Baustoffkunde – Übung 04 Protokoll zur Betonherstellung

FH SS08 Bauingenieur – Jany-Waibel Hans-Georg
Baustoffkunde_Seminar_4.doc
8. Juli 2008
Baustoffkunde – Übung 04
Protokoll zur Betonherstellung (Erstprüfung)
Gliederung:
1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmengen für 1 m³
verdichteten Beton
a. Anforderungen an den Beton
b. Stoffraumrechnung
c. Massenermittlung für 1m³ Beton
d. Massenermittlung für Probekörper
e. Tatsächliche Mischungszusammenstellung auf Grundlage
der Frischbetonrohdichte
f. Mehlkorngehalt
2. Ermittlung der Baustoffmengen für die Probekörper
3. Prüfungen am Frischbeton
a.
b.
c.
d.
Ausbreitmaß
Verdichtungsmaß
Luftporengehalt
Frischbeton-Rohdichte
4. Herstellung der Probekörper
5. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung
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1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmengen für 1 m³ verdichteten Beton
Unter Zuhilfenahme des Protokolls aus der Übung „Sieblinie“ werden die
ermittelten prozentualen Anteile der Korngruppen 0/4, 4/8, 8/16 und 16/32 für
den Sieblinienbereich A/B 32 in die Tabelle der Mischungsberechnung
eingetragen. Ebenfalls finden die Körnungsziffer k sowie die damals ermittelten
Rohdichten der Korngruppen hier ihren Platz.
Vorgabe für die Betonherstellung ist außerdem ein Portland-KalksteinmehlZement mit der Bezeichnung CEM II/A-LL und der Festigkeitsklasse 32,5
Rapid.
a. Anforderungen an den Beton:
Die Ermittlung der spezifischen Anforderungen für ein Beton-Bauteil erfordert
eine eingehende Überprüfung des Umfelds. Bei dem angenommenen
Stützmauerwerk im Außenbereich herrscht mäßige Feuchte, wie es z.B. bei
Bauteilen im Sprühnebelbereich von Verkehrsflächen oder Einzelgaragen der
Fall ist. Die Kategorisierung ist hier XD1 für die Bewehrungskorrosion durch
Chloride (außer Meerwasser).
Weiterhin führt eine direkte Beregnung des Bauteils zu einer wechselnden Nässe
oder Trockenheit. Dieser Umstand führt vermehrt zu einer Carbonatisierung des
Betons, der dadurch entstehende Verlust der Alkalität kann eine Korrosion der
Bewehrung begünstigen. Aus diesem Grund wird hier die Expositionsklasse
XC4 gewählt.
Des Weiteren wird in der Nähe des Bauteils regelmäßig Taumittel für die
Behandlung der Verkehrsflächen zum Einsatz gebracht. Dieser Umstand führt
durch den Sprühnebel ebenfalls zu einer Belastung für den Beton und seine
Bewehrung und erfordert eine Einstufung in XF2.
Durch Konsultation der DIN und weiterführender Literatur ergeben sich daher
folgende Grenzwerte:
Bauvorhaben
Bauteil
Erforderliche
Expositionsklasse
Höchstzulässiger
w/z
Midestdruckfestigkeitsklasse
min fck
Mindestzementgehalt min z in
[kg/m³]
Mindest-LP in %
Stützmauer im Außenbereich
XC4
XD1
XF2
0,60
0,55
0,50
Max.
Anforderungen
0,50
C25/30
C30/37
C35/45
C35/45
280 ohne
Zusatzstoffe
300 ohne
Zusatzstoffe
320 ohne
Zusatzstoffe
320
---
---
---
---
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Nach der Ermittlung der Mindestanforderungen werden nun die bekannten und
gewollten Werte in die Tabelle „Mischungsberechnung“ eingetragen. So wird
für die Verarbeitbarkeit eine weiche Konsistenz angestrebt, hier gilt die
Verdichtungsmaßklasse C3 mit 1,1 – 1,04 und das Ausbreitmaß F3 mit a=42 bis
48 cm.
Da die Druckfestigkeit C35/45 für Prüfkörper auf eine Unterwasser-Lagerung
von 28 Tagen ausgelegt ist, in den Prüflabors der HS Augsburg allerdings die
Dry-Methode mit Trockenlagerung nach bereits sieben Tagen Anwendung
findet, muss folgende Berechnungsformel verwendet werden:
f c ,cube = 0,92 ⋅ f c ,dry
> f c ,dry =
f c ,cube
0,92
=
kN
mm² = 48,93 ≈ 49 kN
0,92
mm²
45
Unter Berücksichtigung des Vorhaltemaßes von 6 N/mm² ergibt sich somit der
Wert 55 N/mm². Wird dieser Wert in der Walz-Kurve abgetragen und mit dem
Arbeitsbereich für einen Zement CEM 32,5 in Übereinstimmung gebracht, so
ergibt sich daraus ein erforderlicher Wasser-Zement-Wert von max. 0,43. Wird
der w/z-Wert mit den Anforderungen der Expositionsklassen (max. w/z 0,5)
verglichen, wird klar, dass hier dieser niedrigere Wert angesetzt werden muss.
