Baustoffkunde Praktikum. Übung 4. Betonherstellung (Erstprüfung) Gruppe A 2. Martin Mayr

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1 Baustoffkunde Praktikum Übung 4 Betonherstellung (Erstprüfung) Gruppe A 2 Martin Mayr Betonherstellung, Martin Mayr A 2-0 -

2 1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmenge für 1 m³ verdichteten Beton (Mischungsberechnung) 1.1. Bestimmung Mindestanforderung 1.2. Ausgangsstoffe 1.3. Stoffraumrechnung 1.4. Zusammensetzung für 1 m³ 2. Ermittlung der Baustoffmenge für die Probekörper 3. Frischbetonprüfung 3.1. Ausbreitmaß 3.2. Verdichtungsmaß 3.3. Frischbetonrohdichte 3.4. Luftporengehalt 4. Herstellen der Probekörper 5. Ermittlung der tatsächlichen Mischungszusammenstellung aus der Frischbetonrohdichte 5.1. Mehlkorngehalt 6. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung 7. Anhang Betonherstellung, Martin Mayr A 2-1 -

3 1. Rechnerische Ermittlung der Baustoffmenge für 1 m³ verdichteten Beton (Mischungsberechnung) 1.1. Bestimmung Maximalanforderung Bevor die Mischungsberechnung stattfinden kann, werden erst die Maximaltanforderungen an den Beton ermittelt, die für das jeweilige Bauwerk erforderlich sind. Dies geschieht durch die sog. Expositionsklassen. In unserem Falle handelt es sich um eine Stützwand, dabei ergeben sich folgende Anforderungen durch die jeweiligen Expositionsklassen: Bild 2.1. Da es sich um eine Außenwand handelt, wird der Beton nicht nur mechanisch, sondern auch durch äußere Einflüsse wie Regen beansprucht und sollte folgende Expositionsklassen (siehe Bild 2.1.) aufweisen: XC4 Wechselnd nass und trocken Außenbauteile mit direkter Beregnung, Bauteile in Wasserwechselzonen XD1 Mäßige Feuchte Bauteile im Sprühnebelbereich von Verkehrsflächen XF2 Mäßige Wassersättigung mit Taumittel oder Meerwasser Betonbauteile im Sprühnebelbereich von taumittelbehandelten Verkehrsflächen, Betonbauteile im Sprühnebel von Meerwasser Betonherstellung, Martin Mayr A 2-2 -

4 Nachdem die Expositionsklassen mit ihren Werten ermittelt wurden, wird nun die jeweilige maximale Anforderung (siehe Bild 2.1.) heraus gesucht, nach der man sich bei der Betonherstellung zu richten hat. Hierbei gilt: Kleinster w/z-wert Größte Mindestdruckfestigkeitsklasse min. f ck Größter Mindestzementgehalt min. z Aus unseren Anforderungen ergeben sich auch die Konsistenzklassen, nach denen sich auch die Erstprüfung zu richten hat. Konsistenzbereiche des Frischbetons nach DIN Konsistenzbereich Ausbreitmaßklassen Verdichtungsmaßklassen Klasse Ausbreitmaß [mm] Klasse Verdichtungsmaß sehr steif - - C0 =1,46 steif F1 =340 C1 1,45-1,26 plastisch F C2 1,25-1,11 weich F C3 1,11-1,04 Bild 3.1. Bei unserer Stützmauer brauchen wir einen weichen Beton. (siehe Bild 2.1.) 1.2. Ausgangsstoffe Bild 3.2. Die Ausgangsstoffe für unseren Beton ist ein Zement der Firma Heidelberger (siehe Bild 3.2). Als Sieblinie für die Gesteinskörnung nehmen wir die Sieblinie aus dem ersten Semester, nach dem Protokoll von Christina Weyand aus der Gruppe B 2 (siehe Bild 3.2.) Bild 3.3. Betonherstellung, Martin Mayr A 2-3 -

