Mikrosilika in UHPC: Kornpackung, Rheologie und Faserverbund

Wie Mikrosilika Kornpackung, Rheologie, Hydratation und Faser–Matrix-Verbund in UHPC verändert und welche Prüfungen Überdosierung verhindern.

Nutzen Sie die Bereiche zur Vorauswahl und validieren Sie Sorte und Dosierung anschließend mit den realen Ausgangsstoffen, dem Mischablauf und den Einsatzbedingungen.

1. Kugellager- und Schmierwirkung durch submikrometrische kugelförmige Partikel

Mikrosilika besteht hauptsächlich aus extrem feinen, kugelförmigen, amorphen Siliziumdioxidpartikeln, deren ursprüngliche Partikelgröße weitaus kleiner ist als die von gewöhnlichen Zementpartikeln.

Wenn sich das Mikrosilika in der UHPC-Masse vollständig entklumpen und gleichmäßig verteilen kann, dringen die winzigen kugelförmigen Partikel zwischen die Zementpartikel ein und verringern während der Scher- und Fließprozesse teilweise den Reibungswiderstand zwischen den Partikeln, wodurch eine „Kugellager“-ähnliche Schmierwirkung entsteht.

Dieser Effekt trägt dazu bei:

• die Verringerung der inneren Reibung zwischen den Partikeln;
• die Fließfähigkeit von Mörteln mit niedrigem Wasser-Zement-Verhältnis zu verbessern;
• die lokale Flockung und die Partikelbrückenbildung zu verringern;
• die Fähigkeit der Mörtelmischung, Quarzsand und Stahlfasern einzubinden, zu verbessern.

Der Rollkugeleffekt tritt jedoch nicht bei allen Mikrosilika automatisch auf.

Wang et al. stellten bei der Untersuchung des Einflusses verschiedener Mikrosilika auf die Fließfähigkeit von UHPC fest, dass eine geringe Porosität der Partikel, eine hohe Schüttdichte, eine breite und angemessene Korngrößenverteilung sowie ein geringer Kohlenstoffgehalt die Verbesserung der UHPC-Fließfähigkeit durch den Rollkugeleffekt und den Plastifizierungseffekt begünstigen.

Dies bedeutet, dass der rheologische Wert von Mikrosilika für UHPC nicht nur durch die durchschnittliche Partikelgröße bestimmt wird, sondern auch durch das Zusammenspiel von Partikelmorphologie, Aggregationsgrad, Partikelgrößenverteilung und Verunreinigungsgrad beeinflusst wird.

Bei starker Agglomeration des Mikrosilikapulvers können die ursprünglich im Submikrometerbereich liegenden Partikel in Form größerer Aggregate am Mischvorgang teilnehmen. In diesem Fall können nicht nur die Mikrofüll- und Rollkugeleffekte nur schwer zum Tragen kommen, sondern es kann auch zu einem erhöhten Wasserbedarf der Masse, einer erhöhten plastischen Viskosität sowie einer Beeinträchtigung der Dispersionseffizienz des Polycarbonsäure-Wasserreduktionsmittels kommen.

Daher lautet die genauere Aussage nicht: „Je feiner das Mikrosilika, desto stärker der Kugellagereffekt“, sondern:

Unter den Bedingungen einer vollständigen Dispersion und einer angemessenen Korngrößenverteilung können kugelförmige, ultrafeine Partikel eine effektivere Kugellager- und Schmierwirkung entfalten.

2. Verfüllung der Mikrometer- und Submikrometer-Lücken in der Partikelgrößenverteilung

Die hohe Festigkeit und Dauerhaftigkeit von UHPC beruhen im Wesentlichen auf einer hochverdichteten, multiskaligen Partikelstapelstruktur.

In einem typischen UHPC-System decken verschiedene Materialien unterschiedliche Korngrößenbereiche ab:

Quarzsand bildet das Gerüst aus feinem Zuschlagstoff, Zement und Quarzmehl füllen die größeren Hohlräume im Gerüst aus, und Mikrosilika dringt zusätzlich in die Mikrometer- und Submikrometer-Poren zwischen den Zementpartikeln ein.

Mikrosilika dient hier nicht einfach nur als „zusätzlicher Pulverzusatz“, sondern füllt die fehlenden Korngrößenbereiche zwischen Zement, Quarzmehl und Feinsand aus, wodurch die tatsächliche Partikelverteilung näher an die kontinuierliche Packungskurve herangeführt wird.