Anschließend wird der Wasseranspruch bei der gewählten Ausbreitmaßklasse
errechnet:
Konsistenzklasse Wasseranspruch [l/m³] in
Abhängigkeit d. k-Wertes
C0
C1
F1
w = 1100
C2
F2
w = 1200
C3
F3
w = 1300
C4
F4
w = 1400
F5
Ab hier muss mit Fließmitteln
gearbeitet werden!
F6
Formel für Wassermengenberechnung :
c
w =
k +3
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Aus der Formel ergibt sich für die Konsistenzklasse C3/F3 also ein Wasseranteil
von w =
1300
≈ 170 kg / m³
4,71 + 3
.
Wird nun der w/z-Wert mit der Menge Wasser in Beziehung gesetzt, lässt sich
die entsprechend benötigte Menge Zement ausrechnen:
170 kg / m³
w
= 0,43 =
z
z
Nach Umstellen der Formel ergibt sich der Zementanteil von 395 kg/m³.
All diese Werte werden in die entsprechenden Felder des Tabellenbogens
eingetragen.
b. Stoffraumrechnung:
Die Stoffraumrechnung gestattet es, den Anteil der einzelnen Stoffgruppen an
1000 dm³/m³ zu errechnen. Diese Umrechnung ergibt anschließend nach Abzug
der Stoffmengen von Wasser, Zement, Zusatzstoff und Luftgehalt einen Rest,
welchen wir für die Gesteinskörnungen verwenden können.
In diesem Beispiel:
Gew. w/z
0,43
Wassergehalt
Zementgehalt
Zusatzstoffe
Luftporen
Erforderlicher
Gehalt an
Gesteinskörnung
170
395
0
1,5
Dichte
kg/dm³
Kg/m³
Kg/m³
: 1,00
: 3,15
Vol-%

Stoffraum dm³/m³
∑=1000
1000
170
-170
130
-130
0
-0
15
-15
= 685

685
Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass wir 685 dm³/m³ Stoffraum für die
einzelnen Gesteinskörnungen zur Verfügung haben.
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c. Massenermittlung für 1 m³ Beton:
Im nächsten Schritt wird, unter Zuhilfenahme der bereits vorab ermittelten
Sieblinie, der Anteil der Gesteinskörnungen an dem gesamten Stoffraum
berechnet. Dies erfolgt über eine simple Dreisatz-Rechnung. Daraufhin wird
über die entsprechende Kornrohdichte der Korngruppen die trockene Masse
ermittelt.
Zusammensetzung für 1m³
Stoffraum
Kornrohdichte
dm³/m³
kg/dm³
239,8
2,70 102,8
2,71 143,9
2,71 198,7
2,74 685,2
0
Körnung
Anteil
mm
%
Sand 0/4
35
Kies 4/8
15
Kies 8/16
21
Kies 16/32
29
Summe
100
Zusatzstoff
0
Zement
Wasser
Soll Frischbetonmasse (gerechnete Rohdichte)
Ist Frischbetonmasse (Rohdichte aus Versuch)
Masse trocken
kg/m³
647,5
278,6
390
544,4
1858,8
0
395
170
∑ 2423,5
2437,5
d. Massenermittlung für Probekörper:
Dem Gliederungspunkt 2 vorgreifend, wird nun die Zusammensetzung für die
später benötigten 55 dm³ (= 55*10-3 m3 = 0,055 m3) berechnet.
Körnung
für 1 m³
Masse
trocken
647,5
278,6
390
544,4
0/4
4/8
8/16
16/32
Zusatzstoffe
Zement
395
Wasser
170
∑ 2423,5
Zusammensetzung für 0,055 m³
Masse
Oberflächenfeuchte
trocken feucht % / kg
35,6
0/0
15,3
0/0
21,5
0/0
29,9
0/0
21,7
9,4
---------
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für 1,0 m³
Rückrechnung
651,2
280,2
392,3
547,5
397,3
171,0
∑ 2439,5
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Da die Zuschläge aus dem Prüflabor stammen, sind sie bis zur Gewichtskonstante getrocknet und die Spalte Oberflächenfeuchte entfällt. Sollte jedoch
die Gesteinskörnung Feuchtigkeit enthalten, so muss diese Menge Wasser dem
chemisch aktiven Zugabewasser abgezogen werden, um den Wasser-ZementWert nicht zu verfälschen.
