Weißer Ultra-Hochfester Beton Entwicklung und Optimierung einer

Weißer Ultra-Hochfester Beton
Entwicklung und Optimierung
einer Feinkornmischung für
den Einsatz in der modernen
Hochbau-Architektur
An der Fachhochschule Dortmund im
Fachbereich Architektur erstellte Diplomarbeit
Daniel Horn, geboren am 14.05.1984
Betreuer: Prof. Armin D. Rogall
Dortmund, den 17.09.2009
Fachhochschule Dortmund
University of Applied Sciences and Arts
Fachbereich Architektur
Wilhelm Dyckerhoff Institut
für Baustoffprüfungen
in Wiesbaden
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Vorwort/Danksagung
Diese
Diplomarbeit
entstand
in
freundlicher
Zusammenarbeit
mit
der
Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Architektur und dem Wilhelm Dyckerhoff
Institut für Baustofftechnologie in Wiesbaden. Meine Diplomarbeit zu diesem
komplexen Forschungsgebiet der Betontechnologie an einem so innovativen und
technisch gut ausgestatteten Institut schreiben zu dürfen, war für mich als Student
der Fachhochschule Dortmund eine große Herausforderung.
Herrn Prof. Armin D. Rogall danke ich für die Anregungen bei der Ausarbeitung
dieses anspruchsvollen und interessanten Themas und die Unterstützung
während meiner Arbeit. Ebenso bedanke ich mich bei meinem Betreuer im WDI,
Herrn Dr. C. Geisenhanslüke für seine sachkundige Unterstützung und stete
Diskussionsbereitschaft sowie sein reges Interesse an diesem Thema. Den
Mitarbeitern des gesamten Wilhelm Dyckerhoff Instituts und der Fachhochschule
Dortmund möchte ich wegen ihrer tatkräftigen Hilfe während meiner praktischen
Tätigkeiten ebenfalls meinen Dank aussprechen.
Abschließend möchte ich meiner Familie, die mir das Studium an der
Fachhochschule in Dortmund ermöglicht hat, sowie meiner Lebensgefährtin und
meinem
Freundeskreis
für
die
moralische
entgegengebrachte Verständnis danken.
- II -
Unterstützung
und
das
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Kurzfassung
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Weiterntwicklung und Umsetzung von
Ultra-Hochfesten Betonen in der Architektur und trägt den Titel: „Weißer UltraHochfester Beton - Entwicklung und Optimierung einer Feinkornmischung für den
Einsatz in der modernen Hochbau-Architektur“. In freundlicher Zusammenarbeit
mit dem Fachbereich Architektur der Fachhochschule Dortmund und dem Wilhelm
Dyckerhoff Institut in Wiesbaden entstand so eine duale Forschungsarbeit die zum
einen die Entwicklung eines Ultra-Hochfesten Betons mit Weißzement als
Bindemittel und zum anderen die Erarbeitung von Einsatzmöglichkeiten und
Umsetzung die Erkenntnisse in einem exemplarischen Bauteils zum Ziel hatte.
Teil A beinhaltet die Grundlagen der Betontechnologie mit Definitionen und
Beschreibungen der Begrifflichkeiten und Komponenten, die Erarbeitung und
Festlegungen der Ausgangsstoffe sowie eine detaillierte Beschreibung der
Versuchsdurchführungen und Ergebnisse.
In Teil B wird die Möglichkeit eines Praxiseinsatzes von weißem UHPC in der
modernen Hochbau-Architektur auf Grundlage bereits bestehender Aspekte
untersucht. Ziel dieses Abschnittes ist die Herstellung eines übergeordneten
Zusammenhangs zwischen Baustofftechnologie und Architektur sowie die
Verdeutlichung der Werthaltigkeit dieser Weiterentwicklung für die Bautechnik.
Abschließend erfolgt die exemplarische Umsetzung und Modifizierung eines
Fassaden- und Tragelementes in Betonfertigteilbauweise.