5 1.3. Stoffraumrechnung Bild ,6 Um aus dem WALZ Diagramm (Bild 4.2.) einen theoretischen w/z Wert zu ermitteln, müssen wir erst die angestrebte Druckfestigkeit f c,dry ermitteln. Dies geschieht über die Druckfestigkeitsklasse die wir ermittelt haben (siehe Bild 3.3.) und die Formel f c,cube = 0,92 * f c,dry Der Wert 0,92 ergibt sich, da wir den Beton unter Laborbedingung lagern und somit eine Sicherheit einbauen. Daraus ergibt sich dann wie folgt die Druckfestigkeit: f c, cube 45 N N N f c, dry = = = Vorhaltemaß = 55 0,92 0,92 mm² mm² mm² Bild 4.2. Betonherstellung, Martin Mayr A 2-4 -

6 Danach muss noch der erforderliche Wassergehalt w bestimmt werden, was wiederum über ein entsprechendes Diagramm (siehe Bild 5.1.) erfolgt. Bild 5.1. Daraus ergibt sich nun ein Wassergehalt von 175 kg/m³. Weiterhin ergibt sich der Zementgehalt zu 407 kg/m³ aus z = w/(w/z). Da wir nun die nötigen Gehälter haben, können wir mit Hilfe der Dichten den Stoffraum ausrechnen. (siehe Bild 4.1.) Nachdem wir die Stoffmenge für den Zement, das Wasser und die Luftporen haben, errechnen wir auch noch die nötige Menge an Gesteinskörnung. Hierbei wird über den Gesamten Stoffraum (= 676,6 dm³/m³) und dem prozentualen Anteil der Gesteinskörnungen der Stoffraum der einzelnen Körnungen ausgerechnet. Bei unserer Sieblinie ergibt sich bei einem Gesamten Stoffraum von 676,6 dm³/m³ und einem Anteil von 35 % ein Stoffraum von 236,8 dm³/m³ für Sand 0\4. (siehe Bild 6.1.) Betonherstellung, Martin Mayr A 2-5 -

7 1.4. Zusammensetzung für 1 m³ Über die Kornrohdichte (aus dem Praktikum des 1. Semesters) kann nun die Masse für 1 m³ des Betons errechnet werden, indem sie mit dem Stoffraum multipliziert wird. (siehe Bild 6.1.) Bild Ermittlung der Baustoffmenge für die Probekörper Probekörper 1x 20x20x20 cm 8000 cm³ 8 l 2x 15x15x15 cm 3375 cm³ x 2 6,75 l 1 Balken 15x15x70 cm cm³ 15,7 l 1x 10x10x10 cm 1000 cm³ 1 l 1x 20x20x12 cm 4800 cm³ 4,8 l 1 Zylinder h = 30 cm, d = 15 cm 5300 cm³ 5,3 l ~ 55 l Da wir für unsere Probekörper und Prüfungen nur etwa 55 Liter benötigen, muss nun noch die Menge der Stoffe von 1 m³ herunter gerechnet werden. (siehe Bild 6.1.) z.b. für den Zement durch einen Dreisatz 1 m³ = 407 kg 0,055 m³ = x x = 407 * 0,055 = ~22,39 kg Betonherstellung, Martin Mayr A 2-6 -

