Entwicklung Optimum Beton INTERREG

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1 B A S Bericht: Betreff: Entwicklung Optimum Beton INTERREG Datum des Rapports: 26. März 2015 Projektname: Optimum Betonbau Projektnummer: Datum der Studie: 1 April Mӓrz 2015 Autor: Dr. S. Leurs / Ing H.M.A. Pero Thema: Schlagworte: Endbericht Betonsensoren, -algorithmen, -messungen, -kontrolle

2 Seite 2 von 73 Vorwort Im Jahr 2013 stellte B A S und BGT einen Antrag auf Interreg- Subvention (IV A Deutschland Niederlande) für das Optimum Beton Projekt. Ziel war es, die Innovation im Traditionellen Betonbau voranzubringen. Im Bausektor dauert es oft lange, bis Innovationen akzeptiert werden. Jedoch beobachtet B A S und BGT eine Nachfrage zur Weiterentwicklung Prozess Sensoren in fünf Forschungsgebieten, nämlich den realtime Messungen auf dem Gebiet des Wasserzementwerts, Erstarrungsverhalten, Frischbetondruck, Dauerhaftigkeit und Tnhermische Spannungen in jungem Beton. Nachdem das Projekt genehmigt wurde, wurde das Projekt von April 2013 bis März 2015 durchgeführt. Die Resultate werden im folgenden Bericht wiedergegeben. B A S Research & Technology / BGT April 2015

3 Seite 3 von 73 Zusammenfassung Im Zuge von Interreg IV wurde ein Entwicklungsprojekt definiert für die Anwendung innovativer Messmethoden (Sensoren) an frischem Betonmörtel. Diese Messmethoden müssen dem Baupersonal konkrete Informationen zur Verfügung stellen wodurch einerseits Kosteneffizienter gebaut werden kann und andererseits die Betonqualität verbessert werden kann. Konkret wurden 5 Bereiche identifiziert für die in diesem Projekt Mess-Algorithmen entwickelt und validiert werden müssen so dass in der Folge Sensoren entwickelt und auf den Markt gebracht werden können. Die 5 Bereiche sind: A. Messen von Erstarrungsverhalten an frischem Betonmörtel B. Messen des aktuellen Wasserzementwerts an frischem Betonmörtel C. Kalibration des Betongemischs um die Betoniergeschwindigkeit zu bestimmen als Funktion des maximalen Frischbetondrucks D. Messen von Durchlässigkeit an Frischbeton E. Entwicklung eines Berechnungsmoduls, das rissfreie Massenbetonverarbeitung ermöglich indem der Beton gleichzeitig gekühlt und erwärmt wird. Die Projektpartner sind B A S Research & Technology und BGT, wobei B A S die Messmethoden, Algorithmen und die Sensoren entwickelt und BGT die Vermarktung, Positionierung und Produkt /Markt Kombinationen definiert. In diesem Projekt wurden erfolgreiche Messmethoden, Algorithmen und Konzepte für Sensortechnologie für die Bereiche A, B und C entwickelt. Bereich D wurde intensiv untersucht, jedoch wurde keine erfolgreiche Messmethode entwickelt. Bereich E hat zu einer angepassten Modellerstellungsmethodik geführt. Der Projektpartner B A S hat die Intention die in diesem Projekt entwickelten Messmethoden und Algorithmen in Sensoren weiterzuentwickeln und diese auf den Markt zu bringen. Während des Projekts wurden Grundlegende neue Erkenntnisse durch Publikationen, Events und auf Messen geteilt. Ferner wurde ein Beirat geformt, bestehend aus Deutschen und Niederländischen Vertretern aus der Betonindustrie sodass sichergestellt wird, dass das erworbene Wissen breit gestreut wird. Der vorliegende Bericht und Träger wurden auf dem Webportal des Projekts publiziert und können durch Interessierte abgerufen werden. Das Projekt hat gezeigt dass eine Kundennachfrage besteht, diese Messmethoden und die noch zu entwickelnden Sensoren zum Einsatz zu bringen. Dies hat dazu geführt, dass bereits jetzt Arbeitsplätze entstanden sind um dies in der nahen Zukunft zu verwirklichen. Die Messmethoden und Algorithmen die im Projekt entwickelt wurden können International Anwendung finden und beschränken sich bei weitem nicht auf die Niederlande und Deutschland. Es ist jedoch so, dass Produktentwicklung, Produktion, Vermarktung, und Kundenservice in der Interreg Region Rhein-Maas-Nord stattfinden, damit in dieser Region Wirtschaftlicher Wert kreiert wird.

4 Seite 4 von 73 Inhaltsangabe 1 Einleitung Wasserzementwert Erstarrungsverhalten / Frischbetondruck Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Rissbildung in Frischbeton Ziele und Arbeitsweise Forschungsbereiche Erstarrungsverhalten Theorie Literaturstudie Bestehende Messmethoden Wasserzementwert Theorie Literaturstudie Bestehende Messmethoden Frischbetondruck Theorie Literaturstudie Rissbildung in Frischbeton Theorie Literaturstudie Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Theorie Bestehende Messmethoden Forschungsaufbau Erstarrungsverhalten Parameter Hypothesen Angewandte Messmethoden Resultate Wasserzementwert Parameter Forschungsfragen Angewandte Messmethoden Frischbetondruck Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Parameter Hypothesen Angewandte Messmethoden Resultate Erstarrungsverhalten Humm-sonde Verbesserte Humm Messung Ultraschall Knetbeutel Temperaturanstieg Wasserzementwerte Radar Methode Dielektrische Widerstandsmessung Frischbetondruck Humm-Sonde und Knetbeutel Druckresultate Rissbildung in Frischbeton Bildgebende Forschung Praxisfall Simulation an das aktuelle Sensorsystem Koppeln Vorhersage der Dauerhaftigkeit... 63

5 Seite 5 von 73 5 Fazit und Empfehlungen Erstarrungsverhalten Humm-Sonde Verbesserte Humm Messung Ultraschallmessung Knetbeutel Fazit Wasserzementwert Hochfrequente Radarmethode Dielektrische Widerstandsmessung Fazit Frischbetondruck Vergleich verschiedener Rechenmethoden Fazit Rissbildung in Frischbeton Finite-Elemente Analyse Fazit Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Messung Durchlässigkeit Fazit... 72

6 Seite 6 von 73 1 Einleitung Der Bausektor ist ein traditionelles Arbeitsumfeld in dem Prozessoptimalisierungen und Innovationen nur mühsam zustande kommen. Dies ist auch der Fall für Innovationen auf dem Gebiet des Monitorings und der Sensortechnologie. Zusätzlich werden Innovationen in der heutigen Gesetzgebung nicht stimuliert. Die Reglementierung ist nämlich nicht auf den Prozess gerichtet, sondern auf die Endergebnisse. Die Einführung neuer Technologien in der Form von Monitoring und Sensortechnologie könnte zu beträchtlichen Kostenersparnissen führen (sowohl bezüglich der Schadenskosten, als auch in der Prävention von Überdimensionierung) und gleichzeitig die Qualität des gelieferten Produktes verbessern. B A S und BGT hat durch seine real-time Temperatur- und Reifemesslösungen internationale Erfahrung und Martkakzeptanz erworben. Baufirmen haben bemerkt, dass sie kostentechnisch optimaler Arbeiten können, wenn das Baupersonal Zugang zu frühzeitigen Festigkeits- und Temperatur Daten von relevanten Betonier vorgängen hat. Diese Information sorgt für eine Optimalisierung im Gebrauch von Schalung, Zykluszeiten (Balance zw. Kosten / Nutzen, Mängelvermeidung, Bauzeit, Bauplatzkosten) und führt zu einer Verbesserung der Betonqualität (Einsicht in Temperaturspannungen, Sichtbeton, effektive Nachbehandlung vor allem im Winter). B A S und BGT haben herausgefunden, dass die Marktakzeptanz vor allem der Einfachheit in der Fernbedienung der Sensoren durch Spezialisten zu danken ist. Das sogenannte Concremote System hat keine Knöpfe auf der Hardware (den Sensoren) und bei Benützung ist kein Betontechnisches Fachwissen beim Baupersonal vorausgesetzt um mit den Messungen zu beginnen. Die Messdaten sind über ein Webportal von allen Beteiligten gleichzeitig erreichbar. Dies führt zu einem Resultatgerichteten Dialog zwischen dem Baupersonal vor Ort und remote Spezialisten (Bautechniker, Ingenieure, Qualitätsmitarbeiter, etc.). Hier zeigt sich, dass das Baupersonal einfache und deutliche Anweisungen benötigt, welche sich positiv auf die tägliche Routine auswirken. B A S und BGT sehen im Moment ein Kundenbedürfnis nach der Ausweitung von obigen Services mit folgenden Features: - Instant Check des Wasserzementwerts ; - Real-time Messung der Erstarrung; - Optimalisierungsmodell Frischbetondruck (Überdimensionierung vermeiden); - Check der Dauerhaftigkeit des an die Baustelle gelieferten Betons; - Vermeidung von Rissbildung in Frischbeton. 1.1 Wasserzementwert Wenn Beton mit einem falschen Wasserzementwert geliefert wird, können die Folgen fatal sein. Ein falscher Wasserzementwert kann zum Beispiel zu Rissbildung durch Schwund führen und damit die Dauerhaftigkeit des Bauwerks erheblich beeinflussen. Ein falscher Wasserzementwert kann deshalb noch zu einer anderen Druckfestigkeit als gewünscht führen. Wenn vorher klar ist dass ein falscher Wasserzementwert geliefert wurde, kann die Lieferung zurückgeschickt werden oder Maßnahmen getroffen werden. Dadurch werden Mehrkosten wegen Mängeln vermieden. Hierdurch kann auch bei Reifemessungen nachgebessert werden. Für Reifemessungen werden sogenannte Kalibrierkurven angewandt. Diese sind u.a. abhängig vom Wasserzementwert. Dies bedeutet dass wenn ein falscher Wasserzementwert geliefert wird, die Vorhersage der Festigkeit fehlerhaft wird. Wenn dies bekannt ist, kann nachgebessert werden. Dies kommt der Qualität des Beton-Endproduktes zugute. 1.2 Erstarrungsverhalten / Frischbetondruck Das Erstarrungsverhalten umfasst die ersten Stunden nach dem Betonieren. In den ersten Stunden hat der Beton noch keine Tragfähigkeit und übt große Kräfte auf die Schalung aus. Hierbei spielt das Erstarrungsverhalten eine große Rolle. Wenn das Erstarrungsverhalten des Betons gemessen werden kann bedeutet das, dass Überdimensionierung der Schalung nicht mehr nötig ist und so die dabei entstehenden unnötigen Kosten vermieden werden können. Auch kann die Betoniergeschwindigkeit optimalisiert werden, was Zeitersparnis im Bauprozess bedeuten kann.

7 Seite 7 von 73 Neben Vorteilen für die Schalung kann anhand des Erstarrungsverhaltens der richtige Zeitpunkt für das Nachbehandeln genau bestimmt werden. Dies ist Heute nur eine Frage subjektiver Erfahrung des Baupersonals. Nachbehandlung und Weiterverarbeitung im richtigen Moment kann spätere Schäden (und damit Schadenskosten) vorbeugen und liefert ein qualitativ hochwertigeres Produkt. 1.3 Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Dieser Teil der Forschung umfasst eine Vorhersage der zu bestimmenden Dauerhaftigkeit. Die Vermutung besteht, dass man durch Messungen am frischen Beton die Dauerhaftigkeit des gelieferten Betons auf lange Sicht bestimmen kann. So ist es möglich im Vorhinein zu erkennen in welcher Zeitspanne der Beton degradiert und wann dies sichtbar wird. Dies kann dann im Instandhaltungsplan der Betonkonstruktion mitbedacht werden. 1.4 Rissbildung in Frischbeton Beim Betonieren von besonders großen (Massiv)Betonkonstruktionen kann durch thermische Schwund schon in einer frühen Phase Rissbildung entstehen. Später müssen diese Risse dann repariert werden. Dies führt natürlich zu Verzögerungen und extra Kosten. Dieses Problem kann durch eine akkurate Modellierung der auftretenden (Wärme)Spannung gelöst werden. Das Gemisch und die Durchführung (Betonierplan) können hierdurch so angepasst werden dass Rissbildung in Frischbeton vermieden wird. Zusätzlich muss untersucht werden, ob zusätzliches Kühlen und Heizen des Betons die Spannungen weiter verringert und somit Rissbildung verhindert wird. 1.5 Ziele und Arbeitsweise Ziel der Studie ist die Entwicklung und Validierung von Algorithmen und Prototypen für Sensoren um Echtzeitmessungen in den oben beschriebenen Bereichen durchzuführen. Hierbei wurde vor allem die Situation in Westeuropa berücksichtigt. Die Studie wird nicht nur unter Laborkonditionen durchgeführt, sondern auch in Kalt- und Warmwetter bedingungen. Auf diese Art und Weise umfasst die Studie ein sehr realistisches Marktkonzept. Um zu einem wirksamen Resultat zu gelangen wurde mit einer sehr ausgedehnten Literaturstudie nach weltweit bereits bestehenden Methoden begonnen. Diese Literaturstudie wurde als Basis für das weitere Vorgehen genutzt. Die Studie legt ihr Augenmerk auf verschiedene Forschungsbereiche die wichtig sein könnten, wie zum Beispiel die oben genannte Temperatur, diverse (in den Niederlanden und Deutschland verwendete) Zementsorten, verschiedene (in der Praktik angewandte) Wasserzementwerte und der Gebrauch von PCE s. Die Resultate der Studie und die daraus entstehenden Schlüsse werden im vorliegenden Bericht detailliert dargelegt. 2 Forschungsbereiche 2.1 Erstarrungsverhalten Theorie Im Bau von Betonkonstruktionen ist das Timing der Fertigstellung und Nachbehandlung kritisch für die Produktqualität und um Schäden in der Zukunft zu vermeiden. Dieses Timing basiert in der heutigen Praxis meist auf persönlicher Erfahrung oder auf Methoden die viel Interpretationsspielraum lassen. Wenn das Erstarrungsverhalten in Echtzeit gemessen werden kann ist es möglich, im richtigen Moment ein Signal an die Baustelle zu senden um die Nachbehandlung zu beginnen. Zusätzlich ist Erstarrung ein wichtiger Parameter für die Schalung. Projektspezifische Schalung ist oft überdimensioniert weil zu wenig Wissen vorhanden ist mit Bezug auf das Erstarrungsverhalten. Verbesserung der Kompetenz und das Überwachen des Erstarrungsverhaltens führen zu einem besseren Kostenmanagement.

