Hintergrund: Ein Kunde, der UHPC-Fertigteile herstellt, hatte bei der Produktion von Brückenbauteilen und UHPC-Fertigteilen seit Langem mit Schwankungen in der Festigkeit zu kämpfen, die auf Schwankungen bei den Rohstoffen zurückzuführen waren.Durch den Einsatz von MSILI UH-94 Mikrosilika sowie durch eine optimierte Rezeptur und Mischverfahren gelang es dem Kunden, die Homogenität und Dichte der UHPC-Matrix zu verbessern, das Risiko von Schwankungen bei der Druckfestigkeit nach 7 und 28 Tagen zu verringern und die in den Konstruktionsplänen festgelegten Festigkeitsanforderungen leichter und stabiler zu erfüllen. Damit wurde eine zuverlässigere Rohstofflösung für die Serienproduktion von UHPC geschaffen.
Produktionsumfeld und Ursache der Schwankungen
Ein Kunde aus dem Bereich der UHPC-Fertigteile produziert hauptsächlich Brückenbauteile und UHPC-Fertigteile. Da dieser Kunde seit langem im Bereich von Bauprojekten tätig ist, stellt er hohe Anforderungen an die Druckfestigkeit, die Fließfähigkeit, die Dichte und die Chargenkonstanz seiner Produkte.
In der Anfangsphase der Produktion verfügte die UHPC-Rezeptur des Kunden bereits über eine hohe Festigkeitsgrundlage, doch im Verlauf der fortlaufenden Testmischungen und der Serienproduktion war die Festigkeitsstabilität stets unzureichend. Bei gleicher Rezeptur, gleichem Wasser-Bindemittel-Verhältnis und gleichem Aushärtungsregime wiesen die Druckfestigkeitswerte der Probekörper verschiedener Chargen Schwankungen auf; bei einigen Chargen verlief die Frühfestigkeitsentwicklung eher langsam, und auch die Festigkeit nach 28 Tagen ließ sich nur schwer stabil im Zielbereich halten.
Nach eingehender Untersuchung stellte der Kunde fest, dass das Problem nicht nur in der Kompatibilität von Zement, Quarzsand oder Wasserreduktionsmitteln lag, sondern dass die Stabilität, die Reaktivität, der Dispersionszustand und die Korngrößenverteilung des Mikrosilikapulvers zu entscheidenden Variablen wurden, die die Festigkeitsstabilität des UHPC beeinflussten.
UHPC ist ein System mit niedrigem Wasser-Zement-Verhältnis, hohem Pulveranteil und hoher Dichte. Öffentliche Forschungsergebnisse zeigen, dass Silikastaub ein Schlüsselrohstoff in UHPFRC/UHPC ist, der zentrale Eigenschaften wie Mikrostruktur, Hydratationsreaktion, Selbstverdichtungsfähigkeit, Druckfestigkeit, Biege- und Zugfestigkeit sowie Dauerhaftigkeit beeinflusst. Daher ist Silikastaub für UHPC-Kunden kein gewöhnlicher Füllstoff, sondern ein wichtiger funktioneller Rohstoff, der die Festigkeitsstabilität und die Dichte des Systems bestimmt.
Vier Hindernisse für konstante Chargen
Das bisherige UHPC-System des Kunden wies hauptsächlich folgende Probleme auf:
1. Schwankungen zwischen den Rohstoffchargen beeinträchtigen die Festigkeitsstabilität
Das ursprünglich vom Kunden verwendete gewöhnliche Mikrosilikatwolle wies zwischen den verschiedenen Chargen gewisse Unterschiede auf, die sich in einer unzureichenden Stabilität des SiO₂-Gehalts, der Aktivität, der Feinheit, des Aggregationszustands und der Dispersionswirkung äußerten. Bei gewöhnlichem Beton haben solche Schwankungen möglicherweise nur begrenzte Auswirkungen; in UHPC-Systemen jedoch werden Schwankungen bei der Mikrosilikatwolle aufgrund des niedrigen Wasser-Zement-Verhältnisses, des hohen Pulveranteils und der strengen Anforderungen an die Partikelanordnung deutlich verstärkt, was sich letztendlich in der Druckfestigkeit und dem Zustand der Masse widerspiegelt.
2. Unstabile Frühfestigkeit und 28-Tage-Festigkeit
Bei den Probekörpern des Kunden verlief der Anstieg der Frühfestigkeit in einigen Chargen eher langsam, und auch die Druckfestigkeit nach 28 Tagen wies Schwankungen auf. Zwar lassen sich in Einzelversuchen hohe Festigkeitswerte erzielen, doch für den Kunden ist die stabile Erreichung der Zielwerte in der Serienproduktion wichtiger als der Höchstwert eines einzelnen Versuchs.
