Vorlesung Baustoffkunde

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1 Vorlesung Baustoffkunde - Entwurf Betonrezeptur - Referent: Ingo Schachinger Seite: 1 Seite 1

2 Übersicht Vorgehensweise - Rezepturentwurf Anforderungen an den Frisch- und Festbeton Vorgehen Sieblinie (zul. Größtkorn, Körnungsziffer) Festigkeitsklasse Expositionsklasse Konsistenzklasse Festlegung des max. zulässigen äquivalenten w/z-wertes Ermittlung Wasserbedarf Berechnung Zementbedarf Berechnung Gesteinskornbedarf Berechnung Mischungsverhältnis Berechnung Frischbetonrohdichte Überprüfung zul. Mehlkornanteil Seite: 2 Der Mischungsentwurf kann nie Anspruch auf Richtigkeit erheben. Eine Bewertung ist immer erst nach durchgeführter Erstprüfung möglich. Seite 2

3 Festlegung w/z-wert nach Festigkeitsklasse f c = f ck + f c Vorhaltemaß fc = 6 12 N/mm²! ( 2fache der Standardabweichung) f c,dry = f c / 0,92 * * Berücksichtigung Trockenlagerung (0,92 für Normalbeton C50/60; 0,95 hochfester Beton C55/67) mit f c,dry in Walz-Diagramm und max. zul. w/z-wert ermitteln! Seite: 3 Da die Erstprüfung im Normalfall unter idealen Laborbedingungen (oberflächentrockene Gesteinskörnungen, genaue Dosierung und Einhaltung der Herstellungs- und Lagerungsbedingungen) stattfindet, sind Vorhaltemaße erforderlich. Das Vorhaltemaß in Höhe der Doppelten zu erwartenden Standardabweichung resultiert aus dem Abstand des 5% Fraktilwertes von dem Mittelwert der Standardabweichung von 1,645 * Standardabweichung bei einer Normalverteilung nach Gauß. Seite 3

4 Festlegung w/z-wert nach Expositionsklasse w/z EP = zul w/z w/z Vorhaltemaß w/z = 0,02 0,05! (aus zul. Dosierungenauigkeit von ± 3%) Seite: 4 Ein Vorhaltemaß von nur 0,02 ist nur ausreichend wenn die Dosierung und speziell die Eigenfeuchte des Sandes technologisch gut beherrschbar sind. Mit dem Vorhaltemaß von 0,05 sind die zulässigen Dosierungenauigkeiten von ± 3 M.-% abgedeckt. Seite 4

5 Festlegung w/z-wert nach Expositionsklasse Gegenüberstellung der beiden ermittelten w/z-werte min w/z-wert ist maßgebend für den Mischungsentwurf! Seite: 5 Während der w/z-wert aus der Walz-Kurve die Einhaltung der Druckfestigkeit und somit die Tragfähigkeit des Bauteils sichert, gewährleistet der w/z-wert aus den Tabellen zur Expositionsklasse die Dauerhaftigkeit des Bauteils in den jeweiligen Umgebungsbedingungen. Seite 5

6 Festlegung Wasserbedarf Einstufung der Sieblinie bzw. Ermittlung k-wertk Welches Größtkorn zulässig? Welche Körnungen verfügbar? Welche Sieblinie wird gefordert bzw. eignet sich für das bestimmte Bauteil oder die Art des Betoneinbringens? Berechnung des k-wertes (Körnungsziffer) k = Summe aller Siebrückstände / 100 Seite: 6 In der Betonpraxis werden Sieblinien aus dem Bereich zwischen der Regelsieblinie A und B als günstig und zwischen B und C als brauchbar bezeichnet. Die nach der Formel von Fuller A = 100 *(d/d) n berechnete Sieblinie gilt als günstig. Während die Formel mit n=0,5 allgemein bekannt ist liegen die praktisch verwendeten Korngemenge zwischen n = 0,25 bis 0,7. Hohlraumärmste Gemenge ergeben sich bei n=0,4 (entspricht bis auf den Feinanteil der jedoch durch den Zementgehalt entsprechend erhöht wird) - der Regelsieblinie B. Empfehlung Schwanda n=0,4 Regelsieblinie B für Kies (Rundkorn) und n=0,3 - Regelsieblinie C für Splitt (gebrochenes Korn) Fuller empfiehlt für eine hohlraumarme Mischung einen Anteil von Körnern mit einem Durchmesser < 0,1 des Größtkorns in Höhe von ca. 35 %. Seite 6