8 Seite 8 von Literaturstudie a Verhältnis Erstarrungsverhalten und Zeit Die wichtigsten Reaktionsprodukte während des Aushärtens von Beton sind Calcium Silizium Hydratat (weiterhin CSH genannt) und Calciumhydroxid (weiterhin CH genannt). Die Entwicklung dieser Produkte wird in der untenstehenden Grafik für einen Standard Portland Zement wiedergegeben. Wenn wir über Erstarrungsverhalten sprechen, so meinen wir über die ersten Stunden nach dem Betonieren (der Bereich in Rot). Abbildung 1: Entwicklung von CSH und CH in einem Portlandzement. Es gibt einschlägige Literatur zur sogenannten Anfangs- und Ende Bindung ( Initial- und Final Set ) und die meisten Testmethoden betreffen diese Punkte im Hydratationsprozess des Betons. Unsere Studie hat jedoch gezeigt, dass der Beton zu diesen Zeitpunkten oft schon eine sichere Tragfähigkeit erreicht hat und dass das Nachbehandeln bereits begonnen haben sollte bevor diese Punkte erreicht werden. Darum führt diese Studie zwei neue Definitionen ein, nämlich Anfangs Erstarrung (Initial stiffness) und Ende Erstarrung (final stiffness). In der untenstehenden Grafik ist dieses Gebiet schematisch dargestellt, zusammen mit dem Initial- und Finalset das sich in der Literatur findet. Initial stiffness Final stiffness Abbildung 2: Schematische Darstellung der Begriffe Anfangs- und End-Erstarrung Zusätzlich sollte erwähnt werden, dass die Messmethoden die sich in der Literatur finden häufig auf Mörtelproben und nicht auf Beton beruhen. Hierdurch lässt sich die Messmethode in einem Labor durchführen und ist damit weniger / nicht auf die praktische Anwendung gerichtet. Die meisten Tests die man in der Literatur findet, sind mit den Parameter Eindringung (Humm, Vicat, ASTM C403, Knetbeutel) verbunden. Die bei Normierung festgelegten Messmethoden werden im Abschnitt über Bestehende Messmethoden weiter behandelt.

9 Seite 9 von 73 Temperatur, Reife und Zeit haben alle zu tun mit der Festigkeitsentwicklung. Außerdem ist eine Ultraschall-Messmethode vorhanden. In diversen Studien wurde beschrieben dass die Anwendung von Betonzusatzmittel Einfluss auf das Erstarrungsverhalten hat. Siehe auch untenstehende Grafik 1. Abbildung 3: Dormante Periode mit und ohne PCE Betonzusatzmittel b Verhältnis Erstarrungsverhalten und Reife Zunächst wurde über die Beziehung zwischen Erstarrung und Temperatur gesprochen. Eine geeignetere Einheit ist möglicherweise die Reife, diese Größe wird abgeleitet aus der Aushärtungszeit in Kombination mit der Temperatur. Mit Reife lässt sich angeben wie weit der Beton sich bereits entwickelt hat. Diese Größe wird benützt um die Festigkeitsentwicklung des Betons in der Zeit feststellen und Messen zu können. In den Niederlanden und in Deutschland wird gebrauch gemacht von der sogenannten gewichtete Reife (nach de Vree), hierbei werden die Temperatur Empfindlichkeit Eigenschaften der Zementsorte als Faktor miteinberechnet (C-Wert). Es besteht die Vermutung dass hiermit das Element Zementsorte, Zeit und Temperatur eliminiert werden kann indem man den Anfang und das Ende der Bindung festlegt.. Die gewichtete Reife laut de Vree wird mithilfe folgender Formel berechnet. R g Hier ist ( 0, 1T 1, 245) ( ) 10( C C = ln C R die gewichtete Reife bestimmt über den Zeitraum von 1 Stunde, C ein Wert spezifisch für den g benutzten Zement und T die durchschnittliche Betontemperatur in dieser Stunde. In den Vereinigten Staaten wurden verschiedene Studien durchgeführt bei denen ein Zusammenhang zwischen Erstarrungsverhalten und der Reife sichtbar wird. In den Studien aus der Literaturstudie wurde die sogenannte equivalent age method angewendet. Diese Methode unterscheidet sich jedoch von der in den Niederlanden und Deutschland angewendeten Gewichtete Reife. Bei dieser Methode spricht man vom sogenannten equivalent age die anhand der folgenden Formel berechnet wird: t e e t = E 1 1 exp t R Tc T r t ist hierbei ein Äquivalent für die Referenz der Curing Temperatur (h), Zeitintervall, TCdie durchschnittliche Temperatur im Beton, R benötigte Aktivierungs-Energie und R die universale Gaskonstante (8,314 J/mol K). t ist der chronologische T eine konstante Referenztemperatur, E die Die Aktivierungs-Energie berücksichtigt die Temperatur Empfindlichkeit der Betonmischung und hat dieselbe Funktion wie der C-Wert bei der Methode nach de Vree. 1 Publiziert in Bauportal Nr. 3, März 2010 (spezial über Frischbetondruck)

10 Seite 10 von 73 Mithilfe dieser Methode wurde in der Zeitschrift Journal of materials in civil engineering (ASCE) vom März 2010 eine Studie nach dem Link zwischen Erstarrungsverhalten und Reife beschrieben. Dabei wurde OPC, Beton mit Hochofenschlacke und Beton mit Flugasche untersucht. Die Studie wurde unter drei verschiedenen Temperaturumständen ausgeführt. Aus der Studie der Amerikaner folgt dass eine Beziehung zwischen der Reife und dem Erstarrung, gemessen nach der ASTMC403 Methode (beschrieben im folgenden Paragraph). Bei der untersuchten Betonmischung hatte die Temperatur keinen Einfluss auf den Wasserzementwert. Das Hinzufügen von Flugasche hatte jedoch einen Effekt auf das Äquivalente Alter. Siehe auch untenstehende Grafiken. Abbildung 4: (Reife). Widerstand über Zeit und äquivalentes Alter Abbildung 5: Resultate bei verschiedenen Wasserzementwerten und Zementsorten. Die Beziehung zwischen Erstarrungsverhalten und Reife findet sich auch in einer Nordtest Methode (NT Build 476). Diese Testmethode beschreibt, dass der Beton versteift ist wenn 12,5 kj Wärme pro kg Zement produziert werden. Diese benötigte Energie wird anhand der Temperaturentwicklung im Beton berechnet Bestehende Messmethoden a In der Literaturstudie wurden diverse Messmethoden betrachtet. Die folgenden wurden als potentielle Forschungsmethoden ausgewählt: - EN 196-3: Vicat - ASTM C403 - Österreicher Würfel - NEN-EN 2743: Humm-Sonde - Ultrasonic Solid Check - DIN 12218: Knetbeutel EN 196-3: Vicat Dieser Test wird bei Mörtel (Zement und Wasser) durchgeführt. Die Eindringtiefe wird regelmäßig von einer sogenannten Nadel gemessen. Bei einer bestimmten Eindringtiefe ist der Anfang der Bindung erreicht. Wenn die Nadel nicht mehr in den Mörtel eindringen kann ist das Ende der Bindung erreicht.

11 Seite 11 von 73 Abbildung 6: Vicat Gerät. Vorteile: Gut regelbar / automatisierbar / messbar Nachteile: Test an Mörtel (nicht auf der Baustelle anwendbar). Basiert auf Anfang und Ende der Bindung und nicht auf dem Erstarrungsverhalten. Der Test muss unter Laborumständen ausgeführt werden (abweichend von der Praxis) b ASTM C403 Die Messaufstellung für den Test gemäß ASTM C403 besteht aus der Aufstellung in der untenstehenden Abbildung. De ASTM C403 Prüfgerat wird an einem gesiebten Betonmörtel durchgeführt (4,75 mm Siebgröße). In regelmäßigen Abständen wird der Widerstand gemessen, der benötigt wird, damit eine Nadel in den Mörtel eindringen (25 ± 5 mm in 10 ± 2 Sekunden). Die benötigte Kraft kann in der Anzeige abgelesen werden. Wenn ein Widerstand von 3,4MPa erreicht wird (benötigte Kraft geteilt durch die Oberfläche der Nadel) ist der Bindungs Anfang erreicht. Der Widerstandswert von 27,6MPa zeigt das Ende der Bindung an. Abbildung 7: Test ASTM C403

12 Seite 12 von 73 Vorteile: Nachteile: Gut automatisierbar / messbar Test an gesiebtem Betonmörtel (nicht auf der Baustelle anwendbar. Basiert auf Anfang und Ende der Bindung und nicht auf dem Erstarrungsverhalten. Der Test muss unter Laborumständen durchgeführt werden (abweichend von der Praxis) c Österreicher Würfel Neben der Eindringtiefe finden sich in der Literatur Hinweise dass sich der Anfang des Erstarrens auch anhand des Temperaturverlaufs über Zeit messen lässt 2. Eine Illustration hiervon findet sich in der Grafik unten. Abbildung 8: Temperaturverlauf im Bindungsprozess In Österreich besteht eine Richtlinie für selbstverdichtenden Beton in der diese Methode beschrieben wird. Hierin wird ein Test umschrieben mit dem sich das Ende der Bindung bestimmen lässt. Der getestete Beton befindet sich dabei in einem semi-adiabatischen Würfel von 200x200x200mm. Regelmäßig werden Temperaturmessungen durchgeführt. Das Ende der Bindung wird bei einem Temperaturanstieg von 3K festgelegt (selbstverdichtender Beton). Abbildung 9: 200 x 200 x 200 mm Würfel Vorteile: Nachteile: Gut auf der Baustelle ausführbar / automatisierbar / messbar 3 K werden nur bei selbstverdichtendem Beton festgestellt, über normalen Beton ist nichts bekannt. Entwicklungsprozess d NEN-EN 2743: Humm-Sonde Diese Testmethode wird auf monolithischen Betonböden angewandt. Während des Tests werden zwei Eimer mit Betonmörtel gefüllt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die Eindringtiefe mithilfe einer Humm- Sonde gemessen. Die Humm-Sonde ist eine dicke Nadel (± 20 mm) mit einem Fallgewicht (0,5 kg). Bei jeder Messung setzt man die Humm-Sonde senkrecht auf den Beton auf. Dann wird das Fallgewicht 25x angehoben und die Eindringtiefe gemessen. Die Messung ist fertig, wenn die Eindringung weniger als 20mm beträgt. In der Norm wird angemerkt, dass sich in der Praxis gezeigt hat, dass eine Eindringung von 35mm häufig ein guter Moment ist um zu beginnen mit der Fertigstellung des Betonbodens 2 Erstarrungsverhalten von SVB, Graubner, Kaiser und Proske, Darmstadt concrete 21 (2006)

13 Seite 13 von 73 Abbildung 10: Humm-Sonde Vorteile: Nachteile: Gut auf der Baustelle ausführbar Schlecht zu automatisieren / Messung beeinflussbar durch den Ausführenden (bei schiefer Haltung der Nadel). Hinzufügen von Verdichtungsenergie durch das Ausführen der Messung (Fallgewicht) e Ultraschall Messung Seit kurzem gibt es auf dem Markt Messsysteme für Messungen auf Basis von Ultraschallwellen. Ein solches System ist im unteren Bild zu sehen. Auf der Baustelle wird der Würfel der auf der Abbildung zu sehen ist mit Beton gefüllt. Wenn der Beton erstarrt ist meldet der Apparat dass das Ende der Bindung erreicht ist. Abbildung 11: Ultraschall Messapparat. Vorteile: Nachteile: Praktische Methode auf der Baustelle. Messmethode dauert genau so lang wie die tatsächliche Bindung dauert. Keine Möglichkeit zur Vorhersage (zu spät für z.b. die Dimensionierung der Schalung). Nur Ende der Bindung. Messung an Probe, nicht am Betonelement selbst (die Probe hat möglicherweise eine andere Bindung als das Betonelement). In der Literatur wird eine Studie beschrieben in der ein Link gelegt wird zwischen der Ultraschall Messmethode und der Festigkeitsentwicklung des Betons 3. Die in diesem Dokument beschriebenen Tests gebrauchen akustische-ultraschall Messmethoden. Die Tests wurden mit einem Standard Würfel durchgeführt der an beiden Seiten Transducer hat. Zusätzlich wurden Messungen mit dem Proceq Pundit Gerät (Ultraschall Pulsgeschwindigkeit) durchgeführt. Die Resultate der Studie werden in den unteren Abbildungen dargestellt. Aus den Resultaten von Messungen die mit CEMI und einem CEMIIIB erfolgten lässt sich erkennen, dass ein linearer Verband besteht zwischen der relativen Amplitude der Ultraschallmessung und der Festigkeitsentwicklung. 3 Monitoring strenght development in concrete (acousto-ultrasonic methods) CPI Concrete plant international

14 Seite 14 von 73 Abbildung 12: Beziehung zwischen relativer Amplitude und der Druckfestigkeit. Im Projekt hatten wir einen Ultraschall Apparat zur Verfügung (Proceq). In der Regel wird dieser bei hartem Beton angewandt. Während einer Test Betoniervorgang wurde mit Ultraschall Pulsgeschwindigkeit untersucht was während des Erhärtens des Betons geschieht. Es wurde schnell klar, dass vermutlich ein Umschlag besteht im erreichen der Anfangssteifigkeit. Für die Anwendung wird ein angepasster Würfel benötigt (bevor die Transducer befestigt werden). Der Testaufbau ist unten zu sehen. Abbildung 13: Testaufbau Vorteile: Nachteile: Vermutlich kann hiermit die Anfangssteifigkeit festgestellt werden. Automatisierbar. Anwendbar auf der Baustelle. Noch keine erwiesene Methode. Entwicklungsprozess. Verhältnis Testprobe und Betonelement muss noch näher untersucht werden.

15 Seite 15 von f DIN Knetbeutel Der Knetbeutel Test besteht darin, in einen mit Beton gefüllten Plastikbeutel zu kneifen. In regelmäßigen Abständen wird dabei festgestellt in welcher Phase der Beton sich befindet. Die Phasen sind in der Unteren Tabelle angegeben. Beim Erreichen der Phase 6 (Eindrückbarkeit von 1mm) ist der Beton erstarrt. Vermutlich ist Phase 6 gleichzusetzen mit dem ende der Erstarrung (Erstarrungsende). Konsistenz Beschreibung 1 Flüssig Frischer Beton 2 Weich Etwas erhärteter Beton 3 Plastisch Knetbar 4 Steif Eindrückbar bis zu maximaler Tiefe von 30 mm 5 Semi-fest Eindrückbar bis zu maximaler Tiefe von 10 mm 6 Erstarrt Weniger als 1mm Eindrückbar Tabelle 1: Phasen in der Betonerhärtung nach Knetbeutel. Vorteile: Nachteile: Leicht ausführbarer Test (keine spezielle Apparatur nötig). Auf der Baustelle ausführbar. Sehr subjektiv (Resultate sind abhängig von der ausführenden Person). 2.2 Wasserzementwert Theorie Der Wasserzementwert ist das Verhältnis zwischen Wasser und Zement im Beton. Der Wasserzementwert ist eine wichtige Kontrollparameter für die Betonqualität. Es gibt jedoch keinen einfach auszuführenden Test um den aktuellen Wasserzementwert an frischem Betonmörtel zu testen. Ein falscher Wasserzementwert kann zum Beispiel durch Schwund zu Rissbildung führen oder zu Abweichungen in der Betondruckfestigkeit. Dies kann die Lebensdauer der Betonkonstruktion beeinflussen. Weiterhin kann das Messen des aktuellen Wasserzementwerts zur Verbesserung von aktuellen real-time Reife-Messungen führen. Die Reifemethode berechnet die Festigkeitsentwicklung anhand der gemessenen Zeit/Temperatur. Hierfür wird eine Kalibrierkurve benötigt, die unter anderem durch den Wasserzementwert beeinflusst wird. Wenn der gelieferte Betonmörtel einen abweichenden Wasserzementwert aufweist, kann diese Klaibrierkurve angepasst werden und so das Messresultat optimalisiert. Dies resultiert in einer verbesserten Berechnung der aktuellen Druckfestigkeit Literaturstudie a Dielektrischer Widerstand In einer Publikation (ACI materials journal Dezember 2010) ist die Rede von einer erfolgreichen Messmethode für das Bestimmen des Wasserzementwerts von Mörtel anhand einer Dielektrischen Messmethode. In dieser Studie wurde mithilfe einer sogenannten Wenner Probe ein Zusammenhang gefunden zwischen dem Wasserzementwert und der Dielektrischen Konstante. Mithilfe der Wenner- Probe können Messungen stattfinden an der Durchlässigkeit von erhärtetem Beton. Bei dieser Methode wird die Wenner Probe im frischen Betonmörtel platziert. Dies wurde jedoch nur mit Portland Zement (OPC) und Betonmörtel mit einer kleinen Menge von Flugasche und nur unter Laborkonditionen durchgeführt. Die Messung wird mittels des unten dargestellten Sensors durchgeführt. Der Sensor besteht aus vier RVS Elektroden im Abstand von 2,5cm voneinander. Weiterhin besteht der Testaufbau aus einer Stromquelle und einem Widerstand (160Ω). Die zwei äußeren Elektroden des Sensors werden an den Stromkreislauf angeschlossen. Die Stromversorgung muss eine Spannung von 1,5V (AC) mit einer 1kHz Sinuswelle liefern. Voltmesser werden an den bekannten Widerstand und auf den inneren Elektroden angeschlossen. Mithilfe des gemessenen Spannungsunterschieds über den bekannten Widerstand kann die Stromstärke bestimmt werden (Ohm sches Gesetz). Sobald diese bekannt sind kann der elektrische Widerstand des Betons anhand des gemessenen Potentialunterschieds und der berechneten Stromstärke berechnet werden.