e. Tatsächliche Mischungszusammenstellung auf Grundlage der
Frischbetonrohdichte
Die bisherige Zusammenstellung der Stoffmengen basiert auf den Anforderungen und den rechnerisch ermittelten Werten entsprechend des bisher
ausgefüllten Stoffmengen-Formulars. Nun gilt es aber, anhand der
Frischbetonrohdichte, die tatsächlich benötigte Menge für 1 m³ Beton zu
ermitteln. Der Gliederung folgend, wird der ermittelte Wert (aus 3.d.
σ = 2.437,5 kg/dm³) für die Korrektur herangezogen.
Anhand dieses Wertes lässt sich nun in obiger Tabelle die letzte Spalte
„Rückrechnung“ füllen.
Masse, neu =
Masse, alt
⋅ Frischbetonrohdichte, neu
Frischbetonrohdichte, alt
f. Mehlkorngehalt:
Abschließend in der Stoffmengenberechnung steht nun noch die Bewertung des
Mehlkorngehalts aus. Einerseits fördert ein ausreichender Mehlkornanteil die
Verarbeitbarkeit sowie die Pumpbarkeit und ein Bluten wird verhindert.
Andererseits kann ein zu hoher Anteil das Schwindverhalten, die Frost- und
Taumittelbeanspruchung und den mechanischen Verschleiß in negativer Weise
beeinträchtigen. Die DIN-Norm untersucht hier in mehreren Kriterien:
• Expositionsklasse
• Größtkorn
• Zementgehalt
Zementgehalt
[kg/m³]
≤ 300
≥ 350
Höchstzulässiger Mehlkorngehalt [kg/m²]
Expositionsklassen
XF, XM
X0, XC, XD, XS, XA
Größtkorn der Gesteinskörnung
8 mm
16 -63 mm 8 – 63 mm
450
400
550
500
450
550
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Anhand dieser Tabelle wird ersichtlich, dass in unserem Fall ein maximaler
Mehlkornanteil von 450 kg/m³ zugelassen ist. Die Kontrolle unseres Betons
geschieht mit nachfolgender Formel. Die Werte der Zementmasse und
Flugasche sind dabei dem Stoffmengenformular zu entnehmen, die Masse des
feinen Kornanteils lässt sich aus dem Sieblinienanteil der entsprechenden
Korngruppe berechnen:
vorhandener Mehlkornanteil = Zementmasse + Masse Gesteinskorn<0,125 + Masse Flugasche
vorh.MK = 397,3 + 39 + 0 = 463,3 kg / m³ > Sollwert 450 kg / m³
Es wird hier klar, dass der Mehlkornanteil für diesen Beton außerhalb des
Normbereichs liegt.
2. Ermittlung der Baustoffmengen für die Probekörper
Für weitergehende Prüfungen wird nun die Betonmenge gegebener
Betonprobekörper ermittelt. Diese Menge ist Grundlage für die bereits oben
angegebene Laborinterne Zusammensetzungsberechnung sowie die
Rückrechnung der tatsächlichen Massen pro Kubikmeter.
Anzahl Probekörper
Maß [cm]
Volumen [dm³]
1
1
2
1
20x20x20
10x10x10
15x15x15
20x20x12
8
1
3,375
4,8
15x15x70
h=30, d=15
15,75
5,30
1
1
Kubus
Kubus
Kubus
quadratisches
Prisma
Balken
Zylinder
Gesamtvolumen
[dm³]
8
1
6,75
4,8
15,75
5,30
Σ 41,6
+ Vorhaltung
+ Luftporen
Gesamt 55
Es werden also 55 Liter (dm³) oder 0,055 m³ Beton benötigt, um die Körper
füllen zu können. Die Vorhaltung gilt als Reserve und wird benötigt, um den
LP-Topf (8-Liter) für die Rohdichtebestimmung und die LP-Gehalts-Prüfung
komplett füllen zu können.
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3. Prüfungen am Frischbeton:
Ist nun die gewünschte Menge Beton in ihren Einzelbestandteilen bereitgestellt,
wird der Mischvorgang eingeleitet. Dieser dauert in einem Zwangsmischer 60
Sekunden.
a. Ausbreitmaß:
Es wird ein Trichter auf einem Anschlagbrett platziert, wobei darauf zu achten
ist, dass die jeweiligen Oberflächen sauber und angefeuchtet sind. Aus der
fertigen Betonmasse wird nun der Trichter vollständig befüllt und an der
Oberkante bündig abgestrichen. Nach Entfernen des Trichters wird das
Anschlagbrett nun in gleichmäßigem Rhythmus 15-mal auf vier Zentimeter
angehoben und fallen gelassen. Nach Vollendung des Zyklus werden die Ränder
der Masse mit Kellen begrenzt und die Abstände über Kreuz auf dem
Gliedermaßstab abgelesen.
