Der Widerstand von Beton gegen Gase und Flüssigkeiten wird bislang in erster Linie durch die sachgerechte Anpassung des Zementgehaltes und des Wasserzementwerts (w/z-Wert) an seine Exposition im Bauteil während der Nutzungszeit gesteuert. Je niedriger der w/z-Wert gewählt wird, umso geringer ist der Anteil an Kapillarporen im erhärteten Zementstein und um so höher sein Widerstand gegen Umwelteinflüsse. Demgegenüber hat die Entwicklung von Ultra-Hochfesten Betonen gezeigt, dass man die Dichtigkeit und Festigkeit von Zementstein auch dadurch erhöhen kann, dass die Packung des Feinkorns so dicht gestaltet wird, dass der zwischen dem Feststoff verbleibende Hohlraum minimiert wird. In dieser Arbeit wurde untersucht wie sich die Effekte der Packungsdichte und des Wassergehalts auf die Zementsteinmatrix auswirken. Dafür wurden zunächst reine Feinstoffgemische, bestehend aus einem Zement und einem inerten Feinstoff untersucht. Der Zement wurde volumengleich durch sogenannte packungswirksame und nicht packungswirksame, zementfeine Feinstoffe ausgetauscht. Durch die gezielte Füllung der Hohlräume zwischen den Zementpartikeln und der Anpassung des Wassergehaltes konnte die Wirksamkeit inerter Füllstoffe signifikant verbessert werden. Von entscheidender Bedeutung war hierbei die Kenntnis von der Granulometrie der Feinstoffe und deren Wirksamkeit im Feinstoffbereich unterhalb 0,125 mm Korngröße. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch inerte, packungswirksame (Hohlraum füllende) Feinstoffe und die Anpassung des Wassergehalts die Gefügedichte des erhärteten Zementsteins signifikant erhöht werden kann. Dabei ist der Wassergehalt von wesentlicher Bedeutung. Aus den gewonnenen, umgangreichen Laborergebnissen wurde ein Modell entwickelt, dass die Druckfestigkeit oder den Kapillarporengehalt mit der Packungsdichte und der Wasserfilmdicke in Zusammenhang bringt und die Einordnung der Druckfestigkeit über den w/z-Wert erlaubt. Auf diese Weise konnten massebezogene Wirksamkeitsfaktoren (k-Werte) für inerte Feinstoffe im Zementstein und später im Beton bestimmt werden. Die Wirksamkeitsfaktoren sind dabei vom w/z-Wert abhängig. Bei einem w/z-Wert von 0,25 ergab sich bei 20 Vol-% Austausch eines grobgemahlenen Zements CEM I 32,5 R durch ein hochfeines, packungswirksames Quarzmehl ein k-Wert von 1,87. Mit einem auf 0,45 zunehmendem w/z-Wert verringerte sich der k-Wert auf 0,21. Ein ähnlich feines Kalksteinmehl (K1) ergab bei gleicher Vorgehensweise k-Werte in der gleichen Größenordnung. Zusammenfassend zeigt das auf umfangreichen Laboruntersuchungen basierende Modell den direkten Zusammenhang zwischen der Druckfestigkeit bzw. der Dichtigkeit der Matrix und der Wasserfilmdicke sowie der Packungsdichte. Es kann ein gutes Instrument sein, um Normal- oder Hochfeste Betone durch die Verwendung von kornoptimierten mineralischen Feinstoffen technisch und wirtschaftlich zu verbessern.

The resistance of concrete to gases und fluids is regulated predominantly by the adaption of the cement content and the water-cement ratio (w/c-ratio) to the environmental exposition of the concrete structure during the period of use. The lower the w/c-ratio will be chosen the lower the content of capillary pores in the hardened cement stone and the higher its resistance against environmental influences will be. On the other hand the development of ultra-high performance concretes (UHPC) has shown that by increasing the packing density of the fine particles and thus reducing the remaining voids between them the water demand of the fresh concrete was significantly reduced and the density and the strength of the cement stone was improved effectively. In this PhD-thesis the effects of the packing density on the porosity, durability and strength of the cement matrix of ordinary concretes were investigated. Firstly pure cement mixes were evaluated as a reference.. Then the cement was substituted part by part by an increasing volume of fine powders of different fineness either filling the voids between the coarser particles and thus increasing the packing density or not. By the systematic increase of the packing density together with the adaption of the water content the effectiveness of inert fine powders was proven for ordinary concrete. It was demonstrated, that the density and the strength of the cement stone and its resistance to harmful substances can be increased significantly even by inert but void filling mineralic powders together with the adaption of the water content and thus the w/c-ratio. Based on the results of extensive laboratory test series a mathematic model based on non-linear algorithms was developed that combines the porosity and the strength at a certain packing density and w/c-ratio with the calculated water film thickness covering the surface of the particles. As a result efficiency-coefficients (k-values) for the effectiveness of inert fines compared to the equivalent amount of cement can be determined. The coefficients are depending on the w/c-ratio. As an example with a w/c-ratio of 0,25 and a substitution of 20 vol-% of a coarsely ground cement CEM 132,5 R by a fine, packing-effective quartz powder, a k-value of 1,87 results. If the w/c-ratio increases up to 0,45 the k-value declines to 0,21. Similar results and reactions are appearing when other powders like e.g. fine limestone flours are used. In summary, the model, which is based on extensive laboratory test series, allows to predict the compressive strength and/or the matrix density from the water-film thickness and the packing density. It is a valuable instrument to improve ordinary or high performance concretes technically and economically by the use of grain optimized inert or reactive mineralic fillers.