16 Seite 16 von 73 Abbildung 14: Messsensor. Das Schaltbild der Messprozedur ist unten dargestellt. Abbildung 15: Schaltbild Abbildung 16: Schaltbild Sensor b Radar Messungen Die Deutsche Firma Imko hat kürzlich eine experimentelle Messmethode entwickelt, die auf Hochfrequenter Radartechnologie basiert. Die Methode misst den Feuchtigkeitsgehalt von Betonmörtel und mittels der vorher bekannten Menge Zement kann folglich der Wasserzementwert berechnet werden. Nachteil der Meisten Sonden ist jedoch, dass diese an dem verwendeten Zuschlagmaterial geeicht werden müssen. Die meisten Sonden sind nämlich basiert auf Mikrowellen. Die Hochfrequente Radarpulstechnologie kann theoretisch ohne Kalibrierprozedur durchgeführt werden. Die Wasserzementfaktor Analyse funktioniert via Trime TDR-Technologie (Time-Domain-Reflectometry). Von der Sonde aus wird ein hochfrequenter Radarpuls (1GHz) ausgesendet. Die Reflektion dieses Pulses wird in der Sonde als EC-Trime Parameter (elektrische Leitfähigkeit mit der Einheit ds/m). Während der Studie wurde die folgende Grafik erstellt. Aus der untenstehenden Grafik lässt sich folgern dass über Zeit ein konstanter Parameter gefunden wurde, der zu einem bestimmten Feuchtigkeitsgehalt gehört. In der Grafik werden der Feuchtigkeitsgehalt (blaue Linien) und die elektrische Leitfähigkeit (grüne Linien) dargestellt.

17 Seite 17 von 73 Grafik 1: Verhalten der EC-trime Parameter über Zeit. Betonmörtel fällt in den folgenden Messbereich: Abbildung 17: Messbereich in Betonmörtel Die Messapparatur ist geeignet für Betonmörtel in den Konsistenzklassen F2 bis F6. Die Vor- und Nachteile einer vergleichenden Studie die mit einer Radar- und Mikrowellensonde durchgeführt wurde sind in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst. Thema Radar Dielektrische wiederstand Körnung / Größe Feinanteil Kalibrierung bei Inbetriebnahme Langzeitstabilität bei schmirgelnden Materialien Temperatur Kontrolle des Wasserzementfaktors Keine Abhängigkeit von 0/2 Sand bis 8/16/32 Kies. Kein Einfluss durch feines oder gebrochenes Zuschlagmaterial. Kein Einfluss Keine Kalibrierung für Zuschlagmaterial benötigt. Feineinstellung (±0,3%) ist mit einer universellen Kalibrationskurve möglich Eine Automatische Korrektur macht einen Langzeiteinsatz mit schmirgelnden Materialien möglich.. Keine / geringe Abhängigkeit, Es gibt Sonden mit einem Messbereich bis zu 200 Grad Celsius. Wasserzementfaktor von 0,40 an möglich. Signifikante Abhängigkeit. Geringe Veränderungen im Zuschlagmaterial verlangen nach erneuter Kalibrierung der Messapparatur. Größere Zuschlagkörner führen zu Problemen. Hoher Einfluss bei variierendem Feinanteil. Bei sehr hohem Feinanteil Messprobleme. Muss per benutztem Zuschlagmaterial kalibriert werden. Nachkalibrierung notwendig. Erheblicher Einfluss. Nicht bekannt.

18 Seite 18 von 73 Messbereich Feuchtigkeitsgehalt Messung möglich bis zu 100% Feuchtigkeitsgehalt. Nicht bekannt. Tabelle 2: Vergleich Hochfrequente Radar- und Dielektrische wiederstand Bestehende Messmethoden a Trockenmethoden Die Trockenmethoden werden sowohl in der Niederländischen Norm NEN5960 (Ofentrocknen), die Ö-norm B3326: (Mikrowellen-Trocknen) und der DIN : (Pan testing method), trocknen mittels Gas beschrieben. Die Methode basiert auf dem wiegen von Proben vor und nach dem Trocknen. Wenn die Menge an Zement vorher bekannt ist lässt sich so der Wasserzementwert bestimmen. Vorteil: Nachteil: Akkurat, auf der Baustelle anwendbar. Nicht anwendbar ohne dass der Zementgehalt bekannt ist, Zeitraubend b Nuclear gauge method (ASTM C 1040) Dies ist eine Methode basierend auf Radioaktivität mit vielversprechenden Resultaten. Aufgrund des Sicherheitsrisikos darf dieser Apparat bisher leider nur von trainierten Fachleuten bedient werden. Bei dieser Methode werden zwei radioaktive Sonden verwendet. Eine der Sonden misst den Wassergehalt des Betons indem sie die Anzahl an Neutronen (ausgestrahlt von Californium-252) misst, dass durch das anwesende Wasser thermalisiert wird. Die andere Sonde misst die Menge an Photonen die durch Kalk oder andere Zementteilchen absorbiert werden.. Vorteil: Nachteil: Akkurat. Schnelle Messmethode. Kein Wissen über den Zementgehalt im Rezept benötigt. Kann nur durch trainierte Fachleute bedient werden. Kann nicht angewandt werden in Beton der Kalkhaltiges Zuschlagmaterial enthält c Radar Messungen Während der Literaturstudie erregte eine innovative Methode zur Messung des Wasserzementwerts an frischem Betonmörtel durch einen hochfrequenten Radar unsere Aufmerksamkeit. In der Literaturstudie wurde hierüber bereits das ein- oder andere erwähnt. Vorteil: Nachteil: Keine Kalibrierung nötig. Schnelle Messmethode. Zementgehalt als Input benötigt. Relativ viele Parameter müssen in das Rechenmodell eingegeben werden um zu einem Resultat zu gelangen. Abbildung 18: Darstellung hochfrequenter Radarsensor.

19 Seite 19 von Frischbetondruck Theorie Die Schalung ist im Betonbau ein signifikanter Kostenpunkt beim Realisieren von Bauprojekten. Die Schalung die im Bau benutzt wird ist im Allgemeinen überdimensioniert, da der während des Baus auftretende (horizontale) Frischbetondruck nicht mit ausreichender Sicherheit bestimmt werden kann. Wenn die Schalung versagt, sind die Konsequenzen jedenfalls immens. Die Einflussfaktoren bei der Modellierung einer Schalung zum Tragen kommen werden im unteren Schema dargestellt. Schalung Belastbarkeit Frischbetondruck Beton Erstarrungsverhalten Festigkeitsentwicklung Konsistenz Temperatur Bauprozess Betoniergeschwindigkeit Einfüllhöhe Verdichtungsmethode Temperatur Abbildung 19: Schematische Darstellung der Einflussfaktoren Frischbetondruck. In dieser Studie stehen die Materialeigenschaften im Fokus. Mithilfe von mehr wissen ist eine bessere Vorhersage des Materialverhaltens möglich. Vor allem das Erstarrungsverhalten spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Es spricht für sich, dass ein größerer und langanhaltenderer Druck auf die Schalung wirkt, wenn der Hydratationsprozess langsamer verläuft, doch der Beton bleibt länger plastisch. Der Frischbetondruck nimmt ab sobald der Beton Festigkeit und Steifheit beginnt zu entwickeln (Erstarrungsverhalten). Die Geschwindigkeit mit der betoniert wird muss an dieses Verhalten angepasst werden. Die Konsistenzklasse ist das Maß von Fließbarkeit des Betonmörtels. Abhängig von der Konstruktion werden Konsistenzklassen vorgeschrieben. Muss der Beton schnell Festigkeit entwickeln weil bereits nach ein paar Stunden die Schalung entfernt werden soll, muss der Beton weniger flüssig sein, als wenn er beispielsweise um ein dichtes Bewehrungsnetz fließen können muss. Letztlich (zum Beispiel nach 28 Tagen, ein vielfach gebrauchter Messpunkt im Betonbau) kann der Beton dieselbe Festigkeit erreichen, aber die Geschwindigkeit mit der diese Festigkeit erreicht wird variiert. Natürlich hat die Konsistenzklasse einen direkten Einfluss auf das Erstarrungsverhalten. Die Temperatur hat natürlich auch einen Einfluss auf den Hydratationsprozess. Bei einer höheren Temperatur wird der Beton schneller hart wodurch der Punkt an dem der Beton sich selbst tragen kann auch früher erreicht wird Literaturstudie In der untenstehenden Literaturstudie werden einige Modelle zur Berechnung der zulässigen Betoniergeschwindigkeit beschrieben. Mithilfe dieser Modelle wurde ein Standardbeton ausgerechnet. Der Ausgangspunkt für diese Standardsituation sind: - CEMI (OPC); - Betoniertemperatur 20 C; - Mörteltemperatur 20 C; - Spezifisches Gewicht 25 kn/m³; - Erstarrungsende 7 Stunden; - Kapazität Kiste 50 kn/m²; - Wandelement; - Betonierhöhe ±2 Meter; - Keine Verwendung von Betonzusatzmitteln.

20 Seite 20 von a NEN6722:2002 Der zu erwartende (horizontale) Frischbetondruck auf die Schalung wird für gewöhnlich vom Schalungslieferanten berechnet. In der Niederländischen Vorschrift wird der auftretende horizontale Frischbetondruck anhand von NEN6722:2002 berechnet. Der auftretende Schalungsdruck kann anhand untenstehender Grafik bestimmt werden: Grafik 2: Grafik horizontaler Frischbetondruck nach NEN6722. Hierbei werden folgende Ausgangspunkte verwandt: - Der Betonmörtel wird mithilfe von Vibrationsnadeln bis zu einer Tiefe von 1 Meter verdichtet; - Die Temperatur des Betonmörtels und die Außentemperatur betragen im Moment des Betonieres 15 C; - Es werden keine Verzögerer oder Betonzusatzmittel mit verzögernder Wirkung angewandt; - Die volumische Masse des Betons beträgt 2400kg/m³; Wenn es um eine Schalung geht die einen maximalen Frischbetondruck von 50 kn/m² tragen kann, dann bedeutet das dass die maximal zulässige Betoniergeschwindigkeit für einen Beton im Konsistenzbereich 3 ungefähr 2,75 Meter pro Stunde betragen darf. Die Betonierhöhe wird in dieser Berechnung nicht berücksichtigt. Zusätzlich haben wir einen Standard Beton bei 20 Grad definiert und die obere Grafik ist nur bei 15 Grad anwendbar Hierbei handelt es sich um eine Labormethode. Diese Bedingungen kommen so fast nie auf der Baustelle vor. Es ist jedoch ein Fakt, dass der horizontale Mörteldruck niemals höher wird als der Hydrostatische Druck b CIRIA Report 108 Neben dieser Norm wird in den Niederlanden und Deutschland auch vom Ciria Report 108 gebrauch gemacht. Dieser Rapport berechnet den Horizontalen Mörteldruck anhand der Steiggeschwindigkeit, Zementsorte und Frischbetontemperatur. Bemerkenswert ist an dieser Methode ist dass die Verarbeitbarkeit des Betons nicht berücksichtigt wurde. Laut Ciria hat dies einige Gründe, nämlich: 1. Steiferer Betonmörtel wird länger und intensiver gerüttelt als besser verbearbeitbarer Mörtel; 2. Aus Studien zeigte sich, dass kein signifikanter Unterschied im Frischbetondruck besteht zwischen niedriger, mittelmäßiger und hoher Konsistenz; 3. Die Konsistenz ist kein wichtiger Parameter für die Faktoren die den Schalungsdruck beeinflussen. Das Verlaufsmodell für den Frischbetondruck wird in der Abbildung unten dargestellt.

21 Seite 21 von 73 Abbildung 20: Verlauf des Frischbetondrucks konform Ciria Report 108. Der Schalungshersteller DOKA hat ein Rechentool entwickelt für die Berechnung der maximalen zulässigen Betoniergeschwindigkeit bei diversen Normierungen 4. Mithilfe dieses Tools wurde die zulässige Betoniergeschwindigkeit für eine Schalung mit einer Kapazität von 50 kn/m² berechnet. In dieser Methode wird die Zementsorte miteinberechnet indem der Koeffizient C2 miteinbezogen wurde. In diesem Fall wurde C2=0,30 (OPC) ausgewählt, eine Dichte von 25 kn/m³, ein Koeffizient C1 von 1 (Wandelement oder Fundament) und eine Betontemperatur von 20 Grad. Die Betoniergeschwindigkeit ist hier sehr wohl abhängig von der Einfüllhöhe. Bei einer Einfüllhöhe von 2 Metern oder weniger ist die zulässige Betoniergeschwindigkeit gleich dem hydrostatischen Druck. Bei zunehmender Einfüllhöhe verringert sich die zulässige Betoniergeschwindigkeit. So beträgt die Betoniergeschwindigkeit bei einer Einfüllhöhe von 2,01 Metern 3,61 Meter pro Stunde, wogegen die zulässige Einfüllgeschwindigkeit bei einer Einfüllhöhe von 2,50 Metern noch 3,02 Meter pro Stunde beträgt. Abbildung 21: Berechnung der zulässigen Einfüllgeschwindigkeit mithilfe der CIRIA Methode c DIN 18218: In Deutschland wurde in 2010 eine neue Norm verabschiedet mit der horizontale Schalungsdruck ausgerechnet werden kann; in DIN 18218: Der Verlauf des Schalungsdrucks laut dieser Norm ist in der untenstehenden Grafik dargestellt. In dieser Methode müssen folgende Parameter eingegeben werden: - Versteifungsende (Erstarrungsende); 4

22 Seite 22 von 73 - Referenztemperatur gehörend zum Erstarrungsende; - Umgebungstemperatur; - Einfüllhöhe - Konsistenzklasse Abbildung 22: Verlauf des Schalungsdrucks nach DIN 18218: Schalungshersteller DOKA hat ein Rechentool entwickelt, das die Betoniergeschwindigkeit mithilfe der hier beschriebenen Methoden berechnen kann. Für eine Schalung die maximal 50 kn/m² trägt, einen Beton der Konsistenzklasse F3 mit Erstarrungsende nach 7 Stunden, einer Temperatur von 20 C und einer Einfüllhöhe von mehr als 2 Metern gilt dass mit 1,81 Metern pro Stunde betoniert werden darf. Bei einer kleineren Einfüllhöhe wird die Betoniergeschwindigkeit unwichtig. Dies bedeutet dass der Druck dann ausschließlich vom hydrostatischen Druck bestimmt wird. Abbildung 23: Berechnung der zulässigen Einfüllgeschwindigkeit t mithilfe der DIN Methode d ACI In Nordamerika berechnet man den Frischbetondruck auf eine andere Weise. Bei der Methode nach ACI wird die Zementsorte mittels eines Chemischen Koeffizienten C c miteinbezogen. Das Sortengewicht wird mittels 3 Gruppen eingeteilt für den Koeffizient C w. Für ein OPC mit einem Sortengewicht von n 25 kn/m³, einer Temperatur von 20 C (68 F) und einer Schalung mit einer Kapazität von 50 kn/m² (1044 psf) beträgt die maximale Betoniergeschwindigkeit ±2 Meter pro Stunde (6,02 ft/hr). Diese Betoniergeschwindigkeit verändert sich bei zunehmender Einfüllhöhe nicht mehr.

