Test zur Messung der thermischen Eigenschaften von Beton

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1 Test zur Messung der thermischen Eigenschaften von Beton Jean-David GRANDGEORGE, Sandrine BRAYMAND, Christophe FOND, Violaine TINARD IUT Robert Schuman, Université de Strasbourg «Nachhaltiges Bauen am Oberrhein» Warum die thermischen Eigenschaften von Beton mit recycelten Zuschlägen bestimmen? Beton mit recycelten Zuschlägen : Verschiedenartige und nicht homogene Inhaltstoffe (Zusammensetzung, Zustand, Porosität,...) Hauptsächlich keine Informationen vorhanden Verwendung bei der Konstruktion von Niedrigenergiehäuser n Wärmeleitfähigkeit λ Spezifische Wärme C m Dichte ρ Möglichkeiten für Speicherung / Rückgabe von thermischer Energie

2 Wie kann man diese Eigenschaften messen? Einen Versuchskörper herstellen Ihn einer thermischen Belastung aussetzen Das Phänomen analytisch oder numerisch beschreiben Eine Vorgehensweise zur Bestimmung der Eigenschaften definieren Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärme Dichte Den Versuch verbessern Versuchsaufbau Geometrie und Herstellung des Versuchskörpers Auswertung von einfachen experimentellen Daten durch ein geprüftes numerisches Modell neuartiger Versuch Der Versuchskörper Betonring hergestellt mit einer zylindrischen Form (16x32cm) Inneres Rohr aus Karton und mit einem dichten Boden aus Metall Temperaturfühler zwischen Karton und Beton Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärme Dichte Geometrie geprüft seit 2009

3 Thermische Beanspruchung Thermische Beanspruchung des sich im Rohr befindenden Wassers Inneres Rohr aus Karton mit einem dichten Boden aus Metall Beanspruchung durch Erhitzung des Wasser mit einem thermischen Widerstand : 1. Messkampagne Beanspruchung durch eine sich abkühlende Menge Wasser von 70 C: 2. Messkampagne 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Der thermische Widerstand erzeugt einen stationären Zustand Wasser erhitzt mit einem Widerstand von 24W oben ein isolierender Deckel Magnetrührer Erzwungene Luftströmung mit einem Lüfter Messung der Innen- und Außentemparatur

4 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Der thermische Widerstand erzeugt einen stationären Zustand l R i R e Versuchsbedingungen Annahmen für die Anwendung der Beziehung die λ ergibt: Gleichmäßige Temperatur auf der Oberfläche des Rohres Konstanten Dicke des Rings Warten auf einen stationären Zustand, vor der Temperaturmessung Randeffekte vernachlässigbar Homogenes Material Vorgeschriebene und kontrollierte Temperatur an der Innenwand Zwangskonvektion an der Außenwand des Zylinders Weiterleitung im Beton (von innen nach außen) 1. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit 1. Homogenität der Oberflächentemperatur 2. Kontrolle der Dicke Als konstant angesehene Dicke für die drei geprüfte Betone: 2,25 +/-0,40 cm. 3. Experimentelle Überprüfung der Randbedingungen 4.Numerische Bestätigung der Randbedingungen Stichprobe λmit an einem Ende isolierten Versuchskörper W/( m.k) λmit an beiden Enden isolierten Versuchskörper W/( m.k) Relativer Abstand (%) Klassicher Beton 1,17 1,19 1,7 Gemischter Beton 2,60 2,48 4,6 Recycelter Beton 1,09 0,98 10

5 1. Messkampagne : Ergebnisse Klassicher Beton Gemischter Beton Recycelter Beton Länge des Versuchskörpers (cm) Dichte (Kg/m 3 ) λ: Wärmeleitfähigkeit (W/m.K) Cp : Spezifische Wärmekapazität (J.kg -1.K -1 ) Messungen bezogen auf einen Beton von 12 Monaten Spezifische Wärme :zerstörende Prüfung, gebrochener Beton wird in einem Ofen erhitzt und dann in ein Kalorimeter mit kaltem Wasser getaucht Dichte: durch Wiegen der Veruchskörper Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Eine Wassermenge von 70 C wird in das zentrale Rohr gegossen, dann wird die Abkühlung des umgebenden Materials beobachtet.

6 2. Messkampagne : Wärmeleitfähigkeit Kühlung muss numerisch analysiert werden Température eau Température intérieure béton Température extérieure béton Ecart de Température (K) Temps(s) «Construction durable dans le Rhin Supérieur» 15/11/ Messkampagne : Parameteridentifizierung Ecart de température (K) Die Identifizierung ist im Gange :Vergleich der numerischen Ergebnisse für verschiedene Werte der Leitfähigkeit mit den experimentell ermittelten Werten. Die Werte ρundcm wurden der 1. Messkampagne entnommen. k=0,6 k=1,3 k=2 Expérimental Das beobachtete Verhalten bestätigt die Möglichkeit der Prüfung mit dem Rings, die 3. Kampagne wird geplant: - mit einer neuen Geometrie - Wärmeaustausch reproduzierbar -Mit einem sukzessiven Verfahren zur Bestimmung von ρ, C undλ Temps (s)

7 3. Messkampagne : Verfahren in der Entwicklung Metallisches Innenrohr mit dichtem Deckel Die Temperatur des Wassers sei identisch mit der Innenfläche des Betons Versuch in drei Phasen : 1. Phase : isolierter Ring, 70 C warmes Wasser wird in das Rohr gefüllt 3. Phase : Stationärer Zustand mit Widerstand 2. Phase : Abkühlung 3. Messkampagne : Verfahren in der Entwicklung 1. Phase : isolierter Ring, 70 C warmes Wasser wird ins Rohr gefüllt Temperatur Wasser Gleichgewichtstemperatur Temperatur Beton SPEZIFISCHE WÄRME des Betons

8 3. Messkampagne : Verfahren in Entwicklung 2. Phase : Abkühlung Parameteridentifikation auf Grund des numerischen Modells (2. Kampagne) WÄRMELEITFÄHIGKEIT des Betons 3. Phase : Stationärer Zustand mit Widerstand Bestimmung von λmit einer analytischen Berechnung (1. Kampagne) Bestätigung der Ergebnisse der 2. Phase 3. Messkampagne : Extern erzwungene Konvektion Lüfter Das Auflager erlaubt einen Austausch durch reproduzierbare Luftkonvektion : Stabile Luftströmungszone um den Betonring Einstellung einer Lufttemperatur Isolierung im oberen Teil, Rührer und elektrischer Widerstand Versuchskörper Isolierung im unteren Teil Auflager noch in Entwicklung Kältebatterie Lufteintritt

9 Zusammenfassung : Messverfahren Die Messungen der Leitfähigkeit und der spezifische Wärme aus der 1. und 2. Messkampagne zeigen die thermische Abhängigkeit eines Betons mit recycleten Zuschlägen Die neue Geometrie mit dem Metall-Innenrohr ermöglicht Untersuchungen von Beton mit einem Größtkorndurchmesser < 8 mm. So kann die Temperatur ohne Einsatz einer Sonde während der Herstellung der Ringe gemessen werden. Die 3. Messkampagne wird dieeichung von Modellen und die Bestimmung von eine "charakteristische" Kühlzeit ermöglichen. Wärmeleitfähigkeit λ Spezifische Wärme C m Dichte ρ Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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