- III -
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Inhaltsverzeichnis
VORWORT/DANKSAGUNG .................................................................................. II
KURZFASSUNG ................................................................................................... III
0 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG DER ARBEIT........................................................... 7
A
BETONTECHNOLOGIE .................................................................................. 8
1 GRUNDLAGEN DER BETONTECHNOLOGIE ............................................................... 8
1.1 BETON/UHPC................................................................................................... 8
NORMALBETON ......................................................................................................... 9
ULTRA-HOCHFESTER BETON (UHPC) ...................................................................... 11
GESCHICHTE DES BETONS ....................................................................................... 14
DIE ENTWICKLUNG ULTRA-HOCHFESTER SPEZIALBETONE .......................................... 15
1.1.1 BETONEIGENSCHAFTEN ................................................................................. 17
KONSISTENZ ....................................................................................................................................17
WASSERZEMENTWERT ............................................................................................. 17
FRISCHBETONTEMPERATUR...................................................................................... 19
FESTIGKEIT ............................................................................................................. 20
SCHWINDEN ............................................................................................................ 21
1.2 AUSGANGSSTOFFE .......................................................................................... 23
1.2.1 ZEMENT........................................................................................................ 23
1.2.2 GESTEINSKÖRNUNG ...................................................................................... 25
1.2.3 ZUSATZMITTEL .............................................................................................. 26
FLIEßMITTEL............................................................................................................ 27
1.2.4 ZUSATZSTOFFE ............................................................................................. 28
FASERN .................................................................................................................. 28
GESTEINSMEHL ....................................................................................................... 30
2 LABORVERSUCHE MIT UHPC.............................................................................. 31
2.1 VERSUCHSPLANUNG/VERSUCHSPROGRAMM ...................................................... 31
2.2 EINGESETZTE AUSGANGSSTOFFE ..................................................................... 32
2.2.1 ZEMENT........................................................................................................ 33
- IV -
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
2.2.2 GESTEINKÖRNUNG ........................................................................................ 36
2.2.3 FLIEßMITTEL ................................................................................................. 38
2.2.4 FASERN........................................................................................................ 39
2.2.5 GESTEINSMEHL ............................................................................................. 45
2.3 BETON- UND MÖRTELPRÜFUNGEN .................................................................... 47
BETONZUSAMMENSETZUNG ...................................................................................... 47
ANMISCHEN VON FRISCHBETON ................................................................................ 50
HERSTELLUNG UND LAGERUNG VON PROBEKÖRPERN ................................................ 52
2.3.1 KONSISTENZ ................................................................................................. 54
2.3.2 MÖRTEL-/BETONTEMPERATUR ....................................................................... 56
2.3.3 PRISMEN-/WÜRFELDRUCKFESTIGKEIT ............................................................ 57
2.3.4 BIEGEZUGFESTIGKEIT .................................................................................... 59
2.3.5 SCHWINDMAß................................................................................................ 61
3 AUSWERTUNG/ERGEBNISSE ............................................................................... 64
ZUSAMMENSETZUNG ................................................................................................ 64
ZEMENT .................................................................................................................. 65
GESTEINSKÖRNUNG ................................................................................................ 65
ZUSATZSTOFFE ....................................................................................................... 66
FASERN .................................................................................................................. 66
GESTEINSMEHL ....................................................................................................... 68
ZUSATZMITTEL ........................................................................................................ 69
FLIEßMITTEL............................................................................................................ 69
AUSWERTUNG BETONEIGENSCHAFTEN ...................................................................... 69
