Baustoffkunde Übung 04 Protokoll zur Betonherstellung (Erstprüfung)

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1 Baustoffkunde Übung 04 Protokoll zur Betonherstellung (Erstprüfung) Gliederung: 1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmengen für 1 m³ verdichteten Beton a. Anforderungen an den Beton b. Stoffraumrechnung c. Massenermittlung für 1m³ Beton d. Massenermittlung für Probekörper e. Tatsächliche Mischungszusammenstellung auf Grundlage der Frischbetonrohdichte f. Mehlkorngehalt 2. Ermittlung der Baustoffmengen für die Probekörper 3. Prüfungen am Frischbeton a. Ausbreitmaß b. Verdichtungsmaß c. Luftporengehalt d. Frischbeton-Rohdichte 4. Herstellung der Probekörper 5. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung 1/10

2 1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmengen für 1 m³ verdichteten Beton Unter Zuhilfenahme des Protokolls aus der Übung Sieblinie werden die ermittelten prozentualen Anteile der Korngruppen 0/4, 4/8, 8/16 und 16/32 für den Sieblinienbereich A/B 32 in die Tabelle der Mischungsberechnung eingetragen. Ebenfalls finden die Körnungsziffer k sowie die damals ermittelten Rohdichten der Korngruppen hier ihren Platz. Vorgabe für die Betonherstellung ist außerdem ein Portland-Kalksteinmehl- Zement mit der Bezeichnung CEM II/A-LL und der Festigkeitsklasse 32,5 Rapid. a. Anforderungen an den Beton: Die Ermittlung der spezifischen Anforderungen für ein Beton-Bauteil erfordert eine eingehende Überprüfung des Umfelds. Bei dem angenommenen Stützmauerwerk im Außenbereich herrscht mäßige Feuchte, wie es z.b. bei Bauteilen im Sprühnebelbereich von Verkehrsflächen oder Einzelgaragen der Fall ist. Die Kategorisierung ist hier XD1 für die Bewehrungskorrosion durch Chloride (außer Meerwasser). Weiterhin führt eine direkte Beregnung des Bauteils zu einer wechselnden Nässe oder Trockenheit. Dieser Umstand führt vermehrt zu einer Carbonatisierung des Betons, der dadurch entstehende Verlust der Alkalität kann eine Korrosion der Bewehrung begünstigen. Aus diesem Grund wird hier die Expositionsklasse XC4 gewählt. Des Weiteren wird in der Nähe des Bauteils regelmäßig Taumittel für die Behandlung der Verkehrsflächen zum Einsatz gebracht. Dieser Umstand führt durch den Sprühnebel ebenfalls zu einer Belastung für den Beton und seine Bewehrung und erfordert eine Einstufung in XF2. Durch Konsultation der DIN und weiterführender Literatur ergeben sich daher folgende Grenzwerte: Bauvorhaben Stützmauer im Außenbereich Bauteil Erforderliche Expositionsklasse XC4 XD1 XF2 Max. Anforderungen Höchstzulässiger 0,60 0,55 0,50 0,50 w/z Midestdruckfestigkeitsklasse C25/30 C30/37 C35/45 C35/45 min f ck Mindestzementgehalt 280 ohne 300 ohne 320 ohne 320 min z in [kg/m³] Zusatzstoffe Zusatzstoffe Zusatzstoffe Mindest-LP in % /10

3 Nach der Ermittlung der Mindestanforderungen werden nun die bekannten und gewollten Werte in die Tabelle Mischungsberechnung eingetragen. So wird für die Verarbeitbarkeit eine weiche Konsistenz angestrebt, hier gilt die Verdichtungsmaßklasse C3 mit 1,1 1,04 und das Ausbreitmaß F3 mit a=42 bis 48 cm. Da die Druckfestigkeit C35/45 für Prüfkörper auf eine Unterwasser-Lagerung von 28 Tagen ausgelegt ist, in den Prüflabors der HS Augsburg allerdings die Dry-Methode mit Trockenlagerung nach bereits sieben Tagen Anwendung findet, muss folgende Berechnungsformel verwendet werden: f c, cube = 0,92 f c, dry > f c, dry = f c, cube 0,92 = kn 45 mm² 0,92 kn = 48,93 49 mm² Unter Berücksichtigung des Vorhaltemaßes von 6 N/mm² ergibt sich somit der Wert 55 N/mm². Wird dieser Wert in der Walz-Kurve abgetragen und mit dem Arbeitsbereich für einen Zement CEM 32,5 in Übereinstimmung gebracht, so ergibt sich daraus ein erforderlicher Wasser-Zement-Wert von max. 0,43. Wird der w/z-wert mit den Anforderungen der Expositionsklassen (max. w/z 0,5) verglichen, wird klar, dass hier dieser niedrigere Wert angesetzt werden muss. Anschließend wird der Wasseranspruch bei der gewählten Ausbreitmaßklasse errechnet: Konsistenzklasse Wasseranspruch [l/m³] in Abhängigkeit d. k-wertes C0 C1 F1 w = 1100 C2 F2 w = 1200 C3 F3 w = 1300 C4 F4 w = 1400 F5 F6 Ab hier muss mit Fließmitteln gearbeitet werden! Formel für Wassermengenberechnung : w c = k + 3 3/10

