Ein Überblick über die Anwendung von UHFB in Kolumbien
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BETONTECHNOLOGIE
Teil 1: Forschung und Entwicklung
Ein Überblick über die Anwendung
von UHFB in Kolumbien
왎 Joaquín Abellán García, Colombian School of Engineering Julio Garavito, Bogotá, Kolumbien
Ein neues Produkt in einen etablierten Markt einzuführen, speziellen Mischzusammensetzung und dem Mischverfahren
ist immer eine Herausforderung, auch für Produkte wie ergeben [2-11]. Die hohe Dauerhaftigkeit ist ein weiteres Er-
Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB), die bereits in an- gebnis der geringen Porosität und der hohen Packungsdichte
deren Ländern ihre Daseinsberechtigung bewiesen haben. [2, 9]. Aufgrund dieser Eigenschaften nahmen die Anwendun-
Noch schwieriger ist es, wenn dieses Produkt nicht in den gen von UHFB in den letzten Jahren stark zu, insbesondere in
einschlägigen lokalen Vorschriften und Normen berück- Europa, Nordamerika, Japan, Korea, China und Australien. Zu
sichtigt ist, wie es bei UHFB in Kolumbien der Fall ist. Aus den Anwendungen von UHFB gehören unter anderem der
diesem Grund sind lokale Forschung und Produktentwick- Bau von Fußgängerbrücken, Tunnelauskleidungen und spe-
lungen, sowohl in Bezug auf die Mischzusammensetzung ziellen Spann- und Fertigbetonteilen, die Produktion von vor-
als auch deren praktische Anwendungen, von entscheiden- gefertigten Brückenbauteilen und Stadtmobiliar, die Kon-
der Bedeutung für die breitere Akzeptanz und Anwendung struktion von Aufbetonen auf beschädigten Verkehrsflächen
von UHFB. Dieser Beitrag zielt darauf ab, anhand von Bei- und Industrieböden, die Sanierung bestehender Betonbau-
spielen aus dem letzten Jahrzehnt die Errungenschaften werke, sowie architektonische Anwendungen [2, 7, 9, 12-14].
der Forschung zum Thema UHFB sowie die praktischen Trotz der hervorragenden Leistungsfähigkeit in Bezug auf Fes-
Anwendungen des Materials in Kolumbien zu beleuchten. tigkeit und Dauerhaftigkeit, fand UHFB bisher keine weit ver-
Entwicklungen im Bereich Mischungsentwurf haben zu breitete Anwendung in der Bauindustrie von Schwellenlän-
wirtschaftlicheren und umweltfreundlicheren Materialzu- dern. Dies ist hauptsächlich auf den Mangel an lokalen Vor-
sammensetzungen mit geringem Zementgehalt und her- schriften und Normen für Entwurf und Konstruktion von
vorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher Dau- UHFB, sowie die damit verbundene geringe Praxiserfahrung
erhaftigkeit geführt. Die praktischen Anwendungen mit seitens der Bauherren und Baufirmen zurückzuführen. Den-
lokal patentierten Mischungsentwürfen haben die Leis- noch wird sich die Entwicklung von UHFB-Projekten in diesen
tungsfähigkeit von UHFB beim Bau von Fußgängerbrü- Märkten im Vergleich zu anderen konventionellen Alternati-
cken, Stadtmobiliar und Aufbetonen weiter unter Beweis ven des Betonbaus als technisch und wirtschaftlich wettbe-
gestellt. werbsfähig erweisen.
In den letzten Jahrzehnten haben die Weiterentwicklungen Dieser Beitrag stellt die Fortschritte in der Forschung und An-
von hochleistungsfähigen, zementgebundenen Werkstoffen wendung von UHFB in Kolumbien während des letzten Jahr-
weltweit gewaltige Fortschritte im Bausektor gemacht und auf zehnts vor. Unter diesen Anwendungen sollte der Bau der
ein neues Hightech-Material mit verbesserten Materialeigen- Fußgängerbrücke über die Las Vegas Avenue in Medellin (Ko-
schaften in den Bereichen Druckfestigkeit, Dauerhaftigkeit, lumbien) hervorgehoben werden. Diese Brücke war nicht nur
Zähigkeit und Duktilität hingewiesen. Demnach wurde eine das erste Infrastrukturprojekt, das mit UHFB in Kolumbien ent-
neue Art von Ultra-Hochleistungs-Zementverbundwerkstoff, wickelt wurde, sondern das erste in ganz Lateinamerika [2].