3. Unzureichende Homogenität der Masse beeinträchtigt die innere Verdichtung
Eine Voraussetzung für die Stabilität der UHPC-Festigkeit ist eine gleichmäßige Partikelverteilung im Mörtel, eine feine Porenstruktur und dichte Übergangsbereiche an den Grenzflächen. Wenn sich Aggregate aus Mikrosilikatpulver nicht effektiv im System verteilen können, werden der Mikrofüllstoffeffekt und die Vulkanasche-Reaktion geschwächt, was zu einer Zunahme lokaler Schwachstellen führt und somit die Festigkeitsstabilität beeinträchtigt.
4. Wiederholte Rezepturanpassungen und geringe Effizienz bei den Testmischungen
Aufgrund der unzureichenden Stabilität der Rohstoffe müssen Kunden die Dosierung des Wasserreduktionsmittels, das Wasser-Bindemittel-Verhältnis, die Mischzeit und den Pulveranteil häufig anpassen, was den Zeitaufwand für Versuche und die Kosten für die technische Validierung erhöht. Für Kunden von UHPC-Fertigteilen wirkt sich diese Instabilität direkt auf den Lieferrhythmus der Produkte aus.
Warum UH-94 gewählt und wie der Versuch aufgebaut wurde
Um das zentrale Problem des Kunden – „Die Festigkeit lässt sich zwar erhöhen, aber die Chargen sind nicht stabil genug“ – zu lösen, empfehlen wir dem Kunden, das bisher verwendete gewöhnliche Mikrosilikatpulver durch das halbverdichtete Mikrosilikatpulver UH-94 zu ersetzen, das als zentrales silikatisches Aktivmaterial im UHPC-System dient.
1. Warum sollte man sich für das Mikrosilikatpulver UH-94 entscheiden?
Die Anforderungen des UHPC-Systems an Mikrosilikat beschränken sich nicht nur auf eine „feine“ Körnung, sondern umfassen auch einen hohen SiO₂-Gehalt, geringe Verunreinigungen, stabile Aktivität und eine gute Partikelfüllfähigkeit. Einer unserer hochspezialisierten Kunden aus derselben Branche verwendet genau dieses Produkt: MSILI UH-94. Durch den Einsatz eines stabileren, hochsilikatischen Aktivmaterials wird dem UHPC-System eine besser kontrollierbare Grundlage für die Mikroverfüllung und die Vulkanasche-Reaktion geboten.
2. Warum sollte man sich für die halbverdichtete Variante entscheiden?
Kunden benötigen nicht nur „hohe Aktivität“, sondern auch eine bessere stabile Dispergierfähigkeit des Mikrosilikats im UHPC-System. Öffentliche Forschungsergebnisse zeigen, dass Aggregate aus verdichtetem Silikastaub durch optimierte Mischverfahren wieder dispergiert werden können, wobei die Dispergierleistung von Zusatzmitteln, Mischungsverhältnis und Wasser-Zement-Verhältnis abhängt; unter Bedingungen mit hohem Pulveranteil, niedrigem Wasser-Zement-Verhältnis, hochwirksamen Wasserreduziermitteln und hochscherbeanspruchendem Rühren lassen sich Silikastaub-Aggregate effektiv aufbrechen.
Der Vorteil des Mikrosilikapulvers MSILI UH-94 liegt darin, dass es sich im UHPC-System leichter auflösen lässt als vollständig verdichtetes Mikrosilikapulver und gleichzeitig die Chargenstabilität besser gewährleistet als herkömmliches, lockeres Mikrosilikapulver. Für das aktuelle Problem des Kunden dient die halbverdichtete Form nicht nur der „einfachen Handhabung“, sondern dient vielmehr dazu, ein Gleichgewicht zwischen Aktivität, Dispersion und Stabilität herzustellen.
3. Kernkonzept der Lösung
Bei diesem Lösungsansatz geht es nicht um einen einfachen Austausch von Rohstoffen, sondern um eine systematische Optimierung der Festigkeitsstabilität von UHPC:
- Erstens wird das bisherige, stark schwankende herkömmliche Mikrosilika durch MSILI UH-94 Mikrosilika ersetzt
- zweitens wird der Mikrosilika-Zusatzanteil in einem angemessenen Bereich gehalten, wobei der für UHPC übliche Richtwert von 15–25 % des Zementgewichts als Orientierung dient
- drittens werden die Reihenfolge der Trocken- und Nassmischung optimiert, um die Dispergierleistung des Mikrosilikas im System zu verbessern
- viertens wird die Stabilität der Rezeptur anhand der Fließfähigkeit, der 7-Tage-Festigkeit, der 28-Tage-Festigkeit und der Festigkeitsstreuung beurteilt
- Fünftens: Feinabstimmung des Wasserreduktionsmittels und des Mischverfahrens auf der Grundlage der Testergebnisse, anstatt die Hauptrezeptur wiederholt stark anzupassen.