23 Seite 23 von 73 Abbildung 24: Berechnung der zulässigen Betoniergeschwindigkeit mithilfe der ACI Methode e AS Zuletzt wurden Australische Standards betrachtet. Diese Methode ähnelt stark der CIRIA Methode. Die Zementsorte wird mittels C 2 Koeffizienten miteinberechnet. Für das Anwenden von Betonzusatzmitteln und/oder Verzögerern wird dem Koeffizienten 0,15 hinzugefügt. Für einen OPC (GP = General Purpose) mit einem Sortengewicht von 2500 kg/m³ und einer Betoniertemperatur von 20 C angewandt bei einer Kiste mit einer Kapazität von 50 kn/m² einer Einfüllhöhe von 2 Metern und wurde eine maximale Betoniergeschwindigkeit von 3,61 Metern pro stunde als zulässig ermittelt. Die zulässige Betoniergeschwindigkeit wird niedriger bei einer größeren Einfüllhöhe. Bei einer Einfüllhöhe von 2,5 Metern ist die zulässige Betoniergeschwindigkeit noch 3,02 Meter pro Stunde. Abbildung 25: Berechnung der zulässigen Betoniergeschwindigkeit mithilfe der AS3610 Methode.

24 Seite 24 von 73 In der untenstehenden Tabelle werden die verschiedenen Rechenmodelle verglichen. Methode Eingabe Zementsorte Eingabe Erstarrungsende NEN6722 NEIN NEIN JA Eingabe Konsistenzklasse Eingabe Dichte NEIN, Ausgangspunkt 2400 kg/m³ Eingabe Konstruktionsform Größere Einfüllhöhe führt zu anderem Wert? NEIN NEIN 2,75 CIRIA JA NEIN NEIN JA JA JA 3,61 DIN18218 NEIN JA JA JA NEIN NEIN 1,81 ACI 347- JA NEIN NEIN JA JA NEIN 2,00 04 AS3610 JA NEIN NEIN JA JA JA 3,61 Tabelle 3: Vergleich der verschiedenen Berechnungsmethoden für Frischbetondruck. Nur bei der Niederländischen Methode wird die Zementsorte nicht miteinberechnet. In allen anderen Methoden wird auf die ein- oder andere Art und Weise vom Erstarrungsverhalten gebrauch gemacht. Im allgemeinen in der Form eines Faktors, die dabei für mehrere Zementsorten gilt. Nur die Deutsche DIN Methode gibt dem Benutzer die Möglichkeit, das Erstarrungsende anzugeben und in der Berechnung zu berücksichtigen. Diese Methode macht eine Eichmethode per Situation (per Mischung) möglich. Max Betoniergeschwindig Beispielsituation [Meter / stunde] Um einen Eindruck vom Einfluss der Konsistenzklassen in der Ruhephase auf den Schalungsdruck zu bekommen sind hierunter zwei Grafiken angegeben. In den Grafiken lässt sich erkennen dass der Betondruck nicht zunimmt bei zunehmender Konsistenzklasse und bei zunehmender Dauer der Ruhephase. Auch der Einfluss von Temperatur und die Anwendung von PCE Betonzusatzmittel sind in untenstehenden Grafiken dargestellt. Grafik 3: Steighöhe gegen Betondruck bei verschiedenen Konsistenzklassen für einen Beton mit Ende der Ruhephase nach 7 Stunden und einer Festigkeit und Dichte von 25 kn/m³. Grafik 4: Steighöhe über Betondruck bei verschiedenen Dauern der Ruhephase. Grafik 5: Ruhephase bei 10 und 20 C.

25 Seite 25 von Rissbildung in Frischbeton Theorie Während der Errichtung von großen Betonkonstruktionen (Massivbeton) entstehen oft bereits in einem sehr frühen Stadium Risse im Beton. Die größte Ursache hierfür sind Spannungen als Folge von Temperaturunterschieden (in der Folge Gradienten genannt). Bei der Hydratation von Beton wird viel Wärme freigesetzt (exotherme Reaktion), aber der Beton selbst ist ein schlechter Wärmeleiter. Das bedeutet, dass beim Betonieren von Massivbeton große Unterschiede auftreten können zwischen den Temperaturen im Kern des Betons und an der Außenseite. Die Erhärtung an verschiedenen Stellen innerhalb des Massivbetons kann daher in sehr unterschiedlichem Tempo verlaufen. Hierdurch entstehen Verformungen und der einzige Ausweg für den Beton ist, Risse zu bilden wenn die Kapazität (Zugfestigkeit) des Materials überschritten wird. Vor allem beim Bau von Staudämmen werden bereits im Vorhinein die Kosten für die Reparatur von Schäden durch Rissbildung miteinkalkuliert Literaturstudie Die auftretende Wärmespannung kann durch die Finite-Element-Methode simuliert werden. Bei B A S wird hierfür das Programm MLS HEAT verwendet. Für eine Simulation mit HEAT müssen mehrere Materialeigenschaften bestimmt werden für das sogenannte Adiabat. Das Modell welches in dieser Studie verwendet wurde ist das Dänische Modell, beschrieben in der unteren Formel. H ( M ) = H T e b a M In dieser Formel ist H (M ) die freiwerdende hydratations-energie bei der M, HT die totale hydratations-energie und a und b die für die jeweilige Situation einzustellenden Variablen. Diese Variablen werden eingestellt indem das Modell auf die tatsächlich gemessenen Werte abgestimmt wird (fitten der Grafik). Die Simulation in HEAT resultiert in einer Spannungsberechnung und den dazugehörigen Maßnahmen, zum Beispiel einem Kühl- oder Heizungsplan und einer Empfehlung wie man während des Betonieres verfahren sollte. Die Empfehlungen beinhalten Kühltemperaturen, benötigte Isolation, minimale- und maximale Temperaturen im Beton und die Betoniergeschwindigkeit. Es ist ebenfalls möglich eine Prognose für das Entfernen der Schalung zu erstellen. Zur Zeit können diese Empfehlungen teilweise durch das B A S, Sensormesssystem Concremote eingegeben werden. In der Studie wurde untersucht, welchen Effekt diese Maßnahmen zur Vermeidung einer Überschreitung der Zugfestigkeit haben, um damit das Entstehen von Rissbildung in Frischbeton zu vermeiden. 2.5 Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit Theorie Dauerhaftigkeit ist die Beständigkeit des Betons gegen Wetterumstände, Chemikalien, Erosion, oder jeden anderen Schadensprozess. Betonschaden kann hauptsächlich in zwei Gruppen aufgeteilt werden. Nämlich die Beschädigung des Betons selbst und die Beschädigung durch die Korrosion der Bewehrung. In der Praxis geschieht meist letzteres. Einer der wichtigen Parameter mit Bezug auf das Entstehen von Bewehrungskorrosion ist die aktuelle Betonddeckung und die Qualität der Oberschicht, soll diese doch Schutz bieten gegen Stoffe die Korrosion verursachen (Kohlenstoffdioxid und/oder Chloride). Diese Dauerhaftigkeit der Oberschicht kann anhand der aktuellen Durchlässigkeit bestimmt werden. Durchlässigkeit wird immer im Bezug auf einen bestimmten Stoff gemessen. So ist die Durchlässigkeit für Luft eine andere als zum Beispiel die Durchlässigkeit für Chloride, Wasser, etc Bestehende Messmethoden a Die während der Literaturstudie gefundenen Messmethoden werden in den untenstehenden Paragraphen dargelegt.. Permea-TORR Die Messung der Durchlässigkeit ist zum Beispiel geregelt im Swiss Standard SIA 262:2003 (Concrete Construction). Die Permea-TORR arbeitet anhand dieser Norm.

26 Seite 26 von 73 Der Permea-TORR wurde durch den Argentinischen Wissenschaftler Roberto Torrent entwickelt. Der Apparat basiert auf einem Vakuum. Während des Tests wird in einer Zwei-Kammer Vakuumzelle, die am Beton befestigt wird, ein Vakuum aufgebaut. Wenn das Vakuum einen Druck von 30 mbar erreicht hat wird die innere Zelle der Vakuumpumpe geschlossen. Nun strömt die im Beton vorhandene Luft in die innere Kammer, wodurch der Druck steigt. Die Stärke der Druckveränderung ist ein Messwert für die Durchlässigkeit des Betons. Ein Druckregler sorgt dafür dass der Druck in der äußeren Kammer dem Druck in der inneren Kammer angeglichen wird. Hierdurch entsteht ein Kontrollierter Luftstrom in die innere Kammer und hieraus kann die aktuelle Durchlässigkeit mithilfe eines Modells berechnet werden. Abbildung 26: Permea-TORR Abbildung 27: Messprinzip Permea-TORR b Vorteile: Nachteile: Wennerprobe Automatisierbar, Messbar Großes Gerät (nicht praktisch auf der Baustelle), nicht klar, ob Messungen an sehr jungem Beton valide Messwerte ergeben, Messungen an frischem Mörtel nicht möglich. Die Wennerprobe ist eine Methode um den elektrischen Widerstand im Beton zu messen. Anhand dieser Messung kann Durchlässigkeit für Chloride eingeschätzt. Die Messweise wird in der untenstehenden Grafik dargestellt. An den äußersten Elektroden wird Strom angelegt, wodurch ein geschlossener Stromkreis entsteht. Durch die Messung des Potentialunterschieds zwischen den inneren und äußeren Elektroden kann der Elektrische Widerstand des Betons bestimmt werden. Der elektrische Widerstand steht im Verband mit der Durchlässigkeit für Chloride.

27 Seite 27 von 73 Vorteile: Nachteile: Automatisierbar, Messbar Nicht deutlich, ob valide messbare Werte entstehen beim Gebrauch von frischem Betonmörtel oder in sehr frischem Beton. Indirekte Messmethode (basiert auf dem Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und elektrischem Widerstand). Sehr viele verschiedene Einflussfaktoren wie z.b. Feuchtigkeit, Temperatur, etc. 3 Forschungsaufbau 3.1 Erstarrungsverhalten Parameter a In diesem Paragraph werden die verschiedenen untersuchten Parameter dargestellt. Bindemittel Bei der Wahl der Bindemittel werden spezifisch die vielfältig eingesetzten Bindemittel untersucht, die in den Niederlanden und Deutschland angewandt werden. In den Niederlanden hat CEMIIIB viel Anwendung, ein Hochofenzement, während in Deutschland oft Kompositzemente verwendet werden. Als Referenz wurde das Bindemittel CEMI 32,5 R benutzt, da dieses Bindemittel in den meisten Wissenschaftlichen Studien als referenz angewandt wird. In der untenstehenden Zusammenfassung werden die verwendeten Zementsorten angegeben: - CEMI 32,5 R - CEMIIA-LL 42,5 N (6-20% Kalkstein) - CEMIIB-S 32,5 R (21-35% Hochofenschlacke) - CEMIIB-S 42,5 N (21-35% Hochofenschlacke) - CEMIIIA 42,5 N (36-65% Hochofenschlacke) - CEMIIIB 42,5 N (66-80% Hochofenschlacke) b Temperatur Normale Studien werden grundsätzlich unter Laboratorium Umständen durchgeführt. Diese unterscheiden sich stark von den Umständen auf Baustellen. Um ein realistisches Bild zu bekommen, wurde entschieden, die Studie sowohl unter Kaltwetterkonditionen als auch unter Warmwetterumständen durchzuführen. Dadurch dass unter 5 und über 28 C bestimmte Maßnahmen gemaß Norm getroffen werden müssen, wurde entschieden, diese zwei Temperaturen zusatzlich zu untersuchen. In der untenstehenden Zusammenfassung werden die verwendeten Temperaturen (Außen / Mörteltemperatur) angegeben: c d - 5 C (Kaltwetter) / 10 C (Mörteltemperatur) - 20 C (Laborkonditionen) / 20 C (Mörteltemperatur) - 28 C (Warmwetterkonditionen) / 25 C (Mörteltemperatur) Wasserzementwerte In der Studie wurden einige Wasserzementwerten ausgewählt die aktuell in der Praxis verwendet werden. Die ausgewählten Wasserzementwerte sind in der unteren Zusammenfassung angegeben. - 0,45-0,50-0,55-0,60 Betonzusatzmittel In der Praxis wird bei niedrigen Wasserzementwerten dem Betonmischung oft Betonzusatzmittel hinzugefügt um eine gute Verarbeitbarkeit zu erreichen. Traditionelle Betonzusatzmittel verschwinden langsam vom Markt und die Verwendung von sogenannten PCE s nimmt zu. Darum wurde beschlossen, den Einfluss hiervon auf einige Mischungen zu untersuchen.