4 Aus der Formel ergibt sich für die Konsistenzklasse C3/F3 also ein Wasseranteil , von w = 170kg / m³. Wird nun der w/z-wert mit der Menge Wasser in Beziehung gesetzt, lässt sich die entsprechend benötigte Menge Zement ausrechnen: w 170kg / m³ = 0,43 = z z Nach Umstellen der Formel ergibt sich der Zementanteil von 395 kg/m³. All diese Werte werden in die entsprechenden Felder des Tabellenbogens eingetragen. b. Stoffraumrechnung: Die Stoffraumrechnung gestattet es, den Anteil der einzelnen Stoffgruppen an 1000 dm³/m³ zu errechnen. Diese Umrechnung ergibt anschließend nach Abzug der Stoffmengen von Wasser, Zement, Zusatzstoff und Luftgehalt einen Rest, welchen wir für die Gesteinskörnungen verwenden können. In diesem Beispiel: Gew. w/z 0,43 Dichte kg/dm³ Stoffraum dm³/m³ = Wassergehalt 170 Kg/m³ : 1, Zementgehalt 395 Kg/m³ : 3, Zusatzstoffe Luftporen 1,5 Vol-% Erforderlicher Gehalt an Gesteinskörnung 685 Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass wir 685 dm³/m³ Stoffraum für die einzelnen Gesteinskörnungen zur Verfügung haben. = 685 4/10

5 c. Massenermittlung für 1 m³ Beton: Im nächsten Schritt wird, unter Zuhilfenahme der bereits vorab ermittelten Sieblinie, der Anteil der Gesteinskörnungen an dem gesamten Stoffraum berechnet. Dies erfolgt über eine simple Dreisatz-Rechnung. Daraufhin wird über die entsprechende Kornrohdichte der Korngruppen die trockene Masse ermittelt. Zusammensetzung für 1m³ Körnung Anteil Stoffraum Kornrohdichte Masse trocken mm % dm³/m³ kg/dm³ kg/m³ Sand 0/ ,8 2,70 647,5 Kies 4/ ,8 2,71 278,6 Kies 8/ ,9 2, Kies 16/ ,7 2,74 544,4 Summe ,2 1858,8 Zusatzstoff Zement 395 Wasser 170 Soll Frischbetonmasse (gerechnete Rohdichte) 2423,5 Ist Frischbetonmasse (Rohdichte aus Versuch) 2437,5 d. Massenermittlung für Probekörper: Dem Gliederungspunkt 2 vorgreifend, wird nun die Zusammensetzung für die später benötigten 55 dm³ (= 55*10-3 m 3 = 0,055 m 3 ) berechnet. Körnung für 1 m³ Zusammensetzung für 0,055 m³ für 1,0 m³ Masse Masse Oberflächenfeuchte Rückrechnung trocken trocken feucht % / kg 0/4 647,5 35,6 0 / 0 651,2 4/8 278,6 15,3 0 / 0 280,2 8/ ,5 0 / 0 392,3 16/32 544,4 29,9 0 / 0 547,5 Zusatzstoffe Zement , ,3 Wasser 170 9, ,0 2423,5 2439,5 5/10