Rezeptur, Mischfolge und Prüfergebnisse
1. Referenzrezeptur
Der Kunde verwendet derzeit ein System aus Zement, Mikrosilika, Quarzmehl, Quarzsand, Wasser, Polycarbonsäure-Fließmittel und Stahlfasern, wobei eine Festigkeit von mindestens 120 MPa gefordert wird.Die empfohlenen Mischungsverhältnisse lauten: 1 Teil Zement, 0,25 Teile Silikastaub, 0,35 Teile Quarzmehl, 1,10 Teile Quarzsand, 0,25 Teile Wasser, 0,0012 Teile Wasserreduzierer sowie 2 % Vol. Stahlfasern.
| Rohstoffe | Referenzanteile |
|---|---|
| Zement | 1 |
| UH-94 Mikrosilika | 0,25 |
| Quarzmehl | 0,35 |
| Quarzsand | 1,10 |
| Wasser | 0,25 |
| Polycarbonsäure-Fließmittel | 0,0012 |
| Stahlfasern | 2 % Volumenzusatz |
Der Kern dieser Rezeptur besteht nicht lediglich in einer Erhöhung des Silikastaubanteils, sondern in der Optimierung der Korngrößenverteilung zwischen Mikrosilikatpulver, Zement, Quarzmehl und Quarzsand, um die Verdichtung der UHPC-Matrix zu verbessern und das Risiko von Festigkeitsschwankungen zu verringern.
2. Optimierung des Mischverfahrens
Das Herstellungsverfahren für UHPC sieht wie folgt aus: Zunächst werden Silikastaub und Quarzsand 5 Minuten lang bei niedriger Drehzahl trocken gemischt, wobei die Kollisionen zwischen den harten Partikeln dazu beitragen, Aggregate des Silikastaubs aufzubrechen; anschließend werden Zement und Quarzmehl hinzugefügt und weitere 5 Minuten trocken gemischt; schließlich werden Wasser und ein Polycarbonsäure-Fließmittel zugegeben, wodurch sich das System schrittweise von einem aggregierten in einen dispergierten, suspendierten Zustand überführt; die Stahlfasern werden nach der Bildung der Masse hinzugefügt und 2 Minuten lang bei hoher Drehzahl eingemischt.
Der Kunde orientierte sich bei seinen Versuchen an diesem Ansatz und legte den Schwerpunkt auf die beiden Schritte „Aufbrechen der Silikastaub-Aggregate“ und „Bildung einer homogenen Masse“, anstatt blindlings die Menge an Wasserreduktionsmittel zu erhöhen. Auf diese Weise lassen sich Festigkeitsschwankungen aufgrund lokaler Dispersionsmängel verringern.
3. Referenzwerte zur Fließfähigkeit
Den Testprotokollen zufolge betrugen die Fließausdehnungen des UHPFRC 260 mm, 260 mm bzw. 265 mm; alle Ergebnisse entsprechen einem viskosen UHPC mit Selbstverdichtungsfähigkeit und erfüllen die Anforderungen. Nach dem Test mit dem Mikrosilikapulver MSILI UH-94 war der Zustand der Masse gleichmäßiger, und die Fließfähigkeit ließ sich leichter in einem stabilen Bereich halten, was die Grundlage für eine spätere Festigkeitsstabilität bildete.
4. Referenzwerte zur Festigkeit
Unter Trocknungsbedingungen bei Raumtemperatur betrug die Druckfestigkeit nach 7 Tagen 108,07 MPa und nach 28 Tagen 139,21 MPa.
Für den Kunden liegt der Anwendungswert des MSILI UH-94-Mikrosilikats nicht nur im Streben nach einer einmalig erreichbaren Höchstfestigkeit, sondern darin, dass die Rezeptur den angestrebten Festigkeitsbereich stabiler erreicht.
5. Zusammenfassung der Testergebnisse des Kunden
Während der Testmischungen des Kunden zeigte das UHPC-System nach dem Einsatz von MSILI UH-94-Mikrosilika folgende Verbesserungen:
- Erstens verbesserte sich die Homogenität der Masse, und die Dispersion des Pulvers war stabiler
- zweitens verringerten sich die Schwankungen beim Fließverteilungsverhalten, wodurch sich der Zustand der Mischung leichter kontrollieren ließ
- drittens verlief die Festigkeitsentwicklung nach 7 Tagen stabiler, und es gab weniger Chargen mit zu geringer Frühfestigkeit
- viertens verringerte sich die Streuung der Druckfestigkeit nach 28 Tagen, sodass der Zielbereich leichter und stabiler erreicht werden konnte
- fünftens sank die Häufigkeit von Rezepturanpassungen, und der Kunde musste Schwankungen bei den Rohstoffen nicht mehr durch häufige Änderungen des Wasser-Zement-Verhältnisses oder der Dosierung von Zusatzmitteln ausgleichen.