28 Seite 28 von Hypothesen - Temperatur kann mit dem Erstarrungsverhalten in Zusammenhang gebracht werden. Reife hat viel mit der Temperatur zu tun. Es besteht daher ein Zusammenhang zwischen Reife und Erstarrungsverhalten Angewandte Messmethoden Im vorherigen Kapitel wurden die bestehenden Messmethoden beschrieben, inklusive den Vor- und Nachteilen. Für den Vicat-test und die ASTM C403 gilt dass diese an Mörtel angewandt werden. Mörtel ist kein Beton und verhält sich anders, darum wurden diese Tests nicht berücksichtigt. Außerdem handelt es sich hierbei um Labortests. Das Ziel dieser Studie ist eine Methodik zu entwickeln, die die Realität nachstellt. Von der in der Literaturstudie betrachteten Messmethode sind folgende Messmethoden für die Studie ausgewählt worden: - Österreicher Würfel - NEN-EN 2743: Humm-Sonde - Ultraschall - DIN 12218: Knetbeutel Der Österreichische Würfel ist ein Würfel mit den Abmessungen 200x200x200 mm. Im Großteil von Europa werden jedoch Würfel von 150x150x150 mm benutzt. Darum wurden neben den Temperaturmessungen 200 mm Würfeln auch Temperaturmessungen an 150 mm ausgeführt. Zusätzlich entstand während der Studie auch das Konzept für eine abgeänderte Humm-Sonde. Nachteil der Humm-Sonde ist wie bereits im vorigen Kapitel erwähnt, dass die Messung beeinflussbar ist durch die Ausführende Person und während der Durchführung der Messung auch Verdichtungsenergie hinzugefügt wird. Die verbesserte Humm-Sonde besteht aus einem ASTM C403 Messapparat, durchgeführt mit sogenannten Humm-Nadeln. Hierbei handelt es sich um eine Nadel mit derselben Form wie die in der Humm-Sonde verwendeten Nadel, diese kann jedoch an einem ASTM C403 Apparat befestigt werden. Zu bestimmten Zeiten wird der Eindringwiderstand des Betons bestimmt. Während der Messung wurde festgestellt, dass die Reichweite des ASTM C403 Apparates nicht genügend war um den Eindringwiederstand während der gesamten Erstarrungszeit zu ermitteln. Darum wurde noch eine weitere Humm-Nadel entwickelt (kleinere Oberfläche). Hier die in der Studie verwendeten Messmethoden: - Österreicher Würfel - Temperaturmessung 150x150x150 mm Würfel - NEN-EN2743: Humm-Sonde - Verbesserte Humm Methode - Ultraschall - DIN 18218: Knetbeutel Abbildung 28: Messaufstellungen von links nach rechts: Österreicher Würfel, Knetbeutel, verbesserte Humm-Sonde, Ultraschallmessung. In der unteren Grafik werden die (hypothetischen) Stelle / Werte der diversen Messmethoden im Hydratationsprozess des Betons dargestellt..

29 Seite 29 von 73 Abbildung 29: Anordnung der Messmethoden im Hydratationsprozess des Betons (OPC) Resultate Der Forschungsaufbau muss letztlich im Erhartungsprozess die folgenden Resultate liefern. Erstarrungsanfang Erstarrungsende Bindungsanfang Bindungsende 1. Österreicher Würfel Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Reife [ Ch] Reife [ Ch] Reife [ Ch] 2. Europäischer Standard Würfel Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] 3. Humm-Sonde Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Reife [ Ch] Verbesserte Humm Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Reife [ Ch] Ultraschall Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Reife [ Ch] Knetbeutel Zeit [Stunden:min] Zeit [Stunden:min] Reife [ Ch] Reife [ Ch] - - Tabelle 4: Erwartete Resultate aus dem hierüber beschriebenen Studienaufbau.

30 Seite 30 von Wasserzementwert Parameter Forschungsfragen - Wasserzementwerte können auf Basis von Hochfrequenten Radarwellen gemessen werden. - Es besteht eine Korrelation zwischen dem dielektrischen Widerstand und dem Wasserzementwert im Beton Angewandte Messmethoden Im vorigen Kapitel wurden die bestehenden Messmethoden beschrieben, inklusive den Vor- und Nachteilen. Zielsetzung dieser Studie ist die Suche nach einer Messmethode verwendbar auf der Baustelle bei der Direkt der aktuelle Wasserzementwert untersucht werden kann. Sollte der gemessene aktuelle Wasserzementwert nicht wie Spezifiziert sein, kann beschlossen werden, ob der Betonier trotzdem durchgeführt werden soll. Dies bedeutet dass die Messmethode ein schnelles Resultat liefern muss. Die Trockenmethoden sind für diese Studie ungeeignet, da sie Zeitraubend und zu unpraktisch für die Baustelle sind. Mithilfe dieser Methoden kann die Zielstellung dieser Studie nicht bestimmt werden. Die Methode mit der Radioaktiven Sonde ist zwar schnell, aber praktisch gesehen nicht durchführbar, da sie von einer spezialisierten Person durchgeführt werden muss. Außerdem können durch die Anwesenheit von Kalkhaltigen (Zuschlag)Materialien fehlerhafte Resultate entstehen. Dies bedeutet dass zwei Messmethoden zur Anwendung in dieser Studie übrig bleiben. Dies sind - Radarmessungen - Dielektrischer Widerstand In der Studie wird Radarmessapparatur validiert und weiterentwickelt. Die Studie mit Bezug auf die Dielektrischen Widerstandsmessungen befindet sich noch in einer Entwicklungsphase und die Möglichkeiten dieser Methode werden noch weiter untersucht (u.a. an verschiedenen Zementtypen). Abbildung 30: Messsonde Dielektrische Widerstandsmessung. 3.3 Frischbetondruck In Zusammenarbeit mit dem Schalungshersteller DOKA wurden einige Experimente durchgeführt mit Bezug auf den Frischbetondruck. Hierfür wurden einige Schalungen aufgestellt mit den Abmessungen 1,8 m x 0,5 m x 6,6 m. Die Schalungen wurden mit einer Betonpumpe gefüllt wobei der Frischbetondruck auf einer Höhe von 0,55 m, 2,15 Meter und 3,9 Metern während des Betonieres gemessen wurde. Gleichzeitig wurden die Temperaturen gemessen und Tests u.a. mit der Humm-Sonde und dem Knetbeutel durchgeführt.

31 Seite 31 von 73 Zuerst wurde anhand des DIN Modells der erwartete Frischbetondruck errechnet. Folglich wurde ein Test durchgeführt. Bei dem Test wurde die Schalung mittels einer Betonpumpe bis zum maximalen zulässigen Druck gefüllt, der von einem Druckmesser in der Schalung gemessen wurde. Zusätzlich wurden auch die vom Betondruck herrührenden Belastungen registriert. Nachdem der Druck durch das Erstarren abnahm, wurde die Schalung ein zweites- und, falls nötig, noch ein drittes Mal gefüllt. Ziel war es, die Schalung so schnell wie möglich mit einer maximalen Belastung zu füllen. Der Test wurde in einer Winter- und in einer Sommersituation durchgeführt. Die Studie wurde mit CEMIIB-M (S-L) mit einem Wasserzementwert von 0,53 durchgeführt. Es wurde eine Mischung mit und ohne Beschleuniger angewandt. 3.4 Vorhersage der Dauerhaftigkeit anhand der Durchlässigkeit. Im Kader der Studie die zusammen mit der RILEM Kommission TC 230 PSC wurden bei B A S Research & Technology Messungen nach Dauerhaftigkeitsaspekten durchgeführt Parameter Die Durchgeführten Messungen wurden an Wänden aus Beton durchgeführt. Die Form der Wänden ist in der unteren Grafik dargestellt. Abbildung 31: Untersuchte Betonelemente.

32 Seite 32 von 73 Bei einem alter von Tagen wurde ein Test durchgeführt und an denselben Wände noch ein weiterer bei einem alter von (±3 Monate). Die Tests wurden durchgeführt mithilfe von drei Wissenschaftlern (Frank Jacobs, Marijana Serdar und Roberto Torrent). Information über angewandte Zementsorten, Wasserzementwerte, Umstände der Reifung und die Abdeckung sind in der unteren Tabelle angegeben. Tabelle 5: Angewandte Betonparameter Betonwände Hypothesen - Die Dauerhaftigkeit der Betonkonstruktion kann anhand von Durchlässigkeitsmessungen bestimmt werden. - Anhand der gemessenen Werte kann eine Langzeit-Dauerhaftigkeitsvorhersage gemacht werden Angewandte Messmethoden Die folgenden Messmethoden wurden angewandt: - Koeffizient für (Permea-TORR); - Feuchtigkeitsgehalt, elektrische Impedanz; - Rückprallhammer - Deckungsmessung - Elektrischer (Wenner Methode z.b. mit resipod) 4 Resultate 4.1 Erstarrungsverhalten Während der Studie wurde der Zusammenhang zwischen Reife und Erstarrungsverhalten untersucht. Dafür wurden einige geeichte Methoden verwandt und einige mögliche Methoden definiert. Die Messmethoden und gefundenen Zusammenhänge werden in den untenstehenden Paragraphen detailliert beschrieben. Die Reifegrade wurden mithilfe des Concremote Reifesystems festgestellt. Diese Methode macht gebrauch von der gewichteten Reifemethode nach De Vree. Hierfür werden bestimmte c-werte benötigt. Dies sind Werte, die die Temperatursensibilität verschiedener Zementsorten festlegen. In der untenstehenden Tabelle werden die bestehenden C-Werte der verwendeten Zemente angegeben. Zementsorte C-Wert CEMI 1,15 CEMIIA-LL 1,15 CEMIIB-S 1,25 CEMIIIA 1,45 CEMIIIB 1,55 Tabelle 6: C-Werte angewandter Zementsorten. Die concremote Messung beginnt in dem Moment wenn der Sensor in den Beton eindringt. Das bedeutet, dass in der real-time-messung das Reiferesultat fehlt, das ab dem Moment des Mischen beginnt biss zum Zeitpunkt das der Sensor installiert ist. In der Studie ist das Reiferesultat für diese Periode wichtig. Diese Anfangs-Reife wurde berechnet indem die vergangene Zeit zwischen dem Verlassen des Mixers bis zur Platzierung des Messsensors in die Reifeformel eingegeben wird und auf die Werte die das Concremote berechnet aufaddiert.

33 Seite 33 von Humm-sonde Aus den Messungen folgt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Reife und der gemessenen Eindringtiefe besteht. Ein Beispiel wird in der untenstehenden Grafik dargestellt. Grafik 6: Verhältnis Reife und Eindringtiefe (Humm) bei einem CEMIIB-S 32.5R, 20 Grad und Wasserzementwert 0,45. Aus den Trendlinien wurde der Determinationskoeffizient (R²) bestimmt. Für die Interpretation der Intensität der gefundenen Zusammenhänge wurde die untenstehende Tabelle verwendet. R R 2 (abgerundet) Erklärte Varianz Interpretation Zusammenhang < 0,3 < 0,1 < 10% Sehr Schwach 0,3-0,5 0,1-0, % Schwach 0,5-0,7 0,25-0, % Mäßig 0,7-0,85 0,5-0, % Stark 0,85-0,95 0,75-0, % Sehr Stark > 0,95 > 0,9 > 90% Außergewöhnlich Stark (suspekt!) Tabelle 7: Übersicht intensität Zusammenhang. Aus den Resultaten lässt sich folgern, dass die gefundenen Zusammenhänge als sehr stark bis außergewöhnlich stark zu betrachten sind. Die NEN-EN2743 beschreibt dass der Beton fertig für die Nachbehandlung / Fertigstellung ist wenn eine Eindringtiefe von weniger als 20mm erreicht ist. Wegen des guten linearen Zusammenhangs auf Basis der Formel der Trendlinie liegt der exakte Wert bei x = 20 mm. Hieraus folgt, dass für alle verwendeten Wasserzementwerten die Reifewerte dicht beieinander liegen. Zur Illustration werden in der nachfolgenden Tabelle die gefundenen Werte für die hierüber gezeigte Grafik dagestellt. Wasserzementwert Tabelle 8: Eindringtiefe [mm] Reife (Kalibrationsbox) [ Ch] 0, , , , min 133 max 137 Durchschnittlich 135 Werte die aus der Trendlinie für eine Eindringtiefe von 20mm abgelesen wurden. Daneben ist es interessant, den Wert bei einer Eindringtiefe von 0mm zu betrachten. Dann kommt die Nadel nicht mehr in den Beton und der Beton ist tatsächlich Erstarrt. Die dazugehörigen Resultate finden sich in folgende Tabelle.

34 Seite 34 von 73 Wasserzementwert Eindringtiefe Reife Tabelle 9: [mm] [ Ch] 0, , , , min 145 max 150 Durchschnittlich 149 Werte gefunden aus der Trendlinie für 0mm. In der folgenden Tabelle werden die Werte für alle verschiedenen Zementtypen und Wasserzementwerte untereinander angegeben Reife Eindringtiefe 20 mm Reife Eindringtiefe 0 mm Zementsorte 0,45 0,50 0,55 0,60 Ø 0,45 0,50 0,55 0,60 Ø CEMI CEMIIA-LL CEMIIB-S 32, CEMIIIA CEMIIIB Tabelle 10: Reifegrade bei einer Eindringtiefe von 0 und 20mm bei einer Temperatur von 20 Grad a Aus der obigen Tabelle kann abgeleitet werden dass für alle Zementsorten die Eindringtiefe von 20mm bei einer Reife von ±140 Ch erreicht wird und die Eindringtiefe von 0 mm bei einer Reife von ±150 Ch. Zementsorten Zwischen den verschiedenen Zementsorten scheint kein Unterschied im Verlauf der Trendlinie zu bestehen. Nur CEMI (OPC) weist einen bedeutend anderen Richtungskoeffizienten auf. In den untenstehenden Grafiken werden die Studiendaten grafisch mit den dazugehörigen Trendlinien gezeigt. Die roten Linien stellen die Resultate mit einem CEMI dar. Grafik 7: Trendlinien für alle Zementsorten mit Wasserzementwert 0,45 Grafik 8: Trendlinien für alle Zementsorten mit Wasserzementwert 0,50

35 Seite 35 von b Temperatur Grafik 9: Trendlinien für alle Zementsorten mit Wasserzementwert 0,55 Grafik 10: Trendlinien für alle Zementsorten mit Wasserzementwert 0,60 Ferner wurde der Einfluss der Temperatur auf die Werte untersucht. Im Allgemeinen bleiben die Trendlinien relativ dicht beieinander liegen. Die Lage der Trendlinien wechselt. Siehe in der Grafik hierunter ein Beispiel für die Resultate mit CEMI mit einem Wasserzementwert von 0, c Grafik 11: Resultate unter diversen Temperaturen CEMI mit Wasserzementwert 0,50. Betonzusatzmittel Als letzter Teil dieser Studie wurde der Effekt der Zugabe von einem PCE (Polycarboxylatether) untersucht. Hier wurde kein Eindeutiges Muster erkennbar. Siehe auch untenstehende Grafiken. Die Roten Linien stellen die Trendlinien der Mischungen dar, in denen PCE verwendet wurde und die blauen Linien die Trendlinien der Gemische bei denen kein PCE verwendet wurde. Untenstehender Test wurde bei 20 C durchgeführt.

36 Seite 36 von 73 Grafik 12: Resultate CEMI mit und ohne PCE. Grafik 13: Resultate CEMIIB-S mit und ohne PCE. Grafik 14: PCE. Resultate CEMIIA-LL mit und ohne Verbesserte Humm Messung Die Humm Methode, deren Resultate im vorherigen Paragraph beschrieben wurden, hat einige Nachteile. Die Messung kann durch die ausführende Person beeinflusst werden (z.b. durch ungerades Aufsetzen der Sonde). Außerdem wird durch das Ausführen der Messung (Verdichtungs)Energie hinzugefügt. Darum wurde während der Studie eine verbesserte Humm Methode entwickelt auf Basis einer Studie die in den USA für das bestimmen des Erstarrungsverhaltens von gesiebtem Betonmörtel verwendet wird (ASTM C403).

