Nanotechnologisch hergestellter Beton für verbesserte Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit

Zusammenfassung der Ergebnisse

Alle Versuche belegen die positiven Auswirkungen des Zusatzmittels auf die Gesamtleistung des Betons. Dieses Zusatzmittel kann sowohl für Naturbeton als auch für Recyclingbeton verwendet werden.

Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• • Verbesserung der Betondruckfestigkeit – Festigkeit nach 28 Tagen bis zu 20% im Vergleich zu Placebo
  • Eine frühzeitige Steigerung der Festigkeit verkürzt die Zeit bis zum Rückzug von etwa 20%.
  • Die dadurch zu reduzierende Zementmenge trägt wesentlich zur Kostensenkung bei.
  • Durch die Wechselwirkung und die überlegene Verdichtung entstehen keine optoelektronisch detektierbaren Poren mehr im Baumaterial, was zu einer geringeren Hygroskopizität sowie einer höheren und verbesserten Haltbarkeit führt.
  • Durch die überlegene Verdichtung entstehen weniger Mikrorisse, und die Rissausbreitung wird eingeschränkt.
  • Verbesserte Haltbarkeit durch kompakte Matrix zum Schutz vor zerstörerischen Einflüssen
  • Durch die Verkleinerung konnten keine Auswirkungen festgestellt werden.
  • Die relativ glatte Oberfläche ermöglicht insbesondere die Herstellung von Sichtbeton.
  • Stark reduzierte Ausblühungen von Kalk
  • Hocheffektive Selbstkompression

Zusammenfassend bestätige ich, dass die neue Zusatzmischung…hochwirksam ist, um eine kompaktere Matrix, eine überlegene und schnellere Verstärkung/Verdichtung sowie eine verbesserte Enddruckfestigkeit zu erzielen und somit eine verlängerte Haltbarkeit des Endprodukts zu gewährleisten.

Bestimmung der Festigkeit von Betonplatten mit dem Zusatzmittel NTS (auch bekannt als Renolith) – Prüfbericht Nr. 875-11-006, 2011

An der Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Baustatik, wurde die Festigkeit von unbewehrten und bewehrten Betonplatten ermittelt. Ziel war es, die festigkeitssteigernde Wirkung des Polymerzusatzes NTS® (NanoterraSoil) [auch bekannt als Renolith] zu untersuchen.

Insgesamt wurden fünf verschiedene Mischungen untersucht. Es wurden 24 Betonplatten-Prüfkörper mit den Abmessungen ca. 500 x 500 x 80 mm hergestellt. Für alle Prüfkörper wurde Normalbeton verwendet.

Die Proben wurden in einer Dreipunkt-Biegekonfiguration mit kurzer Spannweite geprüft, wie in den Abbildungen des Finite-Elemente-Modells unten dargestellt. Die roten Bereiche repräsentieren Druckspannungen, die grünen Bereiche Zugspannungen. Das Modell sagte voraus, dass sich mit zunehmender Belastung der Krafteinleitungsplatte im unteren Bereich ein Druckbogen bildet, der durch eine Zugstrebe im Gleichgewicht gehalten wird. Kann der Beton aufgrund seiner relativ geringen Zugfestigkeit diese Zugspannungen nicht mehr aufnehmen, kommt es zu Rissbildung und die Spannungen verteilen sich neu, bis es zum vollständigen Versagen kommt.

Zahlreiche Veröffentlichungen haben die potenziellen Anwendungen von Nanomaterialien in Beton untersucht. Einige Beispiele werden im Folgenden aufgeführt.

Sobolev et al 2012 überprüften die positiven Auswirkungen der Nanotechnologie auf die Verbesserung der Betoneigenschaften:

Beton kann durch die Einbindung nanoskaliger Bausteine oder Objekte (z. B. Nanopartikel und Nanoröhren) gezielt modifiziert werden, um sein Verhalten zu steuern und neue Eigenschaften zu erzielen. Alternativ können Moleküle auf Zementpartikel, Zementphasen, Zuschlagstoffe und Additive (einschließlich nanoskaliger Additive) aufgepfropft werden, um Oberflächenfunktionalitäten zu schaffen, die zur Förderung spezifischer Grenzflächenwechselwirkungen angepasst werden können. Nanopartikel sind die elementaren Bausteine der Nanotechnologie und bestehen aus bis zu Tausenden von Atomen, die zu Clustern von 1–100 nm Größe zusammengefasst sind. Die Verkleinerung der Partikelgröße führt zu einem außergewöhnlich hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und verändert die Oberflächenenergie, die Oberflächenchemie und die Oberflächenmorphologie, wodurch sich die grundlegenden Eigenschaften und die Reaktivität des Partikels verändern. Nanopartikel verbessern nachweislich die mechanischen Eigenschaften verschiedenster Materialien, darunter Metalle, Polymere, Keramik und Betonverbundwerkstoffe. Nanosilica (Siliciumdioxid-Nanopartikel, Nano-SiO₂) beispielsweise verbessert die Verarbeitbarkeit und Festigkeit von Hochleistungs- und selbstverdichtendem Beton.

Hosseini et al 2009 Die Verwendung von Nano-SiO₂ zur Verbesserung der Mikrostruktur und Druckfestigkeit von Recyclingbeton wurde untersucht. Die Festigkeit von Proben aus grobem Recyclingbeton war geringer als die von Kontrollmischungen. Hauptgrund für die Festigkeitsminderung von Beton mit Recyclingbeton ist anhaftender Altmörtel, da dessen Festigkeit deutlich geringer ist als die von Naturbeton. Die Testergebnisse bestätigten eindeutig, dass die Zugabe von Nanosilica-Partikeln zur Betonmatrix die Gesamtfestigkeit signifikant erhöht. Diese Beobachtung steht in direktem Zusammenhang mit dem superpuzzolanischen Verhalten der Nanopartikel.

Said et al 2012 untersuchte den Einfluss von kolloidalem Nanosilica auf Beton mit einfachen (normaler Zement) und binären (normaler Zement + Flugasche der Klasse F) Bindemitteln:

Bei Mischungen mit Nano-Siliciumdioxid wurden deutliche Verbesserungen hinsichtlich Reaktivität, Festigkeitsentwicklung, Verfeinerung der Porenstruktur und Verdichtung der Grenzflächenübergangszone beobachtet. Diese Verbesserung ist hauptsächlich auf die große Oberfläche der Nano-Siliciumdioxid-Partikel zurückzuführen, die puzzolanische und Füllstoffwirkungen auf die Zementmatrix ausübt. Mikrostrukturelle und thermische Analysen zeigten, dass der Beitrag der puzzolanischen und Füllstoffwirkungen zur Porenstrukturverfeinerung von der Dosierung des Nano-Siliciumdioxids abhängt.

Mukharjee et al 2014 Es wurde eine experimentelle Untersuchung zum Einfluss von kolloidalem Nanosilica auf das Verhalten von Beton mit recyceltem Grobzuschlagstoff (100%) durchgeführt. Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und zerstörungsfreie Prüfparameter wurden verbessert. Die Studie zeigte außerdem, dass die Eigenschaften von Recyclingbeton mit einem geringen Zusatz von Nanosilica denen von Beton mit natürlichem Zuschlagstoff ähneln.