Bei der Auslegung von UHPC unter Verwendung von Partikelstapelungsmethoden wie dem modifizierten Andreasen- und Andersen-Modell besteht eine der wichtigsten Funktionen des Mikrosilikapulvers darin, die Übereinstimmung des Pulversystems mit der angestrebten Korngrößenverteilungskurve zu verbessern und die Restporen nach der Partikelstapelung zu verringern. In entsprechenden Studien wurden bereits UHPC- und UHPFRC-Systeme mit hochdichter Matrix unter Verwendung dieses Modells entwickelt.

Die Optimierung der Korngrößenverteilung führt zu mehreren direkten Ergebnissen:

Erstens werden die anfänglichen Hohlräume verringert, die mit Wasser und Mörtel gefüllt werden müssen.

Zweitens entsteht bei gleichem Wasser-Bindemittel-Verhältnis ein kontinuierlicheres Feststoffgerüst.

Drittens werden lokale Makroporen und Schwachstellen reduziert.

Viertens wird den nachfolgenden Hydratationsprodukten ein gleichmäßigerer Wachstumsraum geboten.

Es ist jedoch zu beachten, dass eine hohe theoretische Trockenpackungsdichte nicht zwangsläufig mit besseren tatsächlichen UHPC-Eigenschaften gleichzusetzen ist.

Die Dicke des Wasserfilms im UHPC, die Adsorption von Wasserreduktionsmitteln, die Agglomeration der Pulverpartikel, der Luftgehalt und die Störung durch Stahlfasern führen dazu, dass der tatsächliche Feuchtepackungszustand von den theoretischen Berechnungen abweicht. Daher muss das Partikelpackungsmodell in Verbindung mit Rheologieversuchen, Luftgehaltstests und der Überprüfung der mechanischen Eigenschaften verwendet werden.

3. Mikrofüller, Keimbildung und die puzzolanische Reaktion sind nicht ein und derselbe Prozess

Der Beitrag von Mikrosilika zur Mikrostruktur von UHPC lässt sich in drei miteinander verbundene, aber zeitlich unterschiedlich ablaufende Wirkungen unterteilen.

Physikalische Füllwirkung

Während der Misch- und Formungsphase füllt das Mikrosilika zunächst die feinen Hohlräume zwischen Zement und Quarzmehl aus und verringert so den Raum für die Bildung von ursprünglichen Defekten und Kapillaren.

Dieser Effekt tritt bereits vor dem großflächigen Einsetzen der Hydratationsreaktion auf.

Keimbildungseffekt

Gleichmäßig dispergierte Mikrosilikapartikel bieten den Hydratationsprodukten des Zements mehr Keimbildungsstellen und fördern so die Ausscheidung von Hydratationsprodukten wie C-S-H an der Partikeloberfläche.

Untersuchungen zeigen, dass die Keimbildungswirkung des Mikrosilikapulvers sowie dessen bevorzugte Adsorption an Polycarbonsäure-Fließmitteln die Induktionsphase der UHPC-Masse verkürzen und die frühe Zementhydratation sowie die Wärmefreisetzung fördern können.

Puzzolanische Reaktion

In den nachfolgenden Hydratationsphasen reagiert das aktive amorphe SiO₂ im Mikrosilika mit dem bei der Zementhydratation entstehenden Ca(OH)₂ und bildet zusätzliches C-S-H-Gel.

Dieser Prozess reduziert die relativ schwachen Calciumhydroxidkristalle, verfeinert die Poren weiter und verbessert die Matrix sowie die Übergangsbereiche an den Grenzflächen.

Eine Studie aus dem Jahr 2024, in der inertes Titandioxid als Vergleichsmaterial verwendet wurde, untersuchte getrennt die physikalische Füllwirkung und die chemische Reaktionswirkung von Mikrosilika. Die Ergebnisse zeigen, dass Mikrosilika in UHPC nicht ausschließlich über die Puzzolanische Reaktion wirkt. seine Füllwirkung, Keimbildung, die Adsorption von Wasserreduktionsmitteln sowie spätere Reaktionen leisten in verschiedenen Alterungsstadien unterschiedliche Beiträge.

Dies erklärt auch, warum bei UHPC mit extrem niedrigem Wasser-Zement-Verhältnis eine „Erhöhung des Mikrosilika-Anteils“ nicht zwangsläufig zu einer kontinuierlichen Steigerung der Festigkeit führt.

