischen Rohstoffzusammensetzung und entstehenden Werkstoffeigenschaften verbessern. Die vorliegende Dissertationsschrift betrachtet das Reaktionsverhalten von bereits in der Praxis etablierten und neuartigen Betonzusatzstoffen in zementösen Systemen. Das notwendige Grundlagenverständnis über die Reaktivität von Zement sowie den untersuchten Zusatzstoffen erfolgt mit Hilfe internationaler Fachliteratur. Existierende Vorhersagemodelle zur Quantifizierung reaktiver Größen sowie Ansätze zur Schematisierung der Reaktionsmechanismen von Zusatzstoffen werden erläutert und von der eigenen Forschungshypothese abgegrenzt. Ein selbst entwickeltes Hydratationsmodell beschreibt eine Möglichkeit zur effizienten, versuchsbasierten Vorhersage von charakteristischen Materialkennwerten sowie einer ressourcenschonenden Bewertungsmöglichkeit von Rohstoffalternativen auf deren Reaktionspotenzial. Verdeutlicht wird dadurch der Bezug zwischen der Reaktivität von Betonzusatzstoffen und den damit verbundenen Chancen für die daueraktuellen Themen der Rohstoffknappheit und der CO2-Emissionsreduzierung. Das Versuchsprogramm hat zum Ziel, einen methodischen Lösungsansatz für wissenschaftliche Fragestellungen zu finden. Die durchgeführte Versuchsreihe wird ausführlich in Wort und Bild dieser Arbeit dargestellt. Sie ermöglicht eine gegenüberstellende Betrachtung des gesamten Spektrums gängiger Reaktions-verhalten. Von inerten oder leicht reaktiven Füllstoffen über Puzzolane bis hin zu den in der Literatur als latent hydraulisch bezeichneten Betonzusatzstoffen. Die Analyse variierender Zusatzstoffgehalte in zementösen Systemen erfolgt in unterschiedlichen Reaktionsstadien. Dies führt zur Verifizierung der Forschungs-hypothese, Betonzusatzstoffe anhand ihrer Reaktivität nicht nur charakterisieren zu können, sondern abzuleiten, dass eine Prognose über Phasenausbildung und Materialkennwerte mittels mikrostrukturanalytischen Untersuchungsmethoden möglich ist. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Ergebnisdiskussion und Validierung im Zusammenhang mit weiterführendem Forschungsbedarf.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In recent years, the behaviour of supplementary cementitious materials (SCMs), used as cement replacements in concrete for civil engineering solutions, continuously increased in its complexity. Among other things, this is due to the employment of upcoming innovative and/or ecological concrete additives as a replacement of cement. To this extend, the fundamental understanding of the theoretical principles that drive these additives to react with cement have not been fully understood, leading a knowledge gap in the correct and optimum usage of it in a cementitious system. Normative restrictions permit their use only to a limited extent or allow them in composite cements or in cementitious blends, respectively. Very often, a clear explanation of a correct usage by means of stoichiometric reaction mechanism or its associated impact on the microstructural development is not provided. Therefore, aim of this study is to emphasis the impact the reactivity of SCMs have on the chemo-mechanical properties concrete mixtures. An introductory investigation on the initial reactivity of SCMs reveals their potential on the one hand, and addresses a link to the scarcity of various reactive raw materials on the other. In this dissertation, possible alternative approaches to the application of various amounts of SCMs, and their interplay in cementitious systems is provided. Resulting strategies for achieving characteristic concrete parameters more efficiently or testing resource-saving alternatives on their suitability are addressed. An evaluation of the international literature on reaction-kinetic as well as on analytical instruments, tools for the systemization, prediction models for the quantification of reactive parameters, are discussed. The reason for this in-depth study on the chemical processes associated with cement hydration is its enormous importance for understanding the common theories in this field, as explained by the following. An extended experimental programme was developed with the aim to find an methodical solution for the behaviour of SCMs in a cementitious system. Therefore, a series of experiments are described in detail, by its chemical nature and mix design. The selection of tested SCMs allowed exploiting the comparative performance of a broad range of reactive materials. Starting with inert and/or slightly reactive fillers and pozzolans to SCMs commonly described in literature as latent hydraulic. A combination of thermal analysis and micro-structural methods on different amounts of SCMs in cementitious systems is applied to different stages of the reaction process. This enabled a thorough validation of a self-established research hypothesis, which is to characterise SCMs by means of their reactivity, to predict their performance at different stages of reaction, their material properties, and their micro-structural development by means of the mineralogical composition of the initial base materials. The dissertation ends with a possible field application as well as a discussion of the result in the context of a wider use, while open research questions are discussed.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Construction and Building Materials
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Construction and Building Materials > Beton- und Materialentwicklung
Date Deposited: 17 Aug 2018 12:54
Last Modified: 17 Aug 2018 12:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-76725
Referees: Koenders, Prof. Dr. Eduardus Aloysius Bernardus and Lackner, Prof. Dr. Susanne
Refereed: 21 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7672
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