bekannt als Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB, englisch: Seit 2017 verbindet die Fußgängerbrücke das Campusge-
Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete, UHPFRC), lände der EAFIT Universität mit dem zugehörigen Institut für
vom ACI-Komitee 239R-18 als „Beton mit einer Druckfestig- Linguistik. In der Konstruktion wurde Advanced Concrete®
keit von mindestens 150 MPa mit spezifizierten Anforderun- verwendet, eine kommerzielle UHFB Mischung, die unter Ver-
gen an Dauerhaftigkeit, Zugduktilität und Zähigkeit“ definiert. wendung lokaler Baustoffe von der Firma Argos SA entwickelt
Dieser Spezialbeton enthält in der Regel Fasern, um be- wurde [2, 15, 16]. Weitere Anwendungen von UHFB in Kolum-
stimmte materialtechnische Anforderungen zu erfüllen [1]. bien sind die UNAL Fußgängerbrücke in Manizales, Stadtmo-
Die herausragenden technischen Eigenschaften lassen sich biliar an der EAFIT Universität, das Aufbeton Testfeld in Me-
mit der niedrigen Porosität und hohen Packungsdichte erzie- dellin und die Fassade des Simon Bolivar International Airport
len, die sich aus dem geringen Wasserbindemittelwert, der in Santa Marta [2, 15-17].
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왎 Joaquín Abellán García ist Doktorand am Institut für Bauinge-
nieurswesen an der Hochschule für angewandte Wissenschaften
(HAW) Madrid (UPM) in Spanien. Er hat sein Diplom (BSc Eng) als
Bauingenieur im Jahr 2006 an der HAW Valencia (UPV) und sein
Masterdiplom in Eisenbahninfrastruktur im Jahr 2010 an der
HAW Catalonia (UPC), Spanien, erhalten. Weiterhin ist er Profes-
sor für Bauingenieurswesen an der Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Ga-
ravito, Bogotá, Kolumbien. Zu seinen Forschungsinteressen gehört die mathe-
matische Optimierung von umweltfreundlichem Ultrahochleistungsbeton,
sowie das seismische Verhalten von ECC (Engineered Cementitious Composites).
joaquin.abellan-g@escuelaing.edu.co
Fortschritte in der UHFB-Forschung )('&%$#'"! $
Entwicklung von kosteneffizientem UHPC in Kolumbien Maschinen und Anlagen
Die Verwendung eines hohen Bindemittelgehaltes ist einer Nicht immer vor Ort und trotzdem alles unter Kontrolle – mit
der Hauptnachteile von UHFB, da damit ein Ansteigen des (' (' ( "&( &' ' '$&
CO2-Fußabdrucks als auch der Materialkosten verbunden ist
[10, 14, 18, 19]. Diese Faktoren verhindern eine weiter ver-
&#"#(& )('&%$#'"! $ "&(& " (' $& & #(&
breitete Verwendung des Spezialbetons und verlangsamen (& (&(' (' $(' '&( $& (.
seine Etablierung in neuen Märkten.
Um die Probleme der hohen Kosten und des ungünstigen PEMAT MACHIN UER: PEMAT & CLIENT CONCRETE PLANT
CO2-Fußabdrucks zumindest teilweise anzugehen, wurden in
den letzten Jahrzehnten große Anstrengungen unternom-
men, um die Wirkung von Zementersatzstoffen zu analysieren.