37 Seite 37 von 73 Die Amerikanische Methode verwendet in der Regel verschiedene Nadeln. Für die verbesserte Humm Methode wurde eine Nadel in der Form einer Humm-Sonde entwickelt. Der Diameter Humm-Sonde beträgt ± 20,5 mm. Mit diesem Diameter wurde die Oberfläche berechnet die die Nadel hätte, wenn ihre Unterseite flach wäre (was sie aber in der tat nicht ist). Anhand hiervon wurde der Widerstand berechnet die der Beton der Nadel entgegensetzt. Die rundliche Oberfläche wird durch die Verwendung von relativ großem Zuschlagmaterial (in diesem Fall Klasse 4/16) notwendig. Durch die rundliche Form wird der Einfluss eines einzelnen Splitkorns am Ort der Messung verringert. Durch die rundliche Form in der obenstehenden Rechenmethode ist der berechnete Wert weniger präzise und kann somit allein als Referenz für diese Studie dienen. Während der Untersuchung schien es, dass der Apparat nicht in allen Fällen über einen ausreichend großen Messbereich verfügt um das vollständige Erstarrungsverhalten zu erfassen (bis zu dem Moment in dem die Standard Humm-Sonde die Eindringtiefe von 20mm erreicht). Aus diesem Grund wurde eine kleinere Nadel entwickelt, wodurch langer gemessen werden kann (eine kleinere Nadel erfährt weniger Widerstand). Bei CEMI und bei 20 Grad Umständen gilt, dass der maximale Messbereich ungefähr zum selben Moment (±30 Minuten) erreicht wird wie die Grenze von 20mm Eindringtiefe bei der normalen Humm- Sonde a Wasserzementwert Während der Studie wurde festgestellt, dass Wasserzementwerten keinen Einfluss haben. Siehe auch untenstehende Grafik. Diese Beobachtung stimmt überein mit den Resultaten der normalen Humm- Sonde. Weerstand [N/mm²] Resultaten verbeterde Humm meting y = y 263,47x = y 280,1x = 262,18x ,388x 18,808x 2-24,929x + 0,0597 0, ,5209 y = 254,67x R² R² 2 = - 15,937x = 0,9661 R² 0,9311 = 0, ,0762 R² = 0,8307 Tijd [uren:minuten] Verbeterde Humm WCF 0,45 Verbeterde Humm WCF 0,50 Verbeterde Humm WCF 0,60 Verbeterde Humm WCF 0,55 Grafik 15: Verbesserte Humm bei verschiedenen Wasserzementwerten. Test durchgeführt mit CEMI und bei 28 Grad. Zieht man in Betracht, dass die Methode während der Studie entwickelt wurde, so wurde bei 20 Grad noch kein Zusammenhang erstellt mit der Reife. Für die restlichen Temperaturen wurde dies getan. Auch wenn die Reife auf der x-achse Dargestellt wird scheint der Wasserzementwert keinen Einfluss zu haben. In der folgenden Grafik werden die verschiedenen Wasserzementwerten mit CEMI und bei 28 Grad dargestellt.

38 Seite 38 von 73 y = y 0,0003x = y = 0,0003x 2-2 0,0154x - 0,0191x 2-0,0229x + 0, , ,4054 y = 0,0003x R² 2 R² -= 0,0171x 0,9655 = R² 0,9266 = 0, ,0743 R² = 0,8282 Weerstand [N/mm²] Resultaten verbeterde Humm meting Rijpheid [ Ch] Verbeterde Humm WCF 0,45 Verbeterde Humm WCF 0,50 Verbeterde Humm WCF 0,55 Grafik 16: CEM I mit verschiedenen Wasserzementwerten und einer Temperatur von 28 Grad b Zementsorten In der Folge werden die Resultate von drei verschiedenen Zementsorten in einer Grafik dargestellt.. Der Einfluss der Zementsorten auf das Erstarrungsverhalten über Zeit wird hier deutlich sichtbar. Grafik 17: Verschiedene Zementsorten bei 20 Grad Für alle Zementsorten gilt, dass ein deutlicher (logarithmischer) Zusammenhang besteht zwischen der Reife und dem auftretenden Widerstand. Das Verhalten der verschiedenen Zementsorten ist nicht gleichwertig. Siehe auch untenstehende Grafiken. Und doch scheint es, dass CEMIIIB und CEMI das gleiche Verhalten zeigen. Es ist deutlich, dass CEMIIA-LL hiervon abweicht.

39 Seite 39 von 73 Grafik 18: Verschiedene Zementsorten mit wzw 0,45 und 28 Grad. Grafik 19: Verschiedene Zementsorten mit CEMI wzw 0,50 und 28 Grad. Grafik 20: Verschiedene Zementsorten mit wzw 0,55 und 28 Grad Grafik 21: Verschiedene Zementsorten mit wzw 0,55 und 28 Grad. Dieser Vergleich wurde auch durchgeführt für Betonmischungen bei 5 Grad. In den folgenden Grafiken sind die Ergebnisse dargestellt. Aus den Grafiken lässt sich ebenfalls ablesen, dass CEMIIIA mit einer niedrigeren Reife beginnt zu Erstarren. Grafik 22: Verschiedene Zementsorten mit wcf 0,45 und 5 grad. Grafik 23: Verschiedene Zementsorten mit wcf 0,50 und 5 Grad.

40 Seite 40 von 73 Grafik 24: Verschiedene Zementsorten mit wcf 0,55 und 5 Grad. Grafik 25: Verschiedene Zementsorten mit wcf 0,60 und 5 Grad c Temperaturen Auch der Effekt der Temperatur wurde untersucht. So wie zu erwarten war, hatte die Temperatur keinen Einfluss auf das Erstarrungsverhalten über Zeit (ein Beton erstarrt natürlich bei einer Temperatur von 5 Grad viel langsamer). Siehe auch untenstehende Grafik. Tabelle 11: Vergleich von CEMI bei 3 verschiedenen Temperaturen Diese Grafik ist vergleichbar mit einer Grafik die in einer Amerikanischen Studie gefunden wurde 5. Abbildung 32: Verlauf Eindringwiderstand über Zeit. Gleichzeitig wurde der Zusammenhang mit der Temperatur für verschiedene Zementsorten evaluiert. 5 Effect of temperature on the setting behavior of Concrete, Journal of materials in Civil Engineering, März 2010.

41 Seite 41 von 73 Bei 28 Grad wurden die Zementsorten CEMI, CEMIIA-LL und CEMIIIB untersucht. Für CEMI und CEMIIIB folgt, dass die Temperatur keinen Einfluss hat. Die Linien sind praktisch identisch. Bei CEMIIA- LL lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob die Linien identisch sind. Siehe auch untenstehende Grafiken. Grafik 26: CEMI bei 28 und 5 Grad Grafik 27: CEMIIIB bei 28 und 5 Grad Grafik 28: CEMIIA-LL bei 28 und 5 Grad. Grafik 29: Resultate Amerikanische Studie bei verschiedenen Temperaturen d In einer Amerikanischen Studie wurden vergleichbare Resultate erreicht, obwohl die verwendete Reifheitsmethode eine andere war 6. Vergleich Standard Humm und Verbesserte Humm Der folgende Schritt ist der Vergleich zwischen der Verbesserten- und der Standard Humm Messmethode. Die Resultate für einen CEMI mit Wasserzementwert von 0,55 bei 20 Grad wird in der untenstehenden Grafik dargestellt. Für die Messungen mit nur der Standard Humm-Sonde und der verbesserten Humm-Sonde mit einem Diameter von ±20,5 mm gilt, dass der maximale Messbereich des Aufbaus (2,7 N/mm² bei Diameter ±20,5 mm) erreicht wird wenn die Standard Humm-Sonde eine Eindringtiefe von ±20 mm erreicht. 6 Effect of temperature on the Setting Behavior of Concrete, Journal of materials in Civil Engineering, Maart 2010

42 Seite 42 von 73 Indringdiepte [mm] Standaard versus verbeterde Humm Humm (standaard) Weerstand [N/mm²] Verbeterde Humm Lineair (Humm (standaard)) Poly. (Verbeterde Humm) y = 74,943x 2-12,149x y = -633,61x + 0, ,19 Tijd [uren:minuten] R² = 0,8843 R² = 0,7314 Abbildung 33: Vergleich Standard- und Verbesserte Humm-Messung bei 20 Grad. Dieses Verhalten wurde auch für die übrigen Temperaturen 5 und 28 Grad in einer Grafik aufbereitet. Siehe die Grafiken hierunter. Auch hier gilt, dass der Maximalwert zur selben Zeit erreicht wird wie er bei der Standard Humm-Messung mit einer Eindringtiefe von 20 mm erreicht wird. Grafik 30: Vergleich Standard und verbesserte Humm Messung bei 5 Grad (CEMI mit wcf 0,50). Grafik 31: Vergleich Standard und verbesserte Humm Messung bei 28 Grad (CEMI mit wcf 0,50) Ultraschall Aus der ersten Messung bei 20 Grad folgt, dass ein kontinuierlicher Wert für die Ultraschall Pulsgeschwindigkeit gefunden wird, bis zu dem Moment in dem der Beton beginnt anzuziehen (wie auch laut der Humm-Sonde). Siehe auch in der folgenden Grafik, in der die Pulsgeschwindigkeit und Eindringtiefe über die Reife dargestellt werden.

43 Seite 43 von 73 Ultrasoon versus Humm sonde Ultrasone pulse snelheid [m/s] Rijpheid [ Ch] Penetration Depth [mm] Ultrasonic Pulse Velocity Humm (standard) Grafik 32: Ultraschall versus Humm-Sonde, CEMI, Wasserzementwert 0,45 und 20 Grad. Während der Studie wurden Eimer mit Mörtel gefüllt, an denen die Messungen mit der Humm-Sonde durchgeführt wurden. Der Befüllungsgrad der Eimer war nicht jederzeit gleich während der Studie. Darum wurde für die Analyse der Resultate eine Eindringtiefe von 100mm als Anfangspunkt der Messung gewählt. Dieser Wert wurde genau wie bei der Analyse der Humm-Messungen in Paragraph anhand von Trendlinien berechnet. Die Resultate dieser Berechnung werden in der unteren Tabelle angegeben. Reife Eindringtiefe 100 mm Wasserzementwert 0,45 0,50 0,55 0,60 Durchschnittlich CEMI CEMIIA-LL CEMIIB-S 32, CEMIIIA CEMIIIB Durchschnittlich 80 Tabelle 12: Reife bei einer Eindringtiefe von 100 mm (20 Grad) Reife Eindringtiefe 100 mm Wasserzementwert 0,45 0,50 0,55 0,60 Durchschnittlich CEMI CEMIIA-LL CEMIIIA CEMIIIB Tabelle 13: Reife bei einer Eindringtiefe von 100 mm (5 Grad) Reife Eindringtiefe 100 mm Wasserzementwert 0,45 0,50 0,55 0,60 Durchschnittlich CEMI CEMIIA-LL CEMIIIB Tabelle 14: Reife bei einer Eindringtiefe von 100 mm (28 Grad)

44 Seite 44 von 73 Die oberen Tabellen zeigen bei verschiedenen Temperaturen ähnliche Reife. Es scheint, als ob die Reife bei einem CEMIII etwas höher liegt als bei den anderen Zementsorten. Der Durchschnitt aller Zementsorten liegt um oder in der Nähe von a Wasserzementwert Der Verlauf der Messwerte bei verschiedenen Wasserzementfaktoren ist gleichwertig, womit konkludiert werden kann, dass der Wasserzementwert keinen Einfluss auf den Knickpunkt hat. Siehe folgende Grafik. Ultrasoonsnelheid CEMI Ultrasoonsnelheid [m/s] WCF 0,45 WCF 0,50 WCF 0,55 WCF 0,60 Rijpheid [ Ch] Grafik 33: Ultraschallgeschwindigkeit bei verschiedenen Wasserzementfaktoren (CEMI, 20 Grad) b Zementsorten Neben den verschiedenen Wasserzementwerten wurden auch die Zementsorten miteinander verglichen. Dies resultiert in einer ähnlichen Grafik. Der Wasserzementwert hat keinen Einfluss auf den Ort des Knickpunkts in der Grafik. Ultraschallgeschwindigkeit [m/s] Ultraschallgeschwindigkeit bei 20 Grad CEMI CEMIIB-S 32,5 R CEMIIA-LL CEMIIIA CEMIIIB Reife [ Ch] Grafik 34: Ultraschallgeschwindigkeit diverse Zementsorten (wcf 0,50 und 20 Grad) c Temperatur Der nächste Punkt in der Analyse ist der Einfluss der Temperatur. Bei den Messungen der Proben mit 5 Grad konnte kein eindeutiger Verlauf in den Werten festgestellt werden und somit ist auch kein Knickpunkt in der Grafik vorhanden. Siehe auch folgende Grafik.

45 Seite 45 von 73 Grafik 35: Ultraschall Pulsgeschwindigkeit bei diversen Zementsorten, WCF 0,45 und 5 Grad. Bei der Analyse der Messresultate unter 28 Grad wurde sehr wohl ein Knickpunkt gefunden, aber dieser ist weniger eindeutig als bei den Resultaten für 20 Grad. In den folgenden Grafiken werden die Resultate für die verschiedenen Zementsorten bei einem Wasserzementwert von 0,5 und 0,55 angegeben. Es scheint als würde der Knickpunkt (sofern dieser bereits besteht) früher erscheint als bei den anderen beiden Zementsorten (CEMIIA-LL en CEMIIIB). Grafik 36: Ultraschallgeschwindigkeit bei 28 Grad und wcf 0,50 Grafik 37: Ultraschallgeschwindigkeit bei 28 Grad und wcf 0, Knetbeutel Die Hypothese ist hier, dass der Knetbeutel Phase 6 in dem Moment erreicht, wenn auch die Humm- Sonde die Eindringtiefe von 20mm erreicht. Dies wurde in der Studie für alle Zementsorten, Wasserzementwerte und eine Temperatur von 20 Grad bestätigt.siehe auch untenstehende Grafik für CEMI und einen Wasserzementwert von 0,45.

46 Seite 46 von a Grafik 38: Knetbeutel versus Humm-Sonde, CEM I, 0,45 bei 20 Grad. Wasserzementwerte Wenn man die Resultate für verschiedene Wasserzementwerte nebeneinanderlegt folgt, dass der Wasserzementwert so gut wie keinen Einfluss auf die Phasen des Knetbeutels hat. Siehe auch untenstehende Grafik für einen CEMI unter 20 Grad. Knetbeutel [fase] Knetbeutel vs Humm sonde y = 0,0457x + 0,532 R² = 0,8165 y = 0,0502x - 0,5503 R² = y 0,9542 = 0,04x - 0,1149 R² = 0,8823 0,45 0,50 0,55 0,6 Lineair (0,50) Lineair (0,55) Lineair (0,6) Rijpheid [ Ch] b Grafik 39: Zementsorten Knetelbeutel Verlauf bei verschiedenen Wasserzementwerten. Der Verlauf des Knetbeuteltests für verschiedene Zementsorten wird in der untenstehenden Grafik angegeben. Die Trendlinien sind beinahe identisch. Hieraus lässt sich folgern, dass dies keinen Einfluss hat auf verschiedene Zementsorten.

47 Seite 47 von c Grafik 40: Temperaturen Verlauf des Knetbeuteltests bei verschiedenen Zementsorten. Es wurden auch die Resultate bei verschiedenen Temperaturen ausgewertet. Hierbei wurde der Vergleich zwischen Knetbeutel und Eindringtiefe gezogen. Bei 5 Grad muss die soeben genannte Hypothese verworfen werden. Der Knetbeutel erreicht Phase 6 bereits viel früher als die Humm-Sonde eine Eindringtiefe von ±20 mm erreicht. Siehe auch untenstehende Grafik. Dies gilt für alle Zementsorten und Wasserzementwerte. Knetbeutel [gase]] Knetbeutel vs Humm-Sonde y = 0,0812x - 0,8852 R² = 0,965 Knetbeutel Indringdiepte [mm] Humm (standard) Reife [ Ch] Grafik 41: Knetbeutel versus Humm-Sonde bei 5 Grad (CEMI, wcf 0,45) Der Verlauf des Knetbeutel Tests unter verschiedenen Temperaturen wird in den untenstehenden Grafiken angegeben. Hier ist zu sehen, dass der Richtungskoeffizient der Berührungslinien für die Studie bei 5 und 20 Grad übereinstimmen, wohingegen die Linie bei 28 Grad schwankt.