6 Da die Zuschläge aus dem Prüflabor stammen, sind sie bis zur Gewichtskonstante getrocknet und die Spalte Oberflächenfeuchte entfällt. Sollte jedoch die Gesteinskörnung Feuchtigkeit enthalten, so muss diese Menge Wasser dem chemisch aktiven Zugabewasser abgezogen werden, um den Wasser-Zement- Wert nicht zu verfälschen. e. Tatsächliche Mischungszusammenstellung auf Grundlage der Frischbetonrohdichte Die bisherige Zusammenstellung der Stoffmengen basiert auf den Anforderungen und den rechnerisch ermittelten Werten entsprechend des bisher ausgefüllten Stoffmengen-Formulars. Nun gilt es aber, anhand der Frischbetonrohdichte, die tatsächlich benötigte Menge für 1 m³ Beton zu ermitteln. Der Gliederung folgend, wird der ermittelte Wert (aus 3.d. σ = 2.437,5 kg/dm³) für die Korrektur herangezogen. Anhand dieses Wertes lässt sich nun in obiger Tabelle die letzte Spalte Rückrechnung füllen. Masse, alt Masse, neu = Frischbetonrohdichte, neu Frischbetonrohdichte, alt f. Mehlkorngehalt: Abschließend in der Stoffmengenberechnung steht nun noch die Bewertung des Mehlkorngehalts aus. Einerseits fördert ein ausreichender Mehlkornanteil die Verarbeitbarkeit sowie die Pumpbarkeit und ein Bluten wird verhindert. Andererseits kann ein zu hoher Anteil das Schwindverhalten, die Frost- und Taumittelbeanspruchung und den mechanischen Verschleiß in negativer Weise beeinträchtigen. Die DIN-Norm untersucht hier in mehreren Kriterien: Expositionsklasse Größtkorn Zementgehalt Zementgehalt [kg/m³] Höchstzulässiger Mehlkorngehalt [kg/m²] Expositionsklassen XF, XM X0, XC, XD, XS, XA Größtkorn der Gesteinskörnung 8 mm mm 8 63 mm /10

7 Anhand dieser Tabelle wird ersichtlich, dass in unserem Fall ein maximaler Mehlkornanteil von 450 kg/m³ zugelassen ist. Die Kontrolle unseres Betons geschieht mit nachfolgender Formel. Die Werte der Zementmasse und Flugasche sind dabei dem Stoffmengenformular zu entnehmen, die Masse des feinen Kornanteils lässt sich aus dem Sieblinienanteil der entsprechenden Korngruppe berechnen: vorhandener Mehlkornanteil vorh. MK = 397, Zementmasse Masse Gesteinskorn = + < 0,125 = 463,3 kg / m³ > Sollwert 450kg / m³ + Masse Flugasche Es wird hier klar, dass der Mehlkornanteil für diesen Beton außerhalb des Normbereichs liegt. 2. Ermittlung der Baustoffmengen für die Probekörper Für weitergehende Prüfungen wird nun die Betonmenge gegebener Betonprobekörper ermittelt. Diese Menge ist Grundlage für die bereits oben angegebene Laborinterne Zusammensetzungsberechnung sowie die Rückrechnung der tatsächlichen Massen pro Kubikmeter. Anzahl Probekörper Maß [cm] Volumen [dm³] Gesamtvolumen [dm³] 1 Kubus 20x20x Kubus 10x10x Kubus 15x15x15 3,375 6,75 1 quadratisches 20x20x12 4,8 4,8 Prisma 1 Balken 15x15x70 15,75 15,75 1 Zylinder h=30, d=15 5,30 5,30 Σ 41,6 + Vorhaltung + Luftporen Gesamt 55 Es werden also 55 Liter (dm³) oder 0,055 m³ Beton benötigt, um die Körper füllen zu können. Die Vorhaltung gilt als Reserve und wird benötigt, um den LP-Topf (8-Liter) für die Rohdichtebestimmung und die LP-Gehalts-Prüfung komplett füllen zu können. 7/10

