Gekörntes, granuliertes Hochofenschlacke (GGBFS)
EINFÜHRUNG
Gekörntes, granuliertes Hochofenschlacke (GGBFS) wird seit vielen Jahren als ein zusätzliches zementäquivalentes Material in Portlandzementbeton verwendet, entweder als mineralische Zugabe oder als Bestandteil von Mischzement.
Die Verwendung von GGBFS in Portlandzement unterliegt AASHTO M302.(1) Es werden typischerweise drei Arten von gekörnten, granulierten Schlacken-Zementen hergestellt. Dazu gehören Portlandzement, wie in AASHTO M85(2) beschrieben, Portland-Hochofenschlackenzement (Mischzementtyp IS) und Schlackenzement (Schlackenzementtyp S) gemäß AASHTO M240.(3)
Die Verwendung von GGBFS als teilweiser Ersatz für Portlandzement nutzt die in den Schlackenherstellungsprozess investierte Energie und deren entsprechende Vorteile hinsichtlich der verbesserten zementären Eigenschaften der Schlacke. Das Mahlen von Schlacke für den Zementersatz erfordert nur etwa 25 Prozent der Energie, die zur Herstellung von Portlandzement benötigt wird.
LEISTUNGSNACHWEIS
Es wird berichtet, dass vier staatliche Behörden die Verwendung von GGBFS als zusätzliches zementäquivalentes Material untersuchen (Florida, Maryland, New Hampshire und Oregon).(5) Mindestens 11 Bundesstaaten (Delaware, Florida, Indiana, Maryland, Massachusetts, Michigan, New Hampshire, North Carolina (eingeschränkte Verwendung auf experimenteller Basis), Pennsylvania, South Carolina und Virginia) haben derzeit Spezifikationen, die die Verwendung von GGBFS als teilweisen Ersatz für Portlandzement abdecken. Einige Behörden haben von Haltbarkeitsproblemen (Salzabplatzungsbeständigkeit) mit freiliegendem Beton berichtet, der Hochofenschlacke enthält, wenn der Anteil an Schlackenzement etwa 25 Prozent des gesamten Zements überschreitet.(6)
Die Umweltschutzbehörde (EPA) hat empfohlen, dass ab dem 1. Mai 1995 beschaffende Behörden in allen Bauverträgen spezifisch eine Bestimmung für die Verwendung von GBBFS, falls angemessen, einfügen.(7)
ANFORDERUNGEN AN DIE MATERIALVERARBEITUNG
Entwässerung
Feuchtigkeit in Hochofenschlacke, die im Granulationsprozess oder in pelletierter Schlacke vorkommt, sollte durch Trocknen entfernt werden, bevor GGBFS entweder als Zusatz zu Portlandzement oder als mineralische Zugabe zu Portlandzementbeton verwendet wird.
Mahlen
Die Verarbeitung zur Verwendung als zusätzliches zementäquivalentes Material erfordert das Mahlen der Schlacke, typischerweise unter Verwendung derselben oder ähnlicher Anlagen und Ausrüstungen wie für die Portlandzementproduktion.
INGENIEURTECHNISCHE EIGENSCHAFTEN
Einige der ingenieurtechnischen Eigenschaften von GGBFS, die von besonderem Interesse sind, wenn Hochofenschlacke als zusätzliches zementäquivalentes Material in Portlandzementbeton verwendet wird, umfassen die hydraulische Reaktivität der Schlacke und ihre Feinheit.
Hydraulische Reaktivität: Abhängig vom Abschreckprozess kann die Struktur der pelletierten Hochofenschlacke von kristallin (langsames Abschrecken) bis glasartig (schnelles Abschrecken) reichen. Schnelles Abschrecken ist wichtig, wenn zementäre Eigenschaften erreicht werden sollen. Die chemische Zusammensetzung von GGBFS, die in Portlandzementbeton verwendet wird, muss auch den in AASHTO M302 festgelegten Einschränkungen für Schwefel- und Sulfatgehalte entsprechen.(11)
Feinheit: Granuliertes Hochofenschlacke ist ein glasartiges, granulares Material, und seine Partikelverteilung, Form und Korngröße variieren, abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der Produktionsmethode, von popcornartigen, brüchigen Partikeln bis hin zu dichten, sandkorngroßen Körnern. Pelletierte Hochofenschlacke hat im Gegensatz zu luftgekühlter und expandierter Hochofenschlacke eine relativ glatte Textur und abgerundete Form. Das Mahlen reduziert die Partikelgröße auf eine Zementfeinheit zur Verwendung als hydraulischer Zement, die typischerweise weniger als 3500 cm2/g beträgt.(8)
Einige der Eigenschaften von Betonmischungen, die GGBFS enthalten und von besonderem Interesse sind, wenn es als teilweiser Zementersatz verwendet wird, umfassen die Festigkeitsentwicklung, Verarbeitbarkeit, Hydratationswärme, Widerstand gegen Alkali-Aggregat-Reaktivität, Widerstand gegen Sulfatangriffe und Salzabplatzungen.