FRISCHBETONTEMPERATUR...................................................................................... 71
KONSISTENZ ........................................................................................................... 72
DRUCKFESTIGKEIT ................................................................................................... 73
BIEGEZUGFESTIGKEIT .............................................................................................. 76
SCHWINDMAß .......................................................................................................... 78
4 ZUSAMMENFASSUNG BETONTECHNOLOGIE .......................................................... 81
B
ENTWICKLUNGEN VON WEIßEM ULTRA-HOCHFESTEM BETON IN DER
ARCHITEKTUR ............................................................................................. 84
5 ANWENDUNGSBEISPIELE FÜR WEIßEN UHPC IN DER MODERNEN HOCHBAUARCHITEKTUR .................................................................................................... 85
ARCHITEKTURBETON ............................................................................................... 85
AKTUELLER STAND UND AUSBLICK DER ANWENDUNGSENTWICKLUNG VON UHPC ........ 85
5.1 TRAGENDE AUßENWÄNDE ................................................................................ 87
-V-
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
5.2 BODEN UND DECKE ......................................................................................... 91
5.3 ARCHITEKTURFASSADEN UND BETONOBERFLÄCHEN .......................................... 93
5.4 TREPPEN ........................................................................................................ 98
5.5 INNENWÄNDE UND RAUMMÖBEL ..................................................................... 100
5.6 WIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE.......................................................................... 101
5.7 ORNAMENT, MÖBEL UND SKULPTUR ............................................................... 105
5.8 BETONFERTIGTEILE ....................................................................................... 107
6 ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG EINER FASSADEN-/TRAGKONSTRUKTION AUS
UHPC ............................................................................................................ 109
6.1 BETONBAU.................................................................................................... 110
6.2 DÄMMSTOFFTECHNIK ..................................................................................... 112
6.3 BEFESTIGUNGSTECHNIK ................................................................................. 115
6.4 UMSETZUNG UND VISUALISIERUNG ................................................................. 118
7 ZUSAMMENFASSUNG/RESÜMEE TEIL B.............................................................. 124
8 VERZEICHNISSE ............................................................................................... 126
QUELLENVERZEICHNIS ........................................................................................... 126
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ..................................................................................... 129
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ...................................................................................... 129
TABELLENVERZEICHNIS .......................................................................................... 132
NORMENVERZEICHNIS ............................................................................................ 132
- VI -
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
0
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Einleitung und Zielsetzung der Arbeit
Die vorliegende Diplomarbeit bildet den Abschluss meiner Ausbildung zum Dipl.Ing. (FH) im Diplomstudiengang Architektur der Fachhochschule Dortmund. Die
Erkenntnisse und die gewonnenen Erfahrungswerte der vorliegenden Arbeit mit
dem Thema „Weißer Ultra-Hochfester Beton – Entwicklung und Optimierung einer
Feinkornmischung für den Einsatz in der modernen Hochbau-Architektur“ sollen
dazu beitragen, dass einer der wichtigsten modernen Baustoffe, der Beton, trotz
seiner jahrtausende alten Geschichte einen weiteren Entwicklungsschritt erfährt.
Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Verbesserung der Frisch- und
Festbetoneigenschaften, die wie in Teil A beschrieben durch die Erarbeitung
theoretischer Grundlagen und anschließender Umsetzung und Auswertung in
verschiedenen Versuchreihen mit weißem Ultra-Hochfestem Beton (UHPC)
analysiert wurden. Im anschließenden Teil B folgte die Beschreibung und
Eröffnung
neuer
und
bereits
bestehender
Anwendungsgebiete
und
Einsatzmöglichkeiten in der Architektur sowie die exemplarische Entwicklung
eines modifizierten Betonbauteils unter Verwendung der im betontechnologischen
Teil
erarbeiteten
Materialien.
Diese
duale
Betrachtungsweise
moderner
Hochleistungsbetone sowohl aus Sicht der Entwickler, die in den letzten
Jahrzehnten ernorme Forschritte im Bereich der Betontechnologie und der
Entwicklung von neuartigen Verbundwerkstoffen verbuchen können, als auch der
Architekten und Planer, deren Kreativität und Anforderungen stetig wachsen,
bietet ein enormes Potenzial bei zukünftigen Projekten und Entwicklungen.
-7-
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
A
Betontechnologie
1
Grundlagen der Betontechnologie
In
diesem
Kapitel
grundlegenden
erfolgt
Definitionen,
die
die
Einführung
in
die
Betontechnologie
Begriffsbestimmungen
der
mit
wichtigsten
Betoneigenschaften sowie eine detaillierte Übersicht über die Inhaltsstoffe
moderner Betone. Vervollständigt werden diese Informationen mit einem kurzen
Exkurs zur Geschichte und Entwicklung von Beton bzw. UHPC.
