Silikastaub in Hochleistungsbeton: Wie 0,1 μm Korngröße Druckfestigkeiten über 100 N/mm² ermöglichen

Silikastaub – auch Mikrosilika genannt – zählt zu den wirksamsten Zusatzstoffen für Beton mit besonderen Anforderungen an Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Das extrem feinkörnige Nebenprodukt aus der Silicium- und Ferrosilicium-Produktion erreicht eine mittlere Korngröße von etwa 0,1 μm und ist damit rund 100-mal feiner als Portlandzement oder Flugasche. Mit dieser Feinheit ermöglicht Silikastaub Druckfestigkeiten über 100 N/mm² und erhebliche Verbesserungen bei Dichtigkeit und Widerstand gegen chemischen Angriff.

Wie entsteht Silikastaub und welche Zusammensetzung weist er auf?

Silikastaub fällt als Filterstaub bei der Herstellung von Silicium und Siliciumlegierungen an. Quarz wird dabei zusammen mit Kohle in Elektroöfen bei Temperaturen ab 2500 °C aufgeschmolzen. Bei der Reduktion entsteht dampfförmiges Siliciummonoxid (SiO), das bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Siliciumdioxid reagiert und durch Abkühlung als kondensiertes Feinstpartikel aufgefangen wird. Die chemische Zusammensetzung schwankt je nach Art der hergestellten Legierung erheblich: Der Siliciumdioxidgehalt liegt im Allgemeinen zwischen 80 M.-% und 98 M.-%, bei der Herstellung von Calcium-Silicium- und Magnesium-Silicium-Legierungen fällt er mitunter wesentlich niedriger aus.

Besonders reaktionsfähig ist der Silikastaub, der bei der Produktion von Silicium und Ferrosilicium anfällt. Er reagiert mit Calciumhydroxid sehr schnell unter Bildung von Calciumsilicathydrat – dem entscheidenden Festigkeitsträger in Zementsystemen. Die im Silikastaub enthaltenen Partikel sind kugelförmig und weisen nach Norm eine spezifische Oberfläche von 15 bis 35 m²/g auf – zum Vergleich: die Mahlfeinheit von Zement liegt bei 0,2 bis 0,7 m²/g. Die Dichte beträgt etwa 2,16 g/cm³.

Puzzolanische Reaktion und Füller-Effekt: Doppelte Wirkung

Der Einsatz von Silikastaub als Zusatzstoff wirkt auf zwei Weisen festigkeitssteigernd. Erstens fungiert er als künstliches Puzzolan: Unter Anwesenheit von Kalkhydrat (Ca(OH)₂), das bei der Hydratation von Zement entsteht, reagiert das amorphe Siliciumdioxid zu weiteren festigkeitsgebenden und wasserunlöslichen Calciumsilikathydraten. Diese puzzolanische Reaktion ist bei Silikastaub durch die hohe Feinheit besonders stark ausgeprägt.

Zweitens wirkt Silikastaub als Füller, der die Packungsdichte erhöht und das Porenvolumen beziehungsweise den Kapillarporenraum verringert. Durch seine geringe Korngröße füllt er Hohlräume zwischen den gröberen Zementpartikeln und verbessert den Verbund in der Kontaktzone zwischen Zementmatrix und Gesteinskörnung beziehungsweise Fasern. Das Eindringen von gasförmigen oder flüssigen Schadstoffen wie Chloriden oder Sulfaten wird erschwert, der Frostwiderstand erhöht sich.

Druckfestigkeiten über 100 N/mm² und verbesserte Dauerhaftigkeit

Bei der Verwendung von Silikastaub können Betondruckfestigkeiten über 100 N/mm² sowie eine Verbesserung der Dichtigkeit erzielt werden. Die Anwendungsbereiche liegen damit im Bereich Hochleistungsbeton. Durch die erhöhte Dichtigkeit führt der Einsatz von Silikastaub zu folgenden Verbesserungen:

Wie bei anderen Puzzolanen wird durch den Einsatz von Silikastaub zudem eine geringere Anfangserwärmung und Hydratationswärme des Bauteils erzielt.

Warum ist die Zugabemenge begrenzt?

Die starke puzzolanische Reaktion baut die Alkalität der Porenlösung im Beton ab – und damit den passiven Korrosionsschutz der Bewehrung. Aus diesem Grund ist die Zugabemenge von Silikastaub begrenzt. Bei gemeinsamer Verwendung von Silikastaub und Flugasche im Beton gelten im Regelwerk weitere Einschränkungen der Zugabemengen. Je nach verwendetem Zement ist die gemeinsame Verwendung sogar unzulässig.

Verarbeitungsanforderungen und Kosten

Die große spezifische Oberfläche des Silikastaubs bewirkt einen hohen Wasseranspruch. Gleichzeitig wird der Frischbeton klebriger und weist ein höheres Zusammenhaltevermögen auf. Der hohe Wasseranspruch von Silikastaub macht die Verwendung eines Verflüssigers oder Fließmittels unumgänglich – ohne leistungsfähige Zusatzmittel ist Silikastaub im Transportbeton nicht einsetzbar. Eine Menge von etwa 10 % Silikastaub vom Zementanteil kann zu einer Versteifung beziehungsweise einer erhöhten Klebrigkeit führen.

Die feinen, kugeligen Partikeln werden pulverförmig oder – zur besseren Verarbeitbarkeit – in wässriger Suspension (Slurry) geliefert. Aufgrund hoher Material- und Transportkosten sowie teilweise auch negativer Eigenschaften wird Silikastaub bevorzugt für Spezialanwendungen eingesetzt: Faserbeton, hochfester Beton, Beton mit hohem Widerstand gegen schädigende Einwirkungen oder Spritzbeton. Die Verwendung von Silikastaub erfordert eine zuverlässige Qualitätssicherung und besondere Maßnahmen bei der Nachbehandlung.

Einsatz als Zementhauptbestandteil

Silikastaub wird nicht nur als freier Zusatzstoff verwendet, sondern auch als Hauptbestandteil (Kurzzeichen: D) in Zementarten eingesetzt. Dazu gehören der Portlandsilicastaubzement (CEM II/A-D), der Puzzolanzement (CEM IV) und der Kompositzement. Der Einsatz als Zementhauptbestandteil ermöglicht eine normkonforme Verwendung ohne die strengen Beschränkungen, die für freie Betonzusatzstoffe gelten.