Wenn im System nicht genügend effektive Feuchtigkeit vorhanden ist, die Zementhydratation eingeschränkt ist oder eine deutliche Agglomeration des Mikrosilikats auftritt, wirkt überschüssiges Mikrosilikat möglicherweise eher als Füllstoff mit hoher spezifischer Oberfläche und kann die erwartete Puzzolanische Reaktion nicht vollständig auslösen.

4. Mikrosilika beeinflusst zudem die Dispersion und die Grenzflächenhaftung der Stahlfasern

Die Biegefestigkeit, Zugfestigkeit und Tragfähigkeit nach Rissbildung von UHPC hängen nicht nur vom Anteil der Stahlfasern ab, sondern auch davon, ob diese gleichmäßig verteilt sind und ob sich eine angemessene Haftfestigkeit zwischen den Fasern und der Matrix bildet.

Durch die Verfeinerung der Poren um die Fasern herum, die Erhöhung der Dichte des Matrixmaterials und die Verbesserung der Grenzflächenstruktur kann Mikrosilikat die Haftung, Reibung und mechanische Verzahnung zwischen den Stahlfasern und der Masse verstärken.

Gleichzeitig verändert Feinsilika jedoch auch die Streckgrenze und die plastische Viskosität der Masse.

Ist die Viskosität der Masse zu gering, kann es zu einer Absetzung oder unkontrollierten Ausrichtung der Stahlfasern kommen; ist sie zu hoch, kann dies zu Faserverklumpungen, erschwerter Entlüftung und verminderter Fließfähigkeit führen.

In einer Studie aus dem Jahr 2019 legten Wu, Khayat und Shi den Mikrosilika-Zusatzanteil auf 0 % bis 25 % der Masse des Bindemittels fest. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass unter den in dieser Studie verwendeten Rezepturen und Materialbedingungen UHPC mit einem Mikrosilika-Zusatz von 10 % bis 15 % eine hohe Faserbindungsfestigkeit, Biegefestigkeit und Zugfestigkeit aufwies.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser Zugabebereich eine relativ niedrige Viskosität der Masse gewährleistet und eine gleichmäßigere Verteilung der Stahlfasern ermöglicht.

Eine weitere Studie ergab hingegen, dass in dem untersuchten UHPC-System die Zugabe von 20 % Mikrosilika die mechanischen Eigenschaften verbessert, den Chloridionen-Diffusionskoeffizienten senkt und gleichzeitig die Synergie zwischen Stahlfasern und Matrix verstärkt.

Diese beiden Ergebnisse stehen nicht im Widerspruch zueinander, sondern verdeutlichen vielmehr einen wichtigen Punkt:

Es gibt bei UHPC keinen „einheitlichen optimalen Mikrosilikapulver-Zusatz“, der unabhängig von den konkreten Rohstoffen und der Rezeptur gilt.

Die optimale Zugabemenge wird von Faktoren wie der Zementzusammensetzung, der Feinheit des Quarzmehls, der Sandkorngrößenverteilung, dem Wasser-Zement-Verhältnis, der Art des Wasserreduktionsmittels, den Abmessungen der Stahlfasern, der Mischenergie und dem Aushärtungsregime beeinflusst.

5. Bei Mikrosilika für UHPC darf nicht nur der SiO₂-Gehalt betrachtet werden

Normen wie ASTM C1240 können als grundlegende Qualitätsanforderungen für den Einsatz von Mikrosilika in zementbasierten Werkstoffen dienen, doch für UHPC reicht die bloße Einhaltung allgemeiner Normen in der Regel nicht aus.

Bei der konkreten Produktauswahl sollten außerdem folgende Aspekte besonders berücksichtigt werden:

Partikelverteilung und Porosität: Können die fehlenden Bereiche in der Korngrößenverteilung des vorhandenen Zements und Quarzpulvers ergänzt werden?

Morphologie der Primärpartikel und Aggregatzustand: Können die Partikel in den vorhandenen Mischanlagen effektiv entaggregiert werden?

Verdichtungsgrad: Passt der Verdichtungsgrad zur Dosiermethode, zur Mischenergie und zum Produktionstakt?

Glühverlust und Kohlenstoffgehalt: Ein zu hoher Restkohlenstoffgehalt kann die Adsorption von Zusatzmitteln erhöhen und die Fließfähigkeit sowie das Luftporensystem beeinträchtigen.

Kompatibilität mit Polycarbonsäure-Fließmitteln: Ein und dasselbe Mikrosilika kann in verschiedenen PCE-Systemen deutlich unterschiedliche Fließfähigkeit und Setzfestigkeit aufweisen.