8 3. Frischbetonprüfung Nachdem alle Zutaten für den Beton abgewogen und vermischt sind, wurden verschiedene Prüfverfahren angewendet, um heraus zu finden, ob die Berechnung korrekt verlief, und der Beton die richtige Konsistenz aufweist. Unter der Konsistenz wird die Steife des Betons verstanden. Sie gibt Aufschluss über die Verarbeitbarkeit des Betons. Beeinflusst werden kann die Konsistenz durch die Zusätze, auch z.b. durch Fließmittel Ausbreitmaß Das Ausbreitmaß beschreibt die Konsistenz von Frischbeton. Es wird durch Messung der Ausbreitung von Beton auf dem Ausbreittisch nach DIN EN Teil 5 bestimmt und in Ausbreitmaßklassen eingeteilt. Die Prüfung gilt nicht für Schaumbeton oder Einkornbeton sowie bei einem Größtkorn des Zuschlags von mehr als 63 mm. Dieser Versuch benötigt einen Ausbreittisch, auf dem der Versuch durchgeführt wird, dazu ein kegelstumpfförmiger Behälter (siehe Bild 7.1.), in den der Beton eingefüllt wird und natürlich ein Metermaß. Durchführung: Der kegelstumpfförmige Behälter wird mittig aufgesetzt und mit Frischbeton gefüllt (Bild 7.2.). Der Behälter wird hochgezogen und der Beton breitet sich aus. Der Ausbreittisch wird nun ruckfrei 15mal bis zum Anschlag um vier Zentimeter angehoben und fallen gelassen. Durch diese Erschütterungen breitet sich der Frischbeton weiter aus. (Bild 7.3.) Danach wird der Durchmesser des Betonkuchens gemessen. Der durchschnittliche Durchmesser ist das Ausbreitmaß. Bild 7.1. Bild 7.2. Bild 7.3. Für die Bestimmung des Ausbreitmaßes wird die Tabelle des Bildes 8.1. verwendet. In unserem Fall erhielten wir ein Ausbreitmaß von 43 cm, was unserer Ausbreitmaßklasse entspricht. Betonherstellung, Martin Mayr A 2-7 -

9 Konsistenzbereiche des Frischbetons nach DIN Konsistenzbereich Ausbreitmaßklassen Verdichtungsmaßklassen Klasse Ausbreitmaß [mm] Klasse Verdichtungsmaß sehr steif - - C0 =1,46 steif F1 =340 C1 1,45-1,26 plastisch F C2 1,25-1,11 weich F C3 1,11-1,04 Bild Verdichtungsmaß v Beim Verdichtungsversuch wird ein prismatischer Behälter von 40 cm Höhe und 20 cm x 20 cm Querschnittsfläche mit Beton lose gefüllt. Hierbei ist jede Verdichtung zu vermeiden. Danach wird der Beton an der Oberkante des Behälters glatt abgestrichen. Auf dem Rütteltisch wird der Beton verdichtet. Danach misst man in den Mitten der 4 Seiten des Behälters das Absinkmaß s, bildet daraus den Mittelwert und erhält die Füllhöhe s = 40 cm - s. Das Verdichtungsmaß v oder den Verdichtungsgrad erhält man aus dem Verhältnis der Behälterhöhe zur Füllhöhe mit der Formel v = h / s In unserem Falle wäre dies v = 400 mm/ 325 mm was einem Verdichtungsmaß von v = 1,23 entspricht. Wenn wir nun in unserer Tabelle (Bild 8.1.) nachsehen, erkennen wir, dass wir in die Konsistenzklasse C 2 abrutschen. Dies liegt jedoch noch in einem Maß, das für unseren Zweck einsetzbar ist Frischbetonrohdichte σ Die Frischbetonrohdichte wird gemessen, indem 8 Liter des frischen, verdichteten Betons abgewogen werden. Daraus ergibt sich rechnerisch die Frischbetonrohdichte, indem man das Gewicht durch das Volumen teilt. Das 8 Liter Volumen ergibt sich daraus, dass aus praktischen Gründen einfach der Behälter für den Luftporengehalt verwendet wird. Die weitere Verwendung der Frischbetonrohdichte wird im Punkt 5. Ermittlung der tatsächlichen Mischungszusammenstellung aus der Frischbetonrohdichte erläutert. Betonherstellung, Martin Mayr A 2-8 -