7 Festlegung Wasserbedarf Berücksichtigung der gewünschten Konsistenzklasse Mit dem k-wert und der Konsistenzklasse als Eingangsparameter wird der Wasserbedarf entweder grafisch ermittelt bzw. nach der entsprechenden Formel berechnet! Konsistenzklasse Wasseranspruch [l/m³] in Abhängigkeit des k-wertes C0 C1 C2 C3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 w = 1100 / (k-wert + 3) w = 1200 / (k-wert + 3) w = 1300 / (k-wert + 3) w = 1400 / (k-wert + 3) w = FM Seite: 7 Die Frischbetonkonsistenz wird durch den Gehalt und Eigenschaft des Leimes (Feinstoffe Zement, Zusatzstoffe, Mehlkorn, Wasser und Luft) bestimmt. Sowohl ein höherer Leimanteil als auch ein fließfähigerer Leim (z.b. durch Zugabe von BV oder FM) führen zu einer weicheren Frischbetonkonsistenz. Um zielsicher auf der Baustelle verarbeitbare Betone herzustellen sollte der Leimgehalt zwischen 285 bis 300 l/m³ liegen. Seite 7

8 Festlegung Zementbedarf Der Einsatz von Zusatzstoffen des Typs II (reaktiv) muss bei der Berechnung des Zementbedarfs berücksichtigt werden. z = w w z eq k f f z: Zementmenge w: Wassermenge w/z eq : äquivalenter w/z-wert k f : Anrechenbarkeitsfaktor Zusatzstoff f: Menge an Zusatzstoff Seite: 8 Durch Zugabe von Zusatzstoffen Typ II kann nicht nur der Zementbedarf verringert, sondern auch die Verarbeitbarkeit des Frischbetons verbessert werden. Je feiner der Zusatzstoff und je kugeliger die Kornform desto weicher wird der Beton. Als Anrechenbarkeitsfaktor k f setzt die Norm für Flugasche 0,4 und für Silikastaub 1,0 an. Bei der Flugasche (kurz FA) wird die für den w/z-wert anrechenbare Flugaschemenge auf 33 % des Zementgewichtes begrenzt. Die Zugabemenge zum Beton ist nicht begrenzt. Flugasche wird gerne zur Reduzierung der Hydratationswärme (massige Betonbauteile) genutzt. Bei Silikastaub dürfen zur Gewährleistung einer ausreichenden Alkalität des Festbetons lediglich 11 % des Zementgewichtes zugegeben werden. Seite 8

9 Berechnung Gesteinskornbedarf Der Bedarf an Gesteinskörnung ergibt sich unter Berücksichtigung des Luftporenanteils aus der auf 1 m³ Beton bezogenen Stoffraumrechnung: g = ρ Rg * (1000 p z/ρ z f/ρ f w/ρ w ) g: Anteil Gesteinskörnung [kg/m³] ρ Rg : Rohdichte der Gesteinskörnung [g/cm³] p: Luftporengehalt [l/m³] (Verarbeitungsporen üblich 15 l/m³ = 1,5 Vol.-%) ρ z : Dichte des Zementes ρ f : Dichte des Zusatzstoffes ρ w : Dichte des Wasser 1,0 Seite: 9 Als Dichte wird, wenn kein Messwert bekannt ist, für Portlandzement 3,1 und für Hochofenzemente 3,0 g/cm³ angesetzt. Nachfolgend können für die unterschiedlichen Zusatzstoffe folgende Werte als Anhaltswerte angesetzt werden: Flugasche FA oder SFA Kalksteinfüller: Quarzmehl: Silikastaub: 2,4 g/cm³ 2,7 g/cm³ 2,65 g/cm³ 2,2 2,35 g/cm³ Silikasuspension (50%-ige wässrige Lösung): 1,4 g/cm³ Seite 9

10 Berechnung Mischungsverhältnis MV = z/z : g/z : w/z Bei Verwendung von FA (Flugasche) oder sf (Silikastaub) muss zum Zement der anrechenbare wirksame Anteil addiert werden: z b = z + k f * f Seite: 10 Seite 10

