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Zusammenfassung
  • Der Bausektor ist einer der Hauptverursacher der weltweiten CO2-Emissionen. Um die Klimaziele der EU zu unterstützen, ist die Entwicklung nachhaltiger Betone mitverbesserter Dauerhaftigkeit und reduziertem CO₂-Fußabdruck unerlässlich. Diese Dissertation untersucht die Verwendung von Nebenprodukten aus industriellen Hochtemperaturprozessen, hauptsächlich Hochofenschlacke (BFS) und Hüttensand (slagsand), zur Herstellung von stabilen, thermisch beständigen und nachhaltigenBetonalternativen. Der Schwerpunkt der Studie lag auf der Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Beton während und nach einmaliger oder wiederholter thermischer Beanspruchung. Die Wirkung von Hüttensand als zusätzliches zementartiges Material wurde durch den Vergleich der Heiß- und Restdruckfestigkeit von Betonen untersucht, die mit CEM III/A,CEM III/B sowie herkömmlichem Portlandzement (CEM I) hergestellt wurden und verschiedenen thermischen Belastungen (unterschiedliche Anzahl von Zyklen mitverschiedenen Maximaltemperaturen) ausgesetzt waren. Zudem wurden diese Ergebnissemit einem kalksteinbasierten Zement (CEM II/A-LL) verglichen. Darüber hinaus wurdedie Leistung von BFS, Hüttensand und anderen nicht standardisierten metallurgischenSchlacken als Gesteinskörnung mit konventionellen Gesteinskörnungen wie Quarzit,Basalt und Kalkstein verglichen.Basierend auf über 1800 experimentellen Datenpunkten konnten BFS und Hüttensand dieRestdruckfestigkeit von Beton signifikant verbessern. Während Hüttensand dieDruckfestigkeit bei hohen Temperaturen leicht reduzierte, erhöhte er die Restfestigkeitdeutlich - insbesondere nach Abkühlung und anschließender Lagerung unter feuchtenBedingungen. Ein höherer Hüttensandanteil im Zement korrelierte mit verbessertenmechanischen Eigenschaften nach thermischer Beanspruchung. Die Modellierung desTemperaturprofils einer 30 cm dicken Wand zeigte, dass Schlacken- und Basaltzuschlägedie Innentemperaturen während der Aufheiz- und Abkühlphasen signifikant stärkerreduzierten als Quarzit. Die verringerte Wärmeleitfähigkeit und die geringerenthermischen Spannungen führten zu einer höheren geschätzten Resttragfähigkeit, mitleichten Vorteilen für Schlacke gegenüber Basalt während der Abkühlphase. Betone ausschlackenreichen Zementen (CEM III/A) in Kombination mit BFS-Gesteinskörnungenzeigten die besten Resttragfähigkeiten, was die Bedeutung der Zement-Gesteinskörnung-Wechselwirkung unterstreicht. Erste Versuche mit anderen Industrieschlacken zeigtenebenfalls vielversprechende Ergebnisse und weisen auf ein hohes Forschungspotenzialhin. Diese Arbeit liefert ein solides Bewertungsmodell sowie praxisorientierte Ansätzezur Entwicklung langlebiger, thermisch stabiler und umweltfreundlicher Betonlösungen.
Abstract
  • The construction industry is a major contributor to global CO₂ emissions. To support the EU’sclimate goals, developing sustainable concrete with enhanced durability and a reduced carbon footprint is essential. This dissertation investigates the use of by products from high-temperatureindustrial processes, primarily blast furnace slag (BFS) and slag sand, to create stable, thermallyresistant, and sustainable concrete alternatives. The study focused on improving concretedurability during and after one-time or repeated thermal exposures.The influence of slag sand as a supplementary cementitious material was assessed by comparinghot and residual compressive strength of concretes made with CEM III/A, CEM III/B, andordinary Portland cement (CEM I) upon or following exposure to various thermal loads(different number of cycles with various maximum temperatures). These were also comparedto limestone-based CEM II/A-LL. Additionally, the performance of BFS, slag sand, and othernon-standard metallurgical slags as aggregates was evaluated against conventional aggregateslike quartzite, basalt, and limestone.Based on over 1800 experimental data points, obtained in a collaborative project between theUniversity of Wuppertal and “Institut für Baustoff-Forschung e.V.” (FEhS), BFS and slag sandsignificantly improved residual compressive strength. While slag sand slightly reduced hotcompressive strength, it markedly enhanced residual compressive strength, especially aftercooling and following humid storage. Higher slag content in cement correlated with improvedpost-exposure mechanical properties. Temperature profile modeling of a 30 cm-thick wallrevealed that slag and basalt aggregates lowered internal temperatures more effectively thanquartzite during heating and cooling. Reduced thermal conductivity and internal stresstranslated into higher estimated residual load-bearing capacity, slightly better with slag thanbasalt aggregates during cooling.Concrete made of slag-rich cements (CEM III/A) with BFS aggregates showed the best residualstrength, highlighting the importance of cement-aggregate interaction. Preliminary tests withother industrial slags also showed promise, suggesting further research potential. This workprovides a robust framework and practical guidance for designing durable, thermally stable,and environmentally sustainable concrete.
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