8 3. Prüfungen am Frischbeton: Ist nun die gewünschte Menge Beton in ihren Einzelbestandteilen bereitgestellt, wird der Mischvorgang eingeleitet. Dieser dauert in einem Zwangsmischer 60 Sekunden. a. Ausbreitmaß: Es wird ein Trichter auf einem Anschlagbrett platziert, wobei darauf zu achten ist, dass die jeweiligen Oberflächen sauber und angefeuchtet sind. Aus der fertigen Betonmasse wird nun der Trichter vollständig befüllt und an der Oberkante bündig abgestrichen. Nach Entfernen des Trichters wird das Anschlagbrett nun in gleichmäßigem Rhythmus 15-mal auf vier Zentimeter angehoben und fallen gelassen. Nach Vollendung des Zyklus werden die Ränder der Masse mit Kellen begrenzt und die Abstände über Kreuz auf dem Gliedermaßstab abgelesen. Der Versuch bestätigt den Normwert: a=42/40 cm F3 a=42 bis 48 cm. b. Verdichtungsmaß: Es wird ein Behälter mit den Abmessungen 20x20x40 cm im Uhrzeigersinn mit Betonmasse befüllt. Es ist dabei zu beachten, dass die Mörtelkelle immer auf der jeweiligen Behälterkante abgelegt und der Beton aus dieser vorgeschriebenen Höhe über abkippen der Kelle eingebracht wird. Nach vollständigem Befüllen und bündigem Abstreichen wird der Behälter auf einem Rütteltisch bearbeitet. Anschließend wird der Abstand der Betonoberfläche zu jeder Kantenlänge des Behälters mit dem Gliedermaßstab abgelesen und daraus das arithmetische Mittel gebildet. Anschließend wird die tatsächliche Höhe der Betonmasse berechnet: h = 400 h Differenz Verdichtungsmaß = = ,75 = 305,25 cm Anfangshöhe Endhöhe 400cm = 305,25cm = 1,32 Ergebnis: Die Forderung einer weichen Konsistenz (C3, Verdichtungsmaß 1,1 bis 1,04) ist nicht erfüllt! 8/10

9 c. Rohdichte: Aus der gewonnenen Betonmasse wird nun ein 8-Liter-Gefäß (LP-Topf) während kontinuierlichem Rütteln befüllt und die Oberfläche bündig zur Gefäßkante abgestrichen. Anschließend wird dieses Gefäß gewogen und das Gewicht durch das Volumen geteilt. Somit ergibt sich die Frischbetonrohdichte, die Grundlage für weitere Berechnungen (1.e). 19,5kg Frischbeto nrohdichte = = 2.437,5 kg / dm³ l d. Luftporengehalt: Der in 3.c. befüllte LP-Topf wird nun mit dem zugehörigen Deckel versehen, der noch verbliebene Raum zwischen Betonoberfläche und Deckel-Unterkante mit Wasser befüllt und die seitlichen Ventile geschlossen. Anschließend wird über den Kolben der Druck aufgebaut, bis sich das Druckmanometer auf der roten Farbmarkierung einpegelt. Mit der Korrekturtaste lässt sich ein etwaiger geringer Überdruck regulieren. Sind alle Vorbereitungen getroffen, wird der Vorgang mit der Test -Taste ausgelöst. Dieser Versuch zeigt jetzt einen Luftporengehalt von 1,8 %, somit liegt der Wert 0,3 % über unserer Anforderung. Der Inhalt des Behälters muss anschließend verworfen werden, die Betonmasse steht nicht mehr für weitere Zwecke zur Verfügung. 4. Herstellen der Probekörper: Nach Vollendung der Prüfungen werden die Formen der Probekörper auf dem Rütteltisch vollständig befüllt und verdichtet. Die Körper werden jetzt einen Tag lang ruhen, bis die Zementkristalle ausreichend Festigkeit erlangt haben. Gerade auf Baustellen und bei größeren Betonkörpern ist darauf zu achten, dass während des Abbindeprozesses der Feuchtigkeitsgehalt der Betonoberfläche konstant bleibt. Hier ist eine ordentliche Nachbehandlung von Nöten. Nach Abschluss der Abbindezeit werden die Körper ausgeschalt und in einem Wasserbad bis zum siebten Tag gelagert. Anschließend werden die Probekörper nach der Dry-Methode bis zum 28. Tag trocken an Luft gelagert. 9/10

10 5. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung: Die Ergebnisse aus der Stoffraumrechnung und der Prüfung ergeben eine Konsistenz, welche den vorgeschriebenen Mehlkornanteil von 450 kg/m³ um 13,3 kg/m³ überschreitet. Ebenfalls ist die Anforderung einer weichen Konsistenz nach C3 mit einem Wert von 1,32 nicht erfüllt. Es bleibt zu klären, in wieweit ein, im Vorfeld, höher gewählter Wasseranteil, in der Stoffraum- und Mischungsrechnung diese Normbereiche abdecken würde. Ebenfalls weist unser Beton einen um 0,3% höheren Luftporenanteil auf, als es unsere Betonanforderung vorsieht. 10/10