Insbesondere die Verwendung von Silikastaub kann hierbei
helfen, die Kosten zu reduzieren [10, 18, 20, 21]. Unter den
zahlreichen Forschungsvorhaben kann die Arbeit von Abellán
et al. [18] zur Optimierung einer UHFB-Mischung unter Ver-
wendung in Kolumbien lokal verfügbarer Ausgangsstoffe her-
vorgehoben werden. In ihrer Arbeit entwickelten sie eine Me-
thodik, die Techniken wie neuronale Netze und Data Mining
[20, 21] mit experimentellen Untersuchungen und multiob-
jektiver Optimierung [9, 10, 22, 23] verbindet und damit die
Möglichkeit schafft, unter Verwendung von Silikastaubgehal- Remote access to
ten von maximal 100 kg/m3 und bei normalen Aushärtungs-
bedingungen Druckfestigkeiten von über 150 MPa zu erzie- machinery and equipment
len. Die Materialien, die zur Herstellung des Betons verwen-
det wurden, waren in Kolumbien lokal verfügbar. In allen Mi- Irrespective of the demand you have to a mixer or a
schungen wurden Zemente gemäß ASM Typ III HE, 100 kg/m3
Silikastaub, Silikasand mit einer maximalen Korngröße von solution. Beside mixers, we supply batching plants as a
0.6 mm, Leitungswasser und ein Fließmittel auf Polycarbox-
ylat-Ether-Basis verwendet.
support you every step of the way.
Als Zementersatzstoffe wurden als Teilersatz von Zement und
Silikastaub mehrere Optionen experimentell untersucht,
unter anderem Hüttensand, Kalksteinmehl, sehr feines Kalk-
steinmehl, recyceltes Glaspulver, recyceltes Glasmehl, Flug-
asche und Reisschalenasche. Als Referenzbeton wurde eine
MIX.ING.
Mischungszusammensetzung ohne Einschränkungen in der
Menge an Silikastaub und ohne einen der anderen Zusatz-
stoffe verwendet. Im ersten Teil der Studie wurde ein genaues
Modell für die Vorhersage der Druckfestigkeit von UHFB er-
arbeitet, das auch die Verwendung von Zementersatzstoffen
berücksichtigen kann. Nach der Anpassung des Modells
wurde ein multiobjektiver Algorithmus verwendet, der auf Mixing Technology made in Germany
dem von Derringer und Suich [24] entwickelten Ansatz basiert
und der für verschiedene Zwecke verwendet wurde, ein-
Pemat Mischtechnik GmbH I Hauptstraße 29 I D-67361 Freisbach
Germany I Tel. +49 6344-9449-0 I www.pemat.de
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Aus den Resultaten der Studie lassen sich die folgenden
Schlussfolgerungen ziehen: (i) Eine teilweise Substitution von
Portlandzement und Silikastaub ist mit verschiedenen Optio-
nen möglich, jedoch nur unter Verringerung der Festigkeit; ii)
Kalksteinmehl und insbesondere recyceltes Glas ermöglichen
die Verringerung des Fließmittelgehaltes, was sich spürbar
auf die Endkosten auswirkt; und (iii) durch Mischen von sehr
feinem Kalksteinmehl und recyceltem Glasmehl als Teilersatz
für Portlandzement und Silikastaub lassen sich niedrigere
Endkosten erzielen. Letztere Kombination führt zu einer Ver-
ringerung des Zementgehalts um über 30 % und reduziert
die Endkosten um über 40 % im Vergleich zu einer Referenz-
UHFB-Mischung, die als einzige Bindemittel Portlandzement
und Silikastaub enthält [18]. Darüber hinaus bestätigten die
durchgeführten Untersuchungen zum Thema Dauerhaftigkeit
(z. B. Chlorideindringung, Wasseraufnahme, Schwinden, u. a.)
die positiven Eigenschaften, die sich mit der Verwendung von
Zementersatzstoffen in UHFB erzielen lassen.
Abb. 1: Mathematisches Modell zur Vorhersage
der Druckfestigkeit von UHFB [20] Anwendungen von UHFB in Kolumbien
schließlich der Vorauswahl der verfügbaren Kombinationen In den letzten zehn Jahren gab es in Bezug auf die UHFB-In-
an Ausgangsstoffen. Hierdurch ließ sich die Anzahl der durch- dustrie in Kolumbien zwei wichtige Ereignisse. Erstens, die
zuführenden Versuche reduzieren und die durchschnittlich Entwicklung einer kommerziellen Mischung von UHFB (Ad-
erforderliche Korngröße ermitteln, die durch Mahlen der vanced Concrete®) durch einen lokalen Zementhersteller.