Chargenkonsistenz: UHPC weist ein niedriges Wasser-Zement-Verhältnis und einen hohen Pulveranteil auf und reagiert daher sehr empfindlich auf Schwankungen bei den Rohstoffen; selbst geringfügige Abweichungen können zu Schwankungen in der Rheologie und Festigkeit führen.

Auswirkungen auf Schwindung und Wärmeentwicklung: Die Keimbildungswirkung von Mikrosilika kann die frühe Hydratation beschleunigen und gleichzeitig das Risiko einer frühen Wärmeentwicklung und eines Selbstschwunds erhöhen. Relevante Studien weisen darauf hin, dass eine Verbesserung der Mikrosilika-Dispersion und eine Regulierung seiner frühen Aktivität den Hydratationsprozess und die frühen Eigenschaften von UHPC erheblich verändern können.

6. Zuverlässigere Bewertungsmethoden für Mikrosilika in UHPC

Für UHPC-Hersteller sollte sich die Bewertung von Mikrosilika nicht nur auf chemische Prüfberichte beschränken, sondern im Rahmen der tatsächlichen Rezeptur überprüft werden.

Es wird empfohlen, mindestens die folgenden vier Testebenen durchzuführen:

Überprüfung der Korngrößenverteilung

Die tatsächlichen Korngrößenverteilungen von Zement, Mikrosilika, Quarzmehl und Quarzsand werden in ein Partikel-Häufungsmodell eingegeben, um die Anpassungsgüte der Korngrößenverteilung sowie die theoretische Porosität vor und nach der Zugabe von Mikrosilika zu analysieren.

Überprüfung der rheologischen Eigenschaften

Neben dem Ausdehnungsgrad sollten auch die Fließspannung der Zementpaste, die plastische Viskosität, die Fließbeständigkeit sowie die Fähigkeit zur Wiederherstellung der Struktur nach dem Mischen berücksichtigt werden.

Zwei Rezepturen mit identischem Ausdehnungsgrad können völlig unterschiedliche Viskositäten und Faserdispersionszustände aufweisen.

Überprüfung der Stahlfaserverteilung

Durch Querschnitte, Bildanalyse oder Probenahmen an verschiedenen Stellen des Bauteils wird bewertet, ob es bei den Stahlfasern zu Verklumpungen, Absetzungen oder einer deutlichen Ausrichtung kommt.

Überprüfung der Gesamteigenschaften

Es sollten gleichzeitig die Druckfestigkeit, die Biege- oder Zugfestigkeit, das Ausreißverhalten der Fasern, die Selbstschrumpfung, der Luftgehalt und die Dauerhaftigkeitskennwerte geprüft werden, anstatt die Beurteilung ausschließlich auf die Druckfestigkeit nach 28 Tagen zu stützen.

Schlusswort

Der Wert von Mikrosilika in UHPC besteht nicht einfach darin, „aktives SiO₂ hinzuzufügen“, und auch nicht pauschal darin, den „Nanokugeleffekt zu verstärken“.

Es ist vielmehr Teil eines multiskaligen Materialdesignprozesses:

Durch die Roll- und Schmierwirkung submikrometrischer kugelförmiger Partikel wird die Rheologie reguliert, durch Partikelgrößenkompensation die Partikelstapelung optimiert, durch Mikrofüllung anfängliche Defekte reduziert, durch Keimbildung und Pumice-Reaktion die Hydratationsprodukte umgestaltet und durch Verdichtung die Grenzfläche zwischen Stahlfasern und Matrix verbessert.

Daher sollte hochwertiges Mikrosilika für UHPC nicht nur auf eine höhere Reinheit oder eine größere spezifische Oberfläche abzielen, sondern folgende Eigenschaften aufweisen:

eine angemessene Partikelgrößenverteilung, einen kontrollierbaren Aggregatzustand, eine gute Verträglichkeit mit Wasserreduktionsmitteln, eine stabile Chargenkonstanz sowie eine Dispersionsfähigkeit, die auf den jeweiligen UHPC-Herstellungsprozess abgestimmt ist.

UHPC benötigt kein Mikrosilika mit den höchsten Kennwerten, sondern ein Mikrosilika, das in der jeweiligen Rezeptur ein Gleichgewicht zwischen Korngrößenverteilung, Rheologie, Hydratation und Faserverteilung herstellen kann.