48 Seite 48 von 73 Grafik 42: Knetbeutel CEMI WCF 0,50 unter verschiedenen Temperaturen. Grafik 43: Knetbeutel CEM WCF 0,55 unter verschiedenen Temperaturen d Grafik 44: Knetbeutel CEMIIA-LL WCF 0,50 unter verschiedenen Temperaturen Grafik 45: Knetbeutel CEMIIIB WCF 0,50 unter verschiedenen Temperaturen. Betonzusatzmittel In der folgenden Grafik werden die Resultate für einen CEMI mit und ohne Betonzusatzmittel dargestellt. Die Zementsorten mit und ohne PCE ergeben identische Resultate. Aus den Resultaten kann der Schluss gezogen werden, dass Betonzusatzmittel (PCE) keinen Einfluss hat bei einem Knetbeuteltest. Grafik 46: Resultate CEMI mit und ohne Betonzusatzmittel.

49 Seite 49 von Temperaturanstieg Bei dieser Methode wurde nach einem Temperaturanstieg gesucht, der im Moment des Erstarrens auftritt. Für die Analyse wurde wiederum vom Verlauf der Trendlinie beim Humm Test gebrauch gemacht. Bei den Reife die bei einer Eindringtiefe von ±20 mm gemessen werden wird der Temperaturunterschied seit dem Start der Messung gesucht. Diese Unterschiede zwischen Österreicher Würfel von 200 x 200 x 200 mm, dem Würfel 150 x 150 x 150 (Kalibrierungsbox) und dem Würfel 150 x 150 x 150 mm werden in den folgenden Tabellen dargestellt. Temperaturgradient Batch A [ C] Temperaturgradient Batch B [ C] Temperaturgradient Batch C [ C] Kalibrierungsbox 0,9 1,7 1,8 150³ 0,9 2,2 2,1 200³ 2,5 3 2,9 Tabelle 15: Temperaturgradienten CEMI, Wasserzementwert 0,45 und 20 Grad. Temperaturgradient Batch A [ C] Temperaturgradient Batch B [ C] Temperaturgradient Batch C [ C] Kalibrierungsbox 1 1,2 1,2 150³ 2,1 2,4-0,1 200³ 0 1,7 0,1 Tabelle 16: Temperaturgradienten CEMI, Wasserzementwert 0,45 und 28 Grad. Temperaturgradient Batch A [ C] Temperaturgradient Batch B [ C] Temperaturgradient Batch C [ C] Kalibrierungsbox 2, ³ 1,2 0,9 1,2 200³ 0,1-0,6-1,6 Tabelle 17: Temperaturgradienten CEMI, Wasserzementwert 0,50 und 5 Grad. Aus den oberen Tabellen folgt, dass keine vergleichbaren Temperaturgradienten zwischen den Messungen (batches) gefunden werden. Dies bedeutet dass die Messungen daher nicht reproduzierbar sind und die Hypothese gleich verworfen werden kann. 4.2 Wasserzementwerte In dieser Studie wurden zwei Methoden betrachtet um den Wasserzementwert an frischem Betonmörtel zu bestimmen, so wie in den obigen Kapiteln beschrieben. Die Resultate der verschiedenen Methoden werden in den folgenden Paragraphen beschrieben Radar Methode Während der gesamten Studie wurden Messungen mit einem Prototyp für Hochfrequente Messsensoren durchgeführt. Für das Beurteilen der Messungen wurde die Niederländische Norm: NEN5960/A1 verwendet. Diese Norm toleriert eine Abweichung der Messwerte von maximal 0,02 (für die Trockentests). In Deutschland schreibt die DIN dieselbe zulässige Abweichung vor a Zementsorten und Wasserzementwerte Die Resultate bei den Mischungen bei einer Temperatur von 20 Grad werden in der folgenden Tabelle dargestellt. CEM I CEMIIA-LL CEMIIB-S 32,5 R CEMIIB-S 42,5 N CEMIIIA CEMIIIB TOTAL TOTAL [] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [%] 0,45 > 0, ,67 0,50 > 0, ,00 0,55 > 0, ,00 0,60 > 0, ,00

50 Seite 50 von 73 Anzahl Messungen ,00 Anzahl Messungen pro Zementtyp ,67 >0,02 Anzahl Messungen pro Zementtyp 22,22 8,33 16,67 16,67 11,11 0,00 >0,02 [%] Tabelle 18: Resultate Imko-Messungen bei 20 Grad. Aus obiger Tabelle folgt, dass in Total 7 Messungen, oder 12% abweichen von der maximalen Abweichung von 0,02. Wenn man die zulässige Fehlermarge auf 0,03 senkt, beträgt der Prozentsatz nur noch 6,7%.

51 Seite 51 von b Einfluss von Temperatur In den untenstehenden Tabellen folgen die Resultate für die Messungen bei 5 und bei 10 Grad. CEM I CEMIIA-LL CEMIIB-S 32,5 R CEMIIIA CEMIIIB TOTAAL TOTAAL [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] 0,45 > 0, ,85 0,50 > 0, ,70 0,55 > 0, ,56 0,60 > 0, ,26 Anzahl Messungen ,00 Anzahl Messungen per Zementtype ,37 >0,02 Anzahl Messungen per Zementtype 33,33 8,33 16,67 22,22 25,00 [%] Tabelle 19: Resultaten Imko-Messungen bei 5 Grad. Bei 5 Grad beträgt die Fehlerquote e ±20,4%. Wenn die zulässige Fehlermarge auf 0,03 gesenkt wird beträgt die Fehlerquote nur noch 5,5% CEM I CEMIIA-LL CEMIIIB TOTAL TOTAL [Stück] [Stück] [Stück] [Stück] [%] 0,45 > 0, ,71 0,50 > 0, ,57 0,55 > 0, ,86 0,60 > 0, ,00 Anzahl Messungen ,00 Anzahl Messungen pro Zementtyp ,14 >0,02 Anzahl Messungen pro Zementtyp [%] 8,33 9,09 33,33 Tabelle 20: Resultate Imko-Messungen bei 28 Grad. Bei 28 Grad beträgt die Fehlerquote 17,1%. Von den Abweichungen haben 3 eine Abweichung von 0,03. Wenn 0,03 als maximale Fehlermarge angegeben wird, liegt die Fehlerquote nur noch bei 8,6%. Aus der obenstehenden Tabelle folgt, dass von vier Messungen nur eine Messung innerhalb der zulässigen Abweichung bleibt. Diese Messmethode ist daher vorerst noch nicht geeignet für selbstverdichtenden Beton Dielektrische Widerstandsmessung Die Dielektrische Widerstandsmessung ist eine Methode die sich noch in der Entwicklung befindet. Sie wurde nur mit Portlandzement und Zement mit einer kleinen Menge Flugasche angewandt. In Zusammenarbeit mit der Unisinos Universität in Brasilien wurden mit einer durch die Universität entwickelten Sonde Tests an Europäischen Zementsorten durchgeführt, im Labor B A S Research & Technology. In diesem Prozess wurde die Sonde weiterentwickelt zu einer besseren Durchführung mit stabileren Resultaten. Jedoch schien die Sonde während des gesamten Prozesses Stabilitätsprobleme zu haben. Nach einer gewissen Zeit wurden erst kontinuierliche Messungen erzielt. Bei der Analyse der Resultate wurde der Messwert t=60 verwendet. Als Ergebnis dieses Entwicklungsprozesses (resultierend in fehlerhaften Messresultaten) innerhalb der Studie sind nicht von allen Gemischen brauchbare Resultate verfügbar. Die Resultate für verschiedene Zementsorten werden in der untenstehenden Grafik dargestellt.

52 Seite 52 von 73 Abbildung 34: Resultate der Messungen an den Europäischen Zementsorten bei 20 Grad. Neben den Tests an Europäischen Zementsorten wurden zu einem späteren Zeitpunkt dieselben Tests an Brasilianischen Zementsorten durchgeführt. Eine Übersicht über die Zusammenstellung dieser Zementsorten ist hierunter angegeben. Die Messmethode wurde nicht verändert. Es ist jedoch so, dass der Brasilianische Beton in seiner Zusammenstellung homogener ist. Die Kohäsion des Betons wurde durch Anwendung von zwei verschiedenen Sandtypen verbessert. In der Niederländischen Studie war die Sprache von Trennung in den ersten Stunden nach der Erhärtung des Betons.

53 Seite 53 von 73 Zementsorte Name Masseaufbau (%) Klinker Hochofenschlacke Puzzolan Kalkstein Normal Composit CPI CPI-S 99 bis 95 1 bis 5 CPII-E 94 bis 56 6 bis 34-0 bis 10 CPII-Z 94 bis 76-6 bis 14 0 bis 10 CPII-F 94 bis bis 10 Hochofenschlacke CPIII 65 bis bis 70-0 bis 5 Puzzolan CPIV 85 bis bis 50 0 bis 5 Hohe Anfangsfestigkeit CPV-ARI 100 bis bis 5 Tabelle 21: Zusammenstellung Brasilianischer Zementsorten. Die Resultate für die verschiedenen Brasilianischen Zementsorten werden in der folgenden Grafik dargestellt.. Abbildung 35: Resultate mit Brasilianischen Zementsorten. In der Brasilianischen Studie sind die Richtungskoeffizienten der Berührungslinien gleichwertig, nur der Startpunkt ist unterschiedlich. Dabei liegen die Linien des CPIII signifikant höher als die Werte der anderen Zementsorten. Die Determinationskoeffizienten sind außergewöhnlich stark. In der Studie wurden einige Europäische Zementsorten verglichen mit den untersuchten Brasilianischen Zementsorten. Dies sind CEMIIIA, CEMIIB-S und CPIIA-LL. Diese sind vergleichbar mit respektive CPIII, CPII-E und CPII-F. Von diesen Sorten ist nur von CEMIIIA eine vollständige Messung verfügbar (die Werte die bei CEMIIC-S gefunden wurden sind diskutabel). In der untenstehenden Grafik werden diese zwei Resultate in einer Grafik dargestellt.

54 Seite 54 von 73 R² = 0,9519 Dielektrischer WIderstand verschiedener Zementsorten CPIII Dielektrischer WIderstand (Ωm) R² = 0,8842 Wasserzementfaktor Abbildung 36: Vergleich Brasilianischer Zement und Europäischer Zement mit Hochofenschlacke. Während der Studie der Unisonos Universität wurde mit der Zementsorte CP-IV auch ein Test mit Betonzusatzmittel durchgeführt. Die Resultate werden in der untenstehenden Grafik dargestellt. Als Betonzusatzmittel wurde PCE Glenium 51 angewandt. Diëlektrische weerstand Diëlektrische weerstand (Ωm) y = 5,5312x + 1,2342 R² = 0,9079 y = 2,8083x 2 + 3,6724x + 1,2691 R² = 0,9931 Water cement factor [-] CPIV Grafik 47: Dielektrischer Widerstand Brasilianischer Zement mit und ohne Betonzusatzmittel.

55 Seite 55 von Frischbetondruck Humm-Sonde und Knetbeutel In der Studie wurden die Gemische unter anderem mit der Humm-Sonde und dem Knetbeutel untersucht. In der folgenden Tabelle werden die Resultate für eine Umgebungstemperatur von 15 C aufgelistet. Humm-Sonde Knetbeutel Zeit von t=0 [min] Gemisch1 (mit Beschleuniger) [mm] Gemisch 2 (ohne Beschleuniger) [mm] Gemisch 1 (mit Beschleuniger) [Phase] Gemisch 2 (ohne Beschleuniger) [Phase] Tabelle 22: Resultate Humm-Sonde und Knetbeutel unter Winterumständen (Umgebungstemperatur 15 C). Aus der obigen Tabelle folgt, dass auch hier Phase 6 des Knetbeutels erreicht wird, wenn die Humm- Sonde weniger als 20mm eindringt. Es wurden auch Tests unter Sommerumständen durchgeführt. In diesem Fall wurde kein Beschleuniger angewandt. Der Unterschied zwischen beiden Gemischen entstand hier durch die Anwendung verschiedener PCEs. In diesem Fall lag die Umgebungstemperatur bei 27 C. Die Resultate für diesen Test sind in der untenstehenden Tabelle aufgelistet. Humm-Sonde Knetbeutel Gemisch3 Gemisch 4 Gemisch 3 Gemisch 4 Zeit von t=0 (PCE 1) (PCE 2) (PCE 1) (PCE 2) [min] [mm] [mm] [Phase [Phase] Tabelle 23: Resultate Humm-Sonde und Knetbeutel unter Sommerumständen. Die Zunahme der Umgebungstemperatur reduziert drastisch die Zeit die nötig ist um den Beton erstarren zu lassen. Erstarrungsende bei Humm-Sonde und Knetbeutel sind auch hier wieder beinahe gleichzeitig erreicht Schalungsdruckresultate In den untenstehenden Tabellen wird der Verlauf der gemessenen Druckfestigkeit für die verschiedenen Mischungen wiedergegeben.

56 Seite 56 von 73 Abbildung 37: Druckverlauf Gemisch 1 (Winter, mit Beschleuniger) Abbildung 38: Druckverlauf Gemisch 2 (Winter) Abbildung 39: Druckverlauf (PCE 1, Sommer) Abbildung 40: Druckverlauf (PCE 2, Sommer) Nachträglich wurden die tatsächlich gemessenen Werte mit dem errechnete Werte verglichen. Dies ist in den untenstehenden Grafiken dargestellt. Die Berechnung nach der DIN-Methode die hier benutzt wurde sagt ein Erstarrungsende zwischen 5 und 20 Stunden vorher. Darum wurde in den untenstehenden Grafiken die minimale Erstarrungszeit von 5 Stunden verwendet (dort, wo das Erstarrungsende unter 5 Stunden liegt).