-8-
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
B
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Entwicklungen von weißem Ultra-Hochfestem Beton in der
Architektur
In Abschnitt B dieser Ausarbeitung folgt nun nach kurzer Einleitung ein Überblick
über
bereits
bestehende
bzw.
vorstellbare
Anwendungsgebiete
und
Einsatzmöglichkeiten für Ultra-Hochfesten Beton mit besonderem Augenmerk auf
die in Teil A entwickelte und modifizierte UHPC-Feinkornmischung mit
Weißzement. Zur Unterstützung dieser Ausführungen werden in den jeweiligen
Kapiteln bereits umgesetzte bzw. zukunftsorientierte Referenzobjekte visualisiert.
Abschließend
erfolgt
die
exemplarische
Umsetzung
einer
modifizierten
Fassadenkonstruktion in Sandwichbauweise als Betonfertigteil mit entsprechender
Darstellung und kurzer Erläuterung der optimierten Einheiten. Die Ausführungen in
diesem Abschnitt erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, sondern sollen
vielmehr den architektonischen Bezug im Bereich Hochbau herstellen und
lediglich einen Überblick über die Vielseitigkeit von weißem Ultra-Hochfestem
Beton liefern.
- 84 -
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
5
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Anwendungsbeispiele für weißen UHPC in der modernen HochbauArchitektur
Architekturbeton
Der Begriff „Architekturbeton“ beinhaltet die Ausführungen, die eine besondere
Oberfläche, Form und Farbe in Kombination mit speziellen Materialeigenschaften
und Funktionen zum Ziel haben. Die so gewünschte Qualität einer Entwurfsidee
und Umsetzung einer Konstruktion kann nur durch möglichst wenig Zwänge und
möglichst optimierte Lösungen gewährleistet werden. In diesem Bereich setzt
Ultra-Hochfester Beton wie bereits verdeutlicht eine Weiterentwicklung der
Normalfesten und Hochfesten Betone, doch leider befindet sich die Entwicklung
und vor allem die Umsetzung in der Architektur noch weitestgehend im
Forschungsstadium. [26]
Aktueller Stand und Ausblick der Anwendungsentwicklung von UHPC
UHPC wird momentan hauptsächlich für rein konstruktive Anwendungen
verwendet. So wurden im Ausland in den letzten zwei Jahrzehnten einige
großtechnische Projekte im Bereich von Brückenbauwerken umgesetzt. Für ein in
Deutschland realisiertes Projekt ist die Gärtnerplatzbrücke in Kassel zu nennen.
Durch ständige Forschung und Weiterentwicklung des Baustoffes entstand dabei
ein marktfähiges Produkt mit Druckfestigkeiten von 180 bis 230 N/mm² und
Biegezugfestigkeiten von 30 bis 50 N/mm². Weitere Anwendung in der Praxis
finden Ultra-Hochfeste Betone bei Hochhäusern, in der Fertigteilindustrie, bei
Offshore-Anlagen und Windrädern, sowie als idealer Baustoff für Rohrleitungen,
Beschichtungen oder sonstige umweltschutzrelevanten Bauwerke.
Jedoch gehen die Entwicklungen von UHPC trotz seiner unbeschränkten
konstruktiven Fähigkeiten auch in Richtung des experimentellen Umgangs mit
dem Baustoff. Das Spektrum reicht sicherlich von hybriden Möbel- und
Designobjekten bis zur Optimierung der Serienfertigung im Betobfertigteilbau.
Dann aufgrund seiner thermischen Speicherkapazität und seiner langen
- 85 -
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Lebensdauer ist Beton ein energieeffizienter und nachhaltiger Baustoff und nimmt
eine herausragende Stellung in der Bauwirtschaft ein. So ergeben sich weitere
spannende Einsatzgebiete wie Sichtbetonoberflächen und modifizierte Treppenund Tragkonstruktionen sowie mögliche Anwendungen als Vergussmörtel,
Verbundbauteil oder für Krafteinleitungsbereiche.