10 3.4. Luftporengehalt Der Luftporengehalt von Beton beschreibt den volumetrischen Anteil an Luft in einem vollständig verdichteten Beton. Üblich sind Luftporengehalte von 1 Vol.-% bis 2 Vol.-%. Luftporenbetone enthalten durch die Einbringung von künstlichen Luftporen höhere LP- Gehalte. Die Bestimmung des Luftgehaltes erfolgt für Normal- und Schwerbeton nach DIN EN , für Leichtbeton nach ASTM C173. DIN EN beschreibt das Wassersäulenverfahren und das Druckausgleichsverfahren. In Deutschland wird vor allem das Druckausgleichsverfahren angewendet. Durchführung: Das 8 Liter Gefäß aus der Frischbetonrohdichte wird weiter verwendet. Dabei wird das Gefäß mit seinem Deckel luftdicht verschlossen. Der Zwischenraum zwischen Beton und Deckel wird mit Wasser gefüllt, damit nur noch die Luftporen im Beton verdichtet werden können. Danach wird ein bestimmtes Volumen im Deckel durch aufpumpen unter Druck gesetzt, und die Anzeige des Manometers (Bild 9.1.) auf Null tariert. Nachdem das Ventil geöffnet wurde, kann man den Luftporengehalt in Prozent ablesen, da der Luftdruckverlust abhängig ist von den Luftporen im Beton. Bild 9.1. Unser Beton hat einen guten Luftporengehalt von 1,6 Vol.-%. Betonherstellung, Martin Mayr A 2-9 -

11 4. Herstellen der Probekörper Nach der Prüfung des Betons können wir nun die Probekörper herstellen, die wir für das weitere Praktikum verwenden werden. Dafür benötigen wir Formen für die Maße 1x Würfel 20x20x20 cm 2x Würfel 15x15x15 cm 1x Balken 15x15x70 cm 1x Würfel 10x10x10 cm 1x Würfel 20x20x12 cm 1x Zylinder h = 30 cm, d = 15 cm Die Formen bestehen aus Gusseisen und werden zuvor etwas mit Schalöl eingelassen, um den Beton leichter ausschalen zu können. Der Beton wird wie auf der Baustelle abgefüllt, d.h. dass die Probewürfel gefüllt werden und dann auf einem Rütteltisch gerüttelt werden, damit sich der Beton setzt. Wenn die Würfel bis zum Rand gefüllt und gerüttelt sind, wir der überschüssige Beton mit dem Stahllineal abgezogen und zum trocknen gestellt. Während der ersten 24 Stunden werden die Formen erschütterungsfrei und vor Austrocknung geschützt gelagert. Danach werden die Formen ausgeschalt und für weitere 27 Tage unter Wasser gelagert um anschließend im Praktikum die Druckfestigkeit zu Prüfen. 5. Ermittlung der tatsächlichen Mischungszusammenstellung aus der Frischbetonrohdichte Da wir am Anfang bei der Mischungsrechnung nur theoretisch gerechnet haben, wird nun mit Hilfe der gemessenen Frischbetonrohdichte die tatsächliche Mischungszusammenstellung ermittelt. Hierfür wird die gerechnete Zusammenstellung mit einem Korrekturfaktor verrechnet, der sich aus dem Verhältnis von gerechneter und ermittelter Rohdichte ergibt. σ gerechnet Masse ermittelt = * Massegerechnet σ ermittelt Korrekturfaktor Betonherstellung, Martin Mayr A

12 Dadurch ergibt sich in unserem Falle (siehe Bild 11.1.): Bild Mehlkorngehalt Anschließend wird noch der Mehlkorngehalt ermittelt, dieser ergibt sich aus dem Zement und der Gesteinskörnung < 0,125 mm. (siehe Bild 11.2.) Bild Den höchstzulässigen Mehrkorngehalt ermitteln wir aus der Tabelle: Bild Hier ist zu erkennen, dass wir im zulässigen Bereich liegen. Betonherstellung, Martin Mayr A

13 6. Abschließende Beurteilung der Erstprüfung höherer Zementgehalt dadurch bessere Mischung und weniger Entmischung Luftporengehalt minimal höher Beton ist etwas steifer geworden, als ursprünglich geplant Betonherstellung, Martin Mayr A

14 7. Anhang Bilder und 9.1. von Grafiken Bild 3.1., 8.1. und von Grafiken Bild 5.1. und 4.2. aus Skript Baustoffkunde Übungsblatt Expositionsklassen aus Betonherstellung, Martin Mayr A