57 Seite 57 von 73 Abbildung 41: Berechnung vs. tatsächlicher Druckverlauf Gemisch 1 (Winter, mit Beschleuniger) Abbildung 42: Berechnung vs. tatsächlicher Druckverlauf Gemisch 2 (Winter) Abbildung 43: Berechnung vs. tatsächlicher Druckverlauf (PCE 1, Sommer) Abbildung 44: Berechnung vs. tatsächlicher Druckverlauf (PCE 2, Sommer) Aus den obenstehenden Grafiken folgt, dass der auftretende Druck signifikant niedriger ist als der in den Berechnungen vorhergesagte. Dies bedeutet, dass diese Berechnungsmethode signifikant verbessert werden kann. In der obigen Studie wurde der Knetbeutel für die Feststellung des Erstarrungsendes verwendet. Dort, wo das Erstarrungsende unter 5 Stunden lag, wurde ein Wert von 5 als berechneter Wert angenommen. Das Model ist nämlich nur geeignet für Zeitspannen von 5 bis 20 Stunden als Erstarrungszeit. In der untenstehenden Tabelle wurden die berechneten und gemessenen Werte noch einmal aufgelistet. In der ersten Spalte ist die Betoniergeschwindigkeit angegeben für die ein Wert von 5 Stunden angenommen wurde. Die zweite Spalte enthält die Resultate die zustande kämen wenn der tatsächliche Wert, gefunden mit dem Knetbeutel Test verwendet wird. Dieser Wert wurde mit dem MEVA Tool berechnet, welches es ermöglicht, Werte unter 5 Stunden einzutragen 7. Ebenfalls mit diesem Tool wurde der Wert berechnet wenn eine Eindringtiefe von 20mm mit einer Humm-Sonde erreicht wird. Die letzte Spalte enthält die maximale festgestellte Betoniergeschwindigkeit. 7

58 Seite 58 von 73 Maximale Betoniergeschwindig keit mit minimalem Erstarrungsende nach 5 Stunden. [Meter pro Stunde] Maximale Betoniergeschwindig keit mit Knetbeutel [Meter pro Stunde] Maximale Betoniergeschwindig keit mit als Ausgangspunkt 0mm Eindringtiefe [Meter pro Stunde] Maximale Betoniergeschwindig keit mit als Ausgangspunkt 20 mm Eindringtiefe Humm [Meter pro Stunde Gemisc h 1 1,71 3,19 (3 Stunden) 3,19 (3,5 Stunden) 4,27 (2,9 Stunden) 2,6 Gemisc h 2 1,71 1,53 (6,5 Stunden) 1,53 (6,5 Stunden) 1,83 (5,9 Stunden) 1,9 Gemisc h 3 1,71 2,13 (4 Stunden) 2,13 (4 Stunden) 2,84 (3,2 Stunden) 3,8 Gemisc h 4 1,71 2,84 (3 Stunden) 2,13 (4 Stunden) 4,27 (2,8 Stunden) 3,8 Tabelle 24: Theoretische Werte Betoniergeschwindigkeiten bei verschiedenen Erstarrungsend-Werten. Die obigen Resultate werden in untenstehendem Stabdiagramm wiedergegeben. Tatsächlich mögliche Betoniergeschwindig keit [meter pro Stunde] Grafik 48: Übersicht berechneter und wirklicher zulässiger Betoniergeschwindigkeiten. In obigem Stabdiagramm wird gut sichtbar, dass man bei den bestehenden Modellen nach der DIN Methodik unsichere Situationen hervorruft, sollte man das Modell für Zeitspannen unter 5 Stunden verwenden. So dürfte Mischung 1 bei einem Erstarrungsende von 3 Stunden mit einer maximal zulässigen Betoniergeschwindigkeit von 3,19 Stunden durchgeführt werden. Dieser Wert liegt weit neben der tatsächlich gemessenen zulässigen Betoniergeschwindigkeit. Die Vermutung besteht, dass dies durch die Anwendung von Beschleuniger entsteht. Für Mischung 2 und 3 entstehen Werte, die unterhalb der tatsächlich gemessenen maximalen Betoniergeschwindigkeit fallen. Die vorhergesagten Werte liegen dort ein bedeutendes Stück unterhalb der möglichen gemessenen Geschwindigkeit in der Praxis. Mischung 4 ergibt die größte Variation zwischen der Vorhersage und der Wirklichkeit. Aus den obigen Resultaten folgt, dass dieses Modell noch erheblich verbessert werden kann. Die Resultate mit einem Erstarrungsende von unter 5 Stunden werden in diesem Modell nicht gut erfasst. Deshalb empfiehlt es sich, dieselbe Studie nochmals an einem Standardbeton auszuführen ohne PCE oder Beschleuniger. Sobald daraus ein funktionierendes Modell entwickelt wurde kann zusätzlich nach einer Option (in der Form eines Koeffizienten) gesucht werden, um mit PCEs und Beschleunigern arbeiten zu können. 4.4 Rissbildung in Frischbeton Bildgebende Forschung Während der Studie wurden einige Szenarios aufgesetzt und simuliert im Programm HEAT. Hierbei wurde der Effekt von Spannungen, Verschiebungen und den auftretenden Temperaturen geschaut.

59 Seite 59 von 73 Die erste Simulation besteht aus einem Betonblock von 1,5 x 1,5 m² (siehe untere Grafik). Diese Abmessungen wurden gewählt, sodass Kühlung notwendig wird weil sonst die thermischen Spannungen zu hoch werden. Oberseite Seite 2 Seite 1 Unterseite Abbildung 45: Schematische Darstellung Betonblock. Die Unterseite wird verhindert und hat daher keine Bewegungsmöglichkeit. Die übrigen Ränder sind auf Umgebungstemperatur und können sich frei ausdehnen oder schwinden. Die Rahmenbedingungen sind in der unteren Tabelle angegeben. Der Tag- und Nachtrhythmus in der Umgebungstemperatur wird mittels einer Sinusfunktion simuliert (median in diesem Fall 16 mit einer Amplitude von 6 C). Diese Umgebungstemperatur könnte so beispielswese im Frühjahr auftreten. An 2 Stellen wird der Spannungsverlauf berechnet. Rand Bewegungsfreiheit Temperatur Oberseite Frei Umgebung (15±6 C) Unterseite Verhindert 10 C Seite 1 Verhindert Umgebung (15±6 C) Seite 2 Verhindert Umgebung (15±6 C) Tabelle 25: Rahmenbedingungen Simulation Die Resultate der Simulation ohne Maßnahmen werden in der untenstehenden Grafik dargestellt. In der Grafik wird die berechnete Spannung mittels der grünen Linien an Ort 1 und 2 wiedergegeben. Die Roten Linien geben die maximal zulässige Zugspannung im Beton an. Die gelben Linien zeigen die in den Niederlanden geltenden maximal zulässigen Zugspannungen an (mit einem Sicherheitsfaktor). Abbildung 46: Spannungsverlauf in simuliertem Betonblock.

60 Seite 60 von 73 Die Resultate der Simulationen werden in der untenstehenden Tabelle angegeben. Die Werte für die Spannungen in der Grafik werden als unity checks dargestellt. Dies bedeutet dass die Grenzen eingehalten werden, wenn der Wert geringer als 1 ausfällt. Die Grenzen inklusive Sicherheitsfaktor werden eingehalten wenn die Werte niedriger als 0,5 ausfallen. Werte, die außerhalb der Grenzen liegen, werden in der Grafik mit Roten Zahlen angegeben, während Werte die innerhalb des Sicherheitslimits fallen in grün dargestellt sind. Test Original block 2 x 4 Kühlung (kern) 2 x 8 Kühlung (kern) 2 x 6 Kühlung (kern) 3 x 6 Heizung (Ränder) 5 x 6 Kühlung (gesamter Block) 5 x 6 Heizung (gesamter Block) Tmax ( C) 44,6 32,07 28,86 22,13 21,16 29,68 29,68 Reife max 160,8 206,7 206,7 Szz bzgl. Grenze (Position 1) Szz bzgl. Grenze (Position 2) ,6 0,2 0,25 0,25 2,1 1,1 1,2 0,9 0,9 0,9 0,9 Kühl Temperatur Heiz Temperatur Tabelle 26: Resultate erste Simulationen. 5 x 6 Heizung (gesamter Block) Zuerst wurde begonnen mit einer Möglichkeit, den Kern des Betons zu kühlen (2x4 Kühlleitungen und 2x8 Kühlleitungen). Hierdurch wurden die Spannungen mit einem Faktor von 2 reduziert, jedoch sind sie immernoch außerhalb der Grenzen. Mehr Kühlleitungen hatten kaum einen Effekt. Schließlich wurden die äußeren Ränder zusätzlich gekühlt / beheizt. Wiederum verringerten sich die Werte etwas (vor allem auf Position 1), und ohne den Sicherheitsfaktor wäre dies bereits genug, allerdings fallen die Werte noch nicht innerhalb des Sicherheitsfaktors. Die verwendete Geometrie der Kühlleitungen wird in der untenstehenden Grafik dargestellt. Abbildung 47: 2 x 4 Kanäle Abbildung 48: 2 x 8 Kanäle

61 Seite 61 von 73 Abbildung 49: 5 x 6 Kanäle Abbildung 50: 3 x 6 Kanäle Mit diesen Hintergrundinformationen wurde eine zweite Runde von Simulationen gestartet. Die Resultate hiervon sind in der untenstehenden Tabelle zu finden.. Test Schritt 5 x 6 Kühl (gesamter Block) Schritt & Konstant 5 x 6 Kühl (gesamter Block) Schritt & Konstant 5 x 6 Kühl (gesamter Block) 5 x 6 Kühl Isolierung S & C Isolierung 5 x 6 Kühl Tmax ( C) 20,82 20,89 20,82 21,68 21,34 Reife max Szz bzgl. Grenze (Position 1) 0,9 0,9 0,5 0,4 0,45 Szz bzgl. Grenze (Position 2) ,5 0,25 Kühl Temperatur Heiz Temperatur Tabelle 27: Resultate Zweite Simulation. Durch das Auftreten eines Tag- und Nachtrhythmus entstehen verschiedene Temperaturgradienten. Während 24 Stunden. Bei der zweiten Simulation wurde darum mit dem begonnen, die Außentemperatur mit der Temperatur im Beton auszubalancieren, indem man mithilfe von Heizung und/oder Kühlung gegensteuert (als Ziel die Eliminierung der Temperaturgradienten). Dieses Beisteuern kann nur an den äußeren Rändern durchgeführt werden, da der Einfluss der Außentemperatur nahe bei der Oberfläche am größten ist. Diese Simulation liefert ähnliche Werte wie beim Konstanten Kühlen des Blocks. Indem man mit den angesteuerten Kanälen spielt kann die günstigste Situation hergestellt werden bei der der unity-check auf Position 1; 0,5 und auf Position 2; 1,0 beträgt. Dies bedeutet, dass auf Position 1 die Sicherheitsgrenze noch nicht erreicht ist. Um die Grenzüberschreitung zu unterbinden wurde noch eine weitere Simulation mit Isolation an den Rändern des Betonblocks durchgeführt. Von den durchgeführten Simulationen wurden die besten Resultate mit konstanter Heizung des gesamten Blocks erzielt (5x6 Kanäle) oder Isolation in Zusammenspiel mit Heizung. Auf diese Art und Weise werden alle Sicherheitsanforderungen erfüllt. Siehe auch untenstehende Tabelle. Diese guten Resultate werden vermutlich durch eine schnellere Reifeentwicklung und die damit verbundene schnelle Entwicklung von Zugstärke verursacht, die mit dem Einsatz der Heizung einhergeht. Test Konstant 5 x 6 Heizung S & C Isolation 5 x 6 Heizung Tmax ( C) 29,69 29,87 Reife max Szz bzgl. Grenze (Position 1) 0,2 0,2 Szz bzgl. Grenze (Position 2) 0,5 0,2 Kühl Temperatur - - Heiz Temperatur 20 20

62 Seite 62 von 73 Tabelle 28: Beste Optionen (Simulation) Praxisfall Mit den gefundenen Resultaten aus dem vorherigen Paragraph wurde ein Praxisfall simuliert. Dies betrifft eine Wand die wirklich gebaut wurde. Die Wand ist in der vollenden Grafik dargestellt. Abbildung 51: Frontwand Praxisfall. In diesem Fall wurde eine Sommersituation mit einer Umgebungstemperatur von 21 C und einer Amplitude von 5 C simuliert. Ohne Maßnahmen in Form von Kühlung oder Heizung werden die Sicherheitsgrenzen Überschritten. Mit dem Wissen aus dem vorigen Paragraphen wurden einige Maßnahmen simuliert. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle zu finden. Test Keine Kühlung Konstante Kühlung + Isolierung Kühlung im Tag/Nacht Rhythmus + Isolierung Tmax ( C) 43,4 40,6 40,3 40,7 Szz bzgl. Grenze (Position 1) 0,1 0,9 1 0,9 Szz bzgl. Grenze (Position 2) 0,4 1 0,6 1,1 Szz bzgl. Grenze (Position 3) 2,3 1,1 0,9 0,7 Kühl Temperatur Heiz Temperatur Tabelle 29: Resultate Simulation Praxisfall. Mix Konstant & Periodisch + Isolation Aus der obigen Tabelle folgt, dass das Problemgebiet hier der Kopf der Wand ist (Eckpunkte). Das Kühlen verbessert die Situation an diesem Punkt beträchtlich (allerdings werden die Spannungen an anderen Punkten erhöht). Möglicherweise kann der Kühlplan in diese Richtung optimalisiert werden. Dies ist jedoch kein Teil dieser Studie Simulation an das aktuelle Sensorsystem Koppeln In dem Moment wenn die Simulation durchgeführt wurde, ist die Modellerstellung bereit und Empfehlungen können gegenüber den Auftraggeber ausgesprochen werden. Es kann allerdings sein, dass die Annahmen aus den Simulationen nicht mit der Praxis übereinstimmen (wenn es zum Beispiel einen Sturm gab). Beim Gebrauch von Sensoren zur Temperaturmessung im Bau können damit große Abweichungen von der Simulation (und damit Schadenskosten) identifiziert werden um so zusätzliche Maßnahmen während Bauvorhabens vornehmen zu können.

63 Seite 63 von Vorhersage der Dauerhaftigkeit Im Zuge der Studie die gemeinsam mit der RILEM Kommission TC 230 PSC durchgeführt wurde, wurden bei B A S Research & Technology Messungen zu Dauerhaftigkeitsaspekten durchgeführt. Die folgenden Messungen wurden angewandt: - Koeffizient für (Luft)Durchlässigkeit (Permea-TORR); - Feuchtigkeitsgehalt, elektrische Impedanz; - Rückprallhammer - Deckungsmessung - Elektrischer Widerstand (Wenner Methode mit z.b. resipod) Diese Messungen wurden an Wänden aus Beton durchgeführt. Bei einem Alter von Tagen wurde ein Test durchgeführt und an denselben Wänden wurde nach Tagen (±3 Monaten) ein weiterer Test vorgenommen. Die Tests wurden durch drei verschiedene Wissenschaftler durchgeführt (Frank Jacobs, Marijana Serdar und Roberto Torrent). Die Resultate der ersten und zweiten Runde werden in der folgenden Tabelle gezeigt. Tabelle 30: Resultate Messungen erste Runde durch Marijana Serdar.

64 Seite 64 von 73 Tabelle 31: Resultate erste Runde durch Roberto Torrent. Tabelle 32: Resultate zweite Runde durch Frans Jacobs

65 Seite 65 von 73 Tabelle 33: Resultate zweite Runde durch Roberto Torrent Die Resultate wurden in den untenstehenden Grafiken verarbeitet. Abbildung 52: Resultate erste Runde (14-21 Tage) Abbildung 53: Resultate zweite Runde. Aus den obenstehenden Angaben kann konkludiert werden, dass die Durchlässigkeit des Betons in älterem Beton zunimmt. Dies ist nicht logisch, da die Durchlässigkeit über Zeit eigentlich abnehmen müsste. Jedenfalls reagiert immer mehr Zement, wodurch die Struktur des Betons dichter wird. In der untenstehenden Grafik werden die gemessenen Werte von Frans Jacobs und Roberto Torrent verglichen. In der Grafik ist sichtbar dass die Werte nahe an der blauen Eichlinie liegen. Die Werte aus Runde 1 (gestrichelt) liegen dagegen etwas niedriger.