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Der Wirkungsmechanismus von Steinkohlenflugasche als Betonzusatzstoff
Hüttl, Roland
Das Ziel dieser Arbeit war es, den seit langem strittigen Wirkungsmechanismus von Flugasche eindeutig zu klären, der Hauptursache für die Umwandlung von Ca(OH)2 in CSH-Phasen ist. Es sollte eindeutig nachgewiesen werden, ob Flugasche tatsächlich chemisch (puzzolanisch) oder hauptsächlich physikalisch als Kristallisationskeim wirkt. Weiterhin sollte der (zeitliche) Ablauf der Vorgänge ermittelt werden sowie der Einfluß der reaktionsbestimmenden Parameter. Untersucht werden sollte dabei auch, welchen Einfluß Mikrosilika auf den Wirkungsmechanismus der Flugasche besitzt. Dazu wurde eine künstliche Flugasche hergestellt, deren Siliziumanteil zu 96 M.-% aus dem Silizium-Isotop 29Si bestand (29Si-Anteil natürlichen Siliziums: 4,7 M.-%). Splitter dieser 29Si-Flugasche wurden in verschiedene Bindemittelleime eingebettet. Nach drei Monaten Reaktionszeit wurde der 29Si-Anteil der Matrix um die künstliche 29Si-Flugasche sowie der Reaktionsprodukte direkt an der Kontaktfläche 29Si-Flugasche / Matrix mit Hilfe der Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) bestimmt. Gleichzeitig wurden die "äußeren Bedingungen" nachgewiesen, unter denen der Reaktionsmechanismus ablief. Dazu wurden die Parameter untersucht, die den Reaktionsmechanismus der Flugasche bestimmen bzw. durch den Alkaligehalt des Zementes und den Einsatz von Mikrosilika verändert werden: Die Zusammensetzung und der pH-Wert der Porenlösung, die Löslichkeit der Flugasche in Abhängigkeit vom pH-Wert sowie der Ca(OH)2-Gehalt, das chemisch gebundene Wasser, das Porengefüge und die Mikrostruktur der Bindemittelmatrix. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß die Umsetzung von Ca(OH)2 in CSH-Phasen durch die Flugasche sowohl eine Folge der puzzolanischen Reaktion als auch der Wirkung der Flugasche als Kristallisationskeim ist. Die (Alkali-induzierte) puzzolanische Reaktion als Wirkungsmechanismus der Flugasche konnte eindeutig bewiesen werden. Mit 10 M.-% Mikrosilika reagiert Flugasche nahezu nicht mehr puzzolanisch. Es zeigte sich, daß der dünne Saum aus Reaktionsprodukten (der Duplex-Film), direkt an der Kontaktfläche 29Si-Flugasche / Matrix, aus Calcium-Silikat-Hydrat besteht und zu einem hohen Anteil (65 bis 35 M.-%) aus der puzzolanischen Reaktion der Flugasche stammt und nicht wie bisher angenommen hauptsächlich aus der Zementhydratation. Da sich der Duplex-Film nach 10 bis 18 Stunden bildet, muß Flugasche schon zu diesem Zeitpunkt puzzolanisch reagieren und damit wesentlich früher als bisher angenommen. Für den zeitlichen Ablauf des Wirkungsmechanismus von Flugasche wurde ein Modell entwickelt.
The objective of this paper was to explicitly clarify the long-disputed action mechanism of fly ash, which is the main cause of the transition of Ca(OH)2 into CSH phases. The aim was to clearly demonstrate whether the action of the fly ash is actually chemical (pozzolanic) or mainly physical as crystal nucleus. It was also intended to establish the time course of the reactions as well as the influence of the parameters determining the reactions. Another aim was to examine the influence of microsilica on the action mechanism of fly ash. For this purpose an artificial fly ash with a silicon content of which 96 wt.-% consisted of the silicon isotope 29Si was manufactured (29Si content of natural silicon: 4.7 wt.-%). Fragments of this 29Si fly ash were then embedded in various cement pastes. After a reaction time of 3 months the 29Si content of the matrix around the artificial 29Si fly ash and of the reaction products directly at the contact interface between the 29Si fly ash and matrix were determined by means of Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). At the same time the "external conditions" in which the reaction mechanism occurred were established. To this end the parameters determining the reaction mechanism of the fly ash or which are changed by the alkali content of the cement and the use of microsilica were examined: the composition and pH of the pore solution, the solubility of the fly ash as a function of the pH value and the Ca (OH)2 content, the chemically combined water, the pore structure and the microstructure of the binder matrix. The results of this paper show that the transformation of Ca(OH)2 into CSH phases through the fly ash is due both to the pozzolanic reaction and to the action of the fly ash as crystal nucleus. The (alkali-induced) pozzolanic reaction as an action mechanism of the fly ash was explicitly proven. With 10 wt.-% microsilica the fly ash exhibits practically no more pozzolanic reaction. It was shown that the thin film of reaction products (the duplex film), directly at the contact interface between the 29Si fly ash and the matrix, consists of calcium silicate hydrate and stems to a large part (65 to 35 wt.-%) from the pozzolanic reaction of the fly ash and not as previously assumed mainly from cement hydration. Since the duplex film is formed after 10 to 18 hours, the fly ash must react in a pozzolanic way at this point in time already, in other words much earlier than previously assumed. A model was developed to illustrate the time course of the action mechanism of fly ash.