Zusatzstoffe, z. B. recyceltes Glas, erreicht werden musste Zweitens, die Gründung von Unternehmen, die sich der Her-
[18, 20]. stellung verschiedener UHFB-Produkte, vor allem Stadtmobi-
liar, widmen. Als Resultat dieser Ereignisse wurden mehrere
Nach Vorbehandlung und Charakterisierung der Ausgangs- Anwendungen von UHFB entwickelt, darunter die folgenden,
stoffe und Erstellung der Mischungsentwürfe wurden statisti- die in Teil 2 des Beitrages (veröffentlicht in der kommenden
sche Methoden verwendet, um unter Anwendung der ge- Ausgabe der BWI) näher beschrieben werden:
ringstmöglichen Bindemittelgehalte einen kostenoptimierten • Fußgängerbrücken
Beton herzustellen. Die in jedem Mischungsentwurf analysier- • Aufbetone
ten Faktoren waren Zementgehalt in kg/m3 (Faktor A), Was- • Architektonische Bauteile
serbindemittelwert (Faktor B) und Fließmitteldosierung (Fak-
tor C). Die übrigen Komponenten wurden mit q = 0,264 [9] Notwendige Entwicklungen für eine breitere
an die A&Amod-Kurve [25] angepasst. Abbildung 1 zeigt das Anwendung von UHFB in Kolumbien
mathematische Modell zur Vorhersage der Druckfestigkeit
von UHFB und die Korngrößenverteilung der verschiedenen Einerseits kann der Baustoff UHFB als solcher weiter verbes-
Ausgangsstoffe. sert werden. Obwohl mehrere Forschungsarbeiten durchge-
Massenanteile der Gesamtmenge (Vol.%)
Abb. 2: Korngrößenverteilung
der verschiedenen, lokal in
Kolumbien erhältlichen
Ausgangsstoffe [18]
Korngröße (μm)
Zement Typ III HE Silikastaub FC3R
Sehr feines Kalksteinmehl Kalksteinmehl Recyceltes Glaspulver
Recyceltes Glasmehl Flugasche Reisschalenasche
Hüttensand Silikasand
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führt wurden, die sich auf die Verwendung lokaler und recy-
celter Materialien für den Mischungsentwurf konzentrieren, ist
die Frage nach der Anwendung von Fasern das wohl wich-
tigste Thema. Aufbauend auf einer Literaturrecherche fassten
Abellán et al. [2] die Mischungsentwürfe von circa 150 UHFB-
Mischungen zusammen und ermittelten die durchschnittlichen
Anteile der verschiedenen Ausgangsstoffe für einen Beton mit
den folgenden Merkmalen: eine Druckfestigkeit von über 150
MPa, normale Aushärtungsbedingungen, maximale Zu-
schlagskorngrößen zwischen 0,5 und 0,6 mm und ein Stahlfa-
sergehalt von 2 Vol.-%. Die Kennwerte dieser durchschnittli-
chen Mischungszusammensetzung mit den dazugehörigen
Kostenanteilen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Kostenwerte
ergaben sich hierbei aus den lokalen Marktpreisen.
Tabelle 1: Durchschnittliche Mischungszusammensetzung,
basierend auf 150 Mischungen aus der Fachliteratur.
Ausgangsstoffe nach Volumen und relativen Kosten [2]
Ausgangsstoff % Volumen % Gesamtkosten
Zement 26 12
Silikastaub 9 20
Zementersatzstoffe 2
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BETONTECHNOLOGIE
[10] Abellán, J., Fernández, J., Torres, N., Núñez, A., Statistical optimiza-
Schlussfolgerungen
tion of ultra-high-performance glass concrete, ACI Mater. J. 117
(2020) 243–254. doi:10.14359/51720292.