Festigkeitsentwicklung: Beton, der GGBFS enthält, entwickelt seine Festigkeit etwas langsamer als Beton, der nur Portlandzement enthält, kann jedoch letztendlich eine vergleichbare Festigkeit erreichen. Dies kann ein Anliegen sein, wenn eine frühe Festigkeitsentwicklung wichtig ist (stufenweise Konstruktion, bei der die erste Struktur Festigkeit entwickeln muss, bevor die zweite Struktur platziert werden kann). Niedrige Temperaturen (kaltes Wetter) haben im Allgemeinen einen nachteiligen Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung bei Beton, der GGBFS enthält, im Vergleich zu Beton, der nur Portlandzement enthält.
Verarbeitbarkeit: Beton, der GGBFS als teilweisen Zementersatz enthält, hat eine länger anhaltende Verarbeitbarkeit und einen geringen Nachfallverlust während der Bauarbeiten bei heißem Wetter.
Hydratationswärme: Beton, der GGBFS enthält, zeigt eine geringere Hydratationswärme als herkömmlicher Portlandzementbeton.
Alkali-Aggregat-Reaktivität: Die Verwendung von GGBFS als teilweiser Ersatz für Portlandzement kann die verfügbaren Alkalien reduzieren und die Reaktion zwischen bestimmten silikatischen Komponenten der Betonzuschläge und den Alkalien im Beton verringern.(9)
Sulfatbeständigkeit: Die Verwendung von GGBFS als teilweiser Zementersatz verleiht dem Beton eine moderate Widerstandsfähigkeit gegen Sulfatangriffe.(10)
Salzabplatzungen: Beton mit hohen Konzentrationen von GGBFS kann anfällig für Salzabplatzungen sein (der Verlust von Oberflächenschichten des Zementmörtels während wiederholter Frost-Tau-Zyklen). Aufgrund dieses Problems begrenzen einige Behörden die Menge an Schlacke in einer Portlandzementbetonmischung auf 25 Prozent des Gesamtzementgewichts.(6)
ENTWURFSGRÜNDE
Mischungsdesign
Die am häufigsten verwendeten Mischungsverhältnisse für die Verwendung von GGBFS in Betonmischungen sind in ACI 226.1R behandelt.(11) Einige Behörden verlangen, dass auch ein Salzabplatzungstest für ausgewählte Betonmischungen, die Deicing-Salzen ausgesetzt sind, durchgeführt wird.(6,12)
Strukturelles Design
Die herkömmlichen AASHTO-Pflasterstrukturdesignmethoden sind für Betonmischungen, die GGBFS enthalten, geeignet.
BAUPROZEDUREN
Materialhandhabung und Lagerung
GGBFS (oder Zement, der GGBFS enthält) wird wie herkömmlicher Portlandzement gehandhabt und gelagert.
Mischen, Einbringen und Verdichten
Die gleiche Ausrüstung und Verfahren, die für herkömmlichen Portlandzementbeton verwendet werden, können verwendet werden, um Beton, der GGBFS enthält, zu dosieren, zu mischen, zu transportieren, einzubringen und zu verarbeiten.
Aushärtung
Die langsamere Festigkeitsentwicklung von Beton, der GGBFS enthält, kann erfordern, dass die Feuchtigkeit im Beton länger als normalerweise für konventionellen Beton erforderlich gehalten wird. Die Planung des Straßenbaus sollte ausreichend Zeit für den festgelegten Festigkeitszuwachs vor der Belastung durch den Verkehr, dem Beginn von Frost-Tau-Zyklen und der Anwendung von Enteisungssalzen einräumen.
Qualitätskontrolle
Die gleichen Qualitätskontrollverfahren, die für konventionellen Portlandzementbeton verwendet werden, können auch für Beton, der GGBFS enthält, angewendet werden.