11 Berechnung der Frischbetonsollrohdichte ρ RSoll = z + g + w (+ f) die Frischbetondichte wird gerundet auf 10 kg/m³ angegeben! Seite: 11 Seite 11

12 Überprüfung des Mehlkornanteils (MK) vorh MK max MK (siehe Tabelle) vorh MK = z + g < 0,125 + f Seite: 12 Einerseits ist ein ausreichender Mehlkornanteil erforderlich zur Gewährleistung einer guten Verarbeitbarkeit (kein Bluten) und Pumpbarkeit des Betons, andererseits beeinflusst ein zu hoher Mehlkornanteil sowohl das Schwindverhalten, die Frost-Taumittelbeanspruchung und den mechanischen Verschleiß negativ. Aus diesem Grund begrenzt die Norm für die Expositionsklassen XF und XM für Normalbeton auf max. 400 kg/m³ bei einem Zementgehalt 300 kg/m³ sowie auf 450 kg/m³ bei einem Zementgehalt 350 kg/m³ Seite 12

13 Beispielrezeptur - Eingangsparameter Für ein FT-Werk ist der Beton für die Stützen eines Hochhauses zu entwerfen. Aus konstruktiven Gründen ist ein C35/45 gefordert. Die zu berücksichtigenden Expositionsklassen sind XC4, XF1, XA1. Angestrebt wird ein Ausbreitmaß von 40 cm (F2). Durch BV (0,4 M.-% bez. a. Z., ρ BV = 1,14 g/cm³) wird der Wasserbedarf um 5 l/m³ gesenkt. Angestrebt wir eine Sieblinie zwischen A und B 16 mit einem k-wert von 4,04. Es sind die Vorhaltemaße f c = 8,0 N/mm² und w/z = 0,03 zu berücksichtigen. Es werden eingesetzt: CEM I 42,5 R Sand 0/2; k-wert 1,72; Anteil 33% Kiessand 2/8; k-wert 4,62 Kies 8/16; k-wert 5,80 Mittlere Rohdichte der Gesteinskörnung: 2,62 g/cm³ Mehlkornanteil: 3 M.-% von der Körnung 0/8 Seite: 13 Seite 13

14 Formblatt für f r Mischungsberechnung Seite: 14 Seite 14

15 Beispielrezeptur - Sieblinienoptimierung Ermittlung der Anteile der einzelnen Körnungen g0/ 2 g2/8 1, g + g + g 0/ 2 2/8 8/16 4,62 + = 100 g 100 8/16 5,80 = 4,04 2 Gleichungen und 3 Unbekannte, d.h. wir müssen einen Anteil einer Körnung vorgeben. Im Regelfall ist dies der der kleinsten Körnung (hier g 0/2 =33%), da ihr Anteil leicht aus der Sieblinie abgelesen werden kann. Seite: 15 Seite 15

16 Wirkung künstl. k eingeführter Luftporen 3,5 Vol.-% künstl. LP verringern die Festigkeit wie eine Mehrzugabe von Wasser entsprechend 35 l/m³ 3,5 l Luftporen verbessern die Verarbeitbarkeit des Frischbetons wie 1 l Wasser, folglich sinkt der Wasseranspruch Formel zur Korrektur des Zementbedarfs bei LP-Betonen: z = w w / z Seite: 16 Wirkung künstl. Luftporen auf die Festigkeit: zusätzliche Luftporen wirken wie Wasser. Ein Gesamtporengehalt von 5 Vol.-% wirkt wie 35 l/m³ mehr Wasser(=50-15 Verarbeitungsporen). Zur zielsicheren Erreichung der Festigkeit muss dies bei LP-Betonen bei der Ermittlung des Zementbedarfs berücksichtigt werden. Wasseranspruch: zusätzliche Luftporen verbessern die Verarbeitbarkeit, 3,5 l künstl. LP ersetzen ca. 1 l Wasser. Aus diesen Effekten lässt sich der Zementbedarf wie folgt korrigieren. Seite 16

17 Online Begleitliteratur mdeutschland_betonpraxis_nov2006.pdf Seite: 17 Seite 17