Entwurfskonzept
Aufgrund der komplexen Betrachtungsweise des Baustoffes Beton und der
unzähligen Anwendungsformen beschränkt sich die nachfolgende Analyse auf
Anwendungsgebiete im konventionellen Hochbau. Zur Unterstützung dieser
Thesen wurden Piktogramme entwickelt. Diese verdeutlichen außerdem die
universelle
Einsetzbarkeit
von
UHPC
ohne
sich
auf
eine
Gebäudetypologie oder Nutzung festzulegen (Abb. 5-1).
Abb. 5- 1: Exemplarisches Piktogramm Anwendungsgebiet
- 86 -
bestimmte
Entwicklung von weißem UHPC
und Anwendung in der Architektur
6
Diplomarbeit von
Daniel Horn
Entwicklung und Optimierung einer Fassaden-/Tragkonstruktion aus UHPC
Im folgenden 6. Kapitel werden nun die beschrieben Anwendungen und
Eigenschaften exemplarisch an der Modifizierung und Konstruktion einer
Sandwichfassadentafel
in
Betonfertigeilbauweise
vertief
und
entsprechend
visualisiert.
Durch die Entwicklung innovativer Produktionstechniken und die Verwendung
hochwertiger Betone kann schon heute die Herstellung von Betonfertigteilen in
höchster
Qualität
ermöglicht
werden.
Insbesondere
durch
neue
Oberflächenbehandlungen sowie Struktur- und Farbgebungen lassen sich
architektonisch anspruchsvolle Fassaden mit Fertigteilen wirtschaftlich planen und
ausführen. Aus diesen Gründen ist davon auszugehen, dass die Betonfertigteile
im allgemeinen Sinne auch in Zukunft nicht an Bedeutung verlieren werden.
Allerdings werden die Ansprüche und Anforderungen an moderne Bauwerke in
allen Bereichen eines Bauteils immer komplexer. Hierfür sind Verbesserungen der
Gesamtstruktur vor allem im Bereich des Tragwerks, der bauphysikalischen
Eigenschaften, der Befestigungstechnik und der Gesamtwirtschaftlichkeit nötig. So
ist z. B. unter dem Aspekt der Energieeffizients und Energieerzeugung
festzustellen, dass die Kosten für Energie aus etablierten Ressourcen weiter
steigen werden und somit ein wirtschaftlicher Umgang mit den zur Verfügung
stehenden Materialien und Techniken unumgänglich und erstrebenswert ist.
Die Kombination all dieser Aspekte lassen sich sehr gut an der Sandwichfassade
verdeutlichen.
Einsatzgebiete
solcher
Betonfertigteile
reichen
von
Einfamilienhäusern bis hin zum komplexen Verwaltungs- oder Industriebauwerk
und vereinen trotzdem komplexe Anforderungen an Brandschutz, Schall- und
Feuchteschutz, Korrosionsschutz sowie die Standsicherheit. Durch den Einsatz
verschiedener neuer Technologien speziell im Bereich der Betontechnologie und
der Wärmedämmung lassen sich auf diese Weise noch schlankere Wände
konstruieren. Das monolithische Betonbauteil, insbesondere im Vergleich zum
Mauerwerk oder den herkömmlichen Bauweisen, weist eine bemerkenswerte
Verbesserung auf.
- 109 -
Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
6.4 Umsetzung und Visualisierung
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich)
Perspektivische Darstellung
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Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich)
Anischt / Draufsicht / Schnitt | M 1:15
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Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (herkömmlich)
Modellfotos
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Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert)
Perspektivische Darstellung
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Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert)
Anischt / Draufsicht / Schnitt | M 1:15
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Entwicklung von weißem UHPC und Anwendung in der Architektur
Diplomarbeit von Daniel Horn
Sandwichelement in Betonfertigteilbauweise (modifiziert)
Modellfotos
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