Übergabe an die Produktion und technische Auswertung
1. Lieferumfang
Bei der Lieferung im Rahmen dieses Projekts ging es nicht lediglich um die Bereitstellung von MSILI UH-94-Mikrosilika, sondern um umfassende Empfehlungen zur Auswahl der richtigen Zusammensetzung im Hinblick auf die Festigkeitsstabilität von UHPC, darunter:
- Empfehlungen zu den Qualitätskennwerten des Mikrosilikats
- Empfehlungen zu Referenzdosierungen für UHPC; Empfehlungen zur
- Korngrößenanpassung von Quarzmehl und Quarzsand
- Empfehlungen zur Reihenfolge von Trocken- und Nassmischung; Empfehlungen
- zur Abstimmung von Wasserreduziermitteln
- Empfehlungen zur Überprüfung der 7-Tage- und 28-Tage-Festigkeit; Empfehlungen zur
- Überwachung der Chargenstabilität.
2. Schlussfolgerungen aus der Nachbetrachtung
Die Nachbetrachtung hat gezeigt, dass das eigentliche Problem des Kunden nicht darin bestand, dass „mit der UHPC-Rezeptur keine hohe Festigkeit erzielt werden konnte“, sondern dass „Schwankungen bei den Schlüsselrohstoffen zu einer unzureichenden Festigkeitsstabilität führten“.
Im UHPC-System übernimmt das Mikrosilikatpulver drei Funktionen:
- Erstens füllt es als ultrafeiner Füllstoff die Mikroporen zwischen den Zementpartikeln und dem Quarzmehl
- zweitens beteiligt es sich als aktives silikatisches Material an der Vulkanasche-Reaktion und fördert die Bildung des C-S-H-Gels
- drittens beeinflusst es als Teil des Partikelgrößenverteilungssystems die Rheologie, die Verdichtung und die Grenzflächenstruktur der Masse.
Wenn die Chargenstabilität des Mikrosilikatpulvers unzureichend ist, werden alle drei Funktionen beeinträchtigt. Nach dem Wechsel zu MSILI UH-94 Mikrosilikatpulver erhielt das UHPC-System des Kunden eine stabilere aktive Basis und einen besser kontrollierbaren Dispersionszustand, wodurch das Risiko von Festigkeitsschwankungen verringert wurde.
3. Nutzen des Fallbeispiels
Dieser Fall verdeutlicht, dass UHPC-Kunden bei der Auswahl von Mikrosilika weder allein auf den Preis noch ausschließlich auf den SiO₂-Gehalt achten dürfen. Was die Produktionsstabilität tatsächlich beeinflusst, sind die Gesamteigenschaften des Mikrosilikas, darunter Aktivität, Feinheit, Aggregatzustand, Dispergierbarkeit, Chargenkonsistenz sowie die Kompatibilität mit Zement, Quarzmehl, Quarzsand und dem Wasserreduktionsmittelsystem.
Der Mehrwert des Mikrosilikapulvers MSILI UH-94 liegt darin, dass es den Kunden dabei unterstützt, UHPC von „im Labor erzielbaren hohen Werten“ hin zu einer „stabilen Produktion im Ingenieurwesen“ zu bringen.
Erkenntnisse aus dieser UHPC-Fallstudie
Für UHPC-Kunden ist eine instabile Festigkeit oft nicht auf einen einzelnen Parameter zurückzuführen, sondern das Ergebnis des Zusammenspiels von Rohstoffen, Korngrößenverteilung, Dispersion, Mischvorgang und Nachbehandlung. Dabei hat das Mikrosilikatpulver als zentraler aktiver mineralischer Zusatzstoff im UHPC-System einen entscheidenden Einfluss auf die Festigkeitsstabilität.
In diesem Fall konnte der Kunde durch den Einsatz von MSILI UH-94-Mikrosilika das Problem der Festigkeitsschwankungen beheben, das durch Schwankungen beim ursprünglichen Mikrosilika-Rohstoff verursacht wurde, und so die Homogenität der UHPC-Matrix, die Festigkeitsentwicklung sowie die Chargenstabilität verbessern.
Für Kunden, die UHPC-Brückenbauteile, Abdeckplatten, hochfeste Fertigteile, RPC-Produkte und Materialien für Fertigteilverbindungen herstellen, stellt das Mikrosilikatpulver MSILI UH-94 eine spezielle UHPC-Lösung dar, die hohe Reaktivität, hohe Dispergierbarkeit und hohe Stabilität vereint.