Obwohl UHFB in der kolumbianischen Bauindustrie ein relativ [11] Abellán-García, J., Núñez-López, A., Torres-Castellanos, N., Fernán-
neuer Baustoff ist, wurden bereits mehrere interessante An- dez-Gómez, J., Effect of FC3R on the properties of ultra-high-perfor-
mance concrete with recycled glass • Efecto del FC3R en las propie-
wendungen realisiert. Darunter Betonfertigteile für innovative
dades del concreto de ultra altas prestaciones con vidrio reciclado,
Fassaden, zwei prominente Fußgängerbrücken, verschiede- Dyna. 86 (2019) 84–92. doi:10.15446/dyna.v86n211.79596.
nes Stadtmobiliar und Aufbetone für die Sanierung von Ver- [12] Soliman, N.A., Tagnit-Hamou, A., “Using glass sand as an alternative
kehrsflächen. Diese Projekte werden in Teil 2 dieser Veröffent- for quartz sand in UHPC,” Constr. Build. Mater. 145 (2017) 243–252.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2017.03.187.
lichung ausführlicher vorgestellt.
[13] Kalny, M., Kvasnicka, V., Komanec, J., “First Practical Applications of
UHPC in the Czech Republic,” in: E. Fehling, B. Middendorf, J. Thie-
Die neuesten Forschungsergebnisse zeigen, dass hervorra- micke (Eds.), Proc. Hipermat 2016 - 4th Int. Symp. UHPC Nanotech-
gende mechanische Eigenschaften und eine hohe Dauerhaf- nol. Constr. Mater., Kassel, 2016: pp. 147–148.
[14] Tagnit-Hamou, A., Soliman, N., Omran, A., “Green Ultra - High - Per-
tigkeit erreicht werden können, indem Portlandzement und formance Glass Concrete,” First Int. Interact. Symp. UHPC – 2016. 3
Silikastaub teilweise durch Zementersatzstoffe wie Kalkstein- (2016) 1–10.
mehl oder recyceltes Glaspulver ersetzt werden. Diese Teil- [15] Abellán-García, J., Nuñez-Lopez, A., Arango-Campo, S., PEDE-
substitution ermöglicht des weiteren eine Senkung der End- STRIAN BRIGDE OVER LAS VEGAS AVENUE IN MEDELLÍN . FIRST
LATIN AMERICAN INFRASTRUCTURE IN, in: BEFIB 2020, 2020.
kosten und des CO2-Fußabdrucks von UHFB. [16] Abellán, J., Núñez, A., Arango, S., Pedestrian bridge of UNAL in Ma-
nizales : A new UPHFRC application in the Colombian building
Die praktische Erfahrung beweist, dass die Bauindustrie in Ko- market, in: Proc. Hipermat 2020 - 5th Int. Symp. UHPC Nanotechnol.
Constr. Mater., Kassel, 2020: pp. 43–44.
lumbien mit der lokal verfügbaren Technologie und Ausrüs-
[17] Arango-Campo, S., Nuñez-Lopez, A., Alvarado, Y., Vacca, H., Pavi-
tung die Anforderungen erfüllt, die an den Mischungsentwurf mentos ultradelgados con UHPC, Noticreto. (2018) 8–13.
und die Produktion von UHFB gestellt werden. Diese Erfah- [18] Abellán, J., Fernández, J., Torres, N., Núñez, A., Development of
rung und das damit verbundene Fachwissen sind für zukünf- cost-efficient UHPC with local materials in Colombia, in: Proc. Hiper-
mat 2020 - 5th Int. Symp. UHPC Nanotechnol. Constr. Mater., Kassel,
tige Projekte zugänglich. Die größten Hindernisse für eine
2020: pp. 97–98.
breitere Verwendung von UHFB in Kolumbien sind jedoch ei- [19] Ghafari, E., Costa, H., Nuno, E., Santos, B., Costa, H., Júlio, E., "Criti-
nerseits die hohen Kosten für die notwendigen Fasergehalte, cal review on eco-efficient ultra high performance concrete enhan-
und andererseits das Fehlen lokaler Normen und Richtlinien, ced with nano- materials ", Constr. Build. Mater. J. 101 (2015) 201–
208. doi:10.1016/j.conbuildmat.2015.10.066.
die die Verwendung dieses Materials befürworten. 왎
[20] Abellán-García, J., Four-layer perceptron approach for strength
prediction of UHPC, Constr. Build. Mater. 256 (2020).
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