Silikastaub: Puzzolanische Reaktion, Druckfestigkeit über 100 N/mm² und Einsatzgrenzen im Hochleistungsbeton

Silikastaub, auch Mikrosilika genannt, entsteht als Filterstaub bei der Produktion von Silicium und Siliciumlegierungen. Der extrem feinkörnige, mineralische Stoff zählt zu den künstlichen Puzzolanen und wird als Betonzusatzstoff eingesetzt, um Druckfestigkeiten über 100 N/mm² sowie deutliche Verbesserungen bei Dichtigkeit und Dauerhaftigkeit zu erzielen. Quarz wird dabei zusammen mit Kohle in Elektroöfen bei Temperaturen ab 2500 °C aufgeschmolzen.

Chemische Zusammensetzung und puzzolanische Reaktionsfähigkeit

Die chemische Zusammensetzung von Silikastaub kann erheblich schwanken. 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. Daraus resultieren große Unterschiede in der puzzolanischen Reaktionsfähigkeit. 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.

Wie wirkt die extrem hohe Feinheit?

Die Korngröße von Silikastaub liegt bei etwa 0,1 μm. Damit ist der Zusatzstoff im Mittel um etwa den Faktor 100 feiner als Portlandzement oder Flugasche. Diese hohe Feinheit bedingt die stark ausgeprägte Hohlraum füllende Wirkung und puzzolanische Wirkung. Silikastaub verbessert zudem den Verbund in der Kontaktzone zwischen Zementmatrix und Gesteinskörnung beziehungsweise Fasern. Die feinen, kugeligen Partikeln werden pulverförmig oder – zur besseren Verarbeitbarkeit – in wässriger Suspension (Slurry) geliefert.

Frischbetoneigenschaften und Verarbeitungsanforderungen

Der hohe Wasseranspruch von Silikastaub macht die Verwendung eines Verflüssigers oder Fließmittels unumgänglich. Gleichzeitig wird der Frischbeton klebriger und weist ein höheres Zusammenhaltevermögen auf. Für die Verarbeitung bedeutet dies: Ohne leistungsfähige Zusatzmittel ist Silikastaub im Transportbeton nicht einsetzbar.

Festigkeitssteigerung und 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:

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.

Die Verwendung von Silikastaub erfordert eine zuverlässige Qualitätssicherung und besondere Maßnahmen bei der Nachbehandlung. Aufgrund hoher Kosten wird Silikastaub bevorzugt für Spezialanwendungen eingesetzt: Faserbeton, hochfester Beton, Beton mit hohem Widerstand gegen schädigende Einwirkungen oder Spritzbeton.

Einsatz in Portlandsilicastaubzement und Kompositzement

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.

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