Der Versuch bestätigt den Normwert: a=42/40 cm F3 a=42 bis 48 cm.
b. Verdichtungsmaß:
Es wird ein Behälter mit den Abmessungen 20x20x40 cm im Uhrzeigersinn mit
Betonmasse befüllt. Es ist dabei zu beachten, dass die Mörtelkelle immer auf der
jeweiligen Behälterkante abgelegt und der Beton aus dieser vorgeschriebenen
Höhe über „abkippen“ der Kelle eingebracht wird. Nach vollständigem Befüllen
und bündigem Abstreichen wird der Behälter auf einem Rütteltisch bearbeitet.
Anschließend wird der Abstand der Betonoberfläche zu jeder Kantenlänge des
Behälters mit dem Gliedermaßstab abgelesen und daraus das arithmetische
Mittel gebildet.
Anschließend wird die tatsächliche Höhe der Betonmasse berechnet:
h = 400 − hDifferenz = 400 − 94,75 = 305,25 cm
Verdichtungsmaß =
400cm
Anfangshöhe
=
= 1,32
Endhöhe
305,25cm
Ergebnis: Die Forderung einer weichen Konsistenz (C3, Verdichtungsmaß 1,1
bis 1,04) ist nicht erfüllt!
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c. Rohdichte:
Aus der gewonnenen Betonmasse wird nun ein 8-Liter-Gefäß (LP-Topf)
während kontinuierlichem Rütteln befüllt und die Oberfläche bündig zur
Gefäßkante abgestrichen. Anschließend wird dieses Gefäß gewogen und das
Gewicht durch das Volumen geteilt. Somit ergibt sich die Frischbetonrohdichte,
die Grundlage für weitere Berechnungen (1.e).
Frischbetonrohdichte =
19,5kg
= 2.437,5 kg / dm³
8 ⋅ 10 −3 l
d. Luftporengehalt:
Der in 3.c. befüllte LP-Topf wird nun mit dem zugehörigen Deckel versehen,
der noch verbliebene Raum zwischen Betonoberfläche und Deckel-Unterkante
mit Wasser befüllt und die seitlichen Ventile geschlossen. Anschließend wird
über den Kolben der Druck aufgebaut, bis sich das Druckmanometer auf der
roten Farbmarkierung einpegelt. Mit der Korrekturtaste lässt sich ein etwaiger
geringer Überdruck regulieren. Sind alle Vorbereitungen getroffen, wird der
Vorgang mit der „Test“-Taste ausgelöst. Dieser Versuch zeigt jetzt einen
Luftporengehalt von 1,8 %, somit liegt der Wert 0,3 % über unserer
Anforderung. Der Inhalt des Behälters muss anschließend verworfen werden,
die Betonmasse steht nicht mehr für weitere Zwecke zur Verfügung.
4. Herstellen der Probekörper:
Nach Vollendung der Prüfungen werden die Formen der Probekörper auf dem
Rütteltisch vollständig befüllt und verdichtet. Die Körper werden jetzt einen Tag
lang ruhen, bis die Zementkristalle ausreichend Festigkeit erlangt haben. Gerade
auf Baustellen und bei größeren Betonkörpern ist darauf zu achten, dass
während des Abbindeprozesses der Feuchtigkeitsgehalt der Betonoberfläche
konstant bleibt. Hier ist eine ordentliche Nachbehandlung von Nöten. Nach
Abschluss der Abbindezeit werden die Körper ausgeschalt und in einem
Wasserbad bis zum siebten Tag gelagert. Anschließend werden die Probekörper
nach der Dry-Methode bis zum 28. Tag trocken an Luft gelagert.
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5. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung:
Die Ergebnisse aus der Stoffraumrechnung und der Prüfung ergeben eine
Konsistenz, welche den vorgeschriebenen Mehlkornanteil von 450 kg/m³ um
13,3 kg/m³ überschreitet. Ebenfalls ist die Anforderung einer weichen
Konsistenz nach C3 mit einem Wert von 1,32 nicht erfüllt. Es bleibt zu klären,
in wieweit ein, im Vorfeld, höher gewählter Wasseranteil, in der Stoffraum- und
Mischungsrechnung diese Normbereiche abdecken würde. Ebenfalls weist unser
Beton einen um 0,3% höheren Luftporenanteil auf, als es unsere Betonanforderung vorsieht.
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