Vergleich des simulierten und gemessenen Massenverlusts bis 700 °C für CEM I, CEM III/A und CEM II/B-Q bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/min.
Quelle: BAM
Zur Reduzierung des CO₂-Fußabdruck der Betonindustrie kommen zunehmend klinkereffiziente Zemente in der Praxis zum Einsatz. Mit ihrer verstärkten Verwendung steigt jedoch auch das Risiko, dass ein Bauwerk mit derartigen Zementen einem Brand ausgesetzt wird. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Betone mit klinkereffizienten Zementen unter Brandbeanspruchung zu verstärktem Abplatzen neigen. Die damit einhergehende Reduktion des Querschnitts führt letztlich zu einer Abnahme der Tragfähigkeit des betroffenen Bauteils. Bei diesem Abplatzprozess spielen thermohydraulische Mechanismen eine entscheidende Rolle, da angenommen wird, dass die Rissbildung infolge steigender Porendrücke zur schlagartigen Vaporisation des überhitzten Wassers führt, wodurch Betonfragmente aus dem Bauteil explosionsartig herausbrechen.
Zur zuverlässigen Modellierung des Hochtemperaturverhaltens dieser CO2-reduzierter Betone, wurden ausgehend von einem Hydrationsmodell, die Dehydratationsprozesse im Zementstein numerisch beschrieben und mit experimentell bestimmten Daten validiert, um die Wasserabgabe und Porositätsentwicklung zu erfassen. Basierend auf den Eigenschaften von Beton und Zementbestandteilen auf verschiedenen Skalen wurde anschließend ein analytisches Homogenisierungsverfahren herangezogen, um die Wärmeleitfähigkeit von Beton zu prognostizieren. Nach erfolgreicher Validierung wurde dieses Verfahren in ein makroskopisches Modellierungsframework zur Durchführung von Simulationen auf Bauteilebene integriert.
Die chemo-thermo-hygro-mechanischen Analysen zeigen, dass der Porendruck in CO2-reduzierten Betonen aufgrund des geänderten Dehydratationsverhaltens um bis zu 13 % höhere Werte im Vergleich zu Beton mit herkömmlichem Portlandzement erreichen kann. Darüber hinaus führt der Einsatz von Gesteinskörnungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu einer weiteren Erhöhung des Porendrucks im brandbeanspruchten Beton um bis zu 35 %.
Der vorgeschlagene Mehrskalenansatz legt die Basis, um die Materialparameter für chemo-thermo-hygro-mechanische Modellierung zementgebundener Materialien erheblich zu verringern und dadurch kostenintensive experimentelle Untersuchungen zu reduzieren.Der Beitrag entstand im Rahmen eines aktuell laufenden DFG-Verbundprojekts zwischen der Ruhr-Universität Bochum und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, in dem die relevanten thermohydraulischen Prozesse anhand von numerischen Modellen abgebildet werden, wobei die Validierung anhand experimenteller Analysen erfolgte.
Concretes containing blended-cements with reduced carbon-dioxide emissions: A chemo-thermo-hygro-mechanical model for elevated temperatures
Simon Peters, Tim Pittrich, Ludwig Stelzner, Frank Weise, Günther Meschke
Cement and Concrete Composites, 2025