Optimierung der Festigkeit von Infraleichtbeton

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1 Optimierung der Festigkeit von Infraleichtbeton Deutscher Bautechnik-Tag 11./12. April 2013 Autor: Prüfer: Betreuer: Dipl.-Ing. Martin Wilcke Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich Dr.-Ing. Arndt Goldack Dipl.-Ing. Alexander Hückler

2 1 Einführung 2 Problemstellung 3 Methodik 4 Ergebnisse 5 Zusammenfassung Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 1 / 27

3 1 Einführung 2 Problemstellung 3 Methodik 4 Ergebnisse 5 Zusammenfassung Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 2 / 27

4 Massenwerkstoff Beton Beton - vielseitig und leistungsstark: viele Mrd. Kubikmeter jährlich weltweit Mehrstoff-System aus Matrix und Füller Festigkeit von 5 bis 300 N/mm 2 Rohdichte von 350 bis 3500 kg/m 3 E-Modul von 5000 bis N/mm 2 Wärmeleitfähigkeit von 0,2 bis 2,5 W/mK Die Grenzen des Betons sind die Grenzen unserer Phantasie! Frisch- und Festbetoneigenschaften gezielt steuerbar durch moderne Betontechnologie Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 2 / 27

5 Werkstoff Infraleichtbeton Gesteinskörnung Zement Zusatzstoff 6-Stoff-System: Zusatzmittel optimierte Kombination bekannter Ausgangsstoffe stabile Reproduzierbarkeit Zusammensetzung und Verarbeitung entscheidend für gewünschte Betoneigenschaften Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 3 / 27

6 Leichtbeton - Normung Leichtbeton Rohdichteklassen DIN EN bzw. DIN Leichtbeton Festigkeitsklassen DIN EN bzw. DIN Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 4 / 27

7 Infraleichtbeton Multifunktionaler Konstruktionswerkstoff (Smart Material): Rohdichte unter 800 kg/m 3 Festigkeiten deutlich höher als Mauerwerksbau Wärmeleitfähigkeit vgl. Porenbeton beliebige Formfreiheit durch Schalungsbetonage geschlossenes Gefüge Sichtbetonoberfläche Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 5 / 27

8 1 Einführung 2 Problemstellung 3 Methodik 4 Ergebnisse 5 Zusammenfassung Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 6 / 27

9 Aufgabe Zielsetzung: Beton optimieren der ausserhalb der Norm steht, aber mit Normvorgaben bewertbar ist Festigkeitssteigerung über 7,4 N/mm 2 nach 28 Tagen Rohdichte unter 800 kg/m 3 nach Massekonstanztrocknung Normen für die Betonherstellung: DIN EN und nationaler Anhang DIN für Normalbeton, gefügedichten Leichtbeton und Schwerbeton DIN EN Prüfverfahren für Frischbeton DIN EN Prüfverfahren für Festbeton Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 6 / 27

10 Aufgabe Einordnung in Druckfestigkeitsklassen nach DIN EN Mittelwertproblem bei großen Streuungen der einzelnen Prüfergebnisse Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 7 / 27

11 Einflussparameter Betondruckfestigkeit: Zusammenwirken vieler Faktoren Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 8 / 27

12 Tragverhalten Hauptspannungslinien Normalbeton Leichtbeton Lusche, M.: Beitrag zum Bruchmechanismus von auf Druck beanspruchtem Normal- und Leichtbeton mit geschlossenem Gefüge,1972 Steifigkeitsverhältnis der Einzelkomponenten Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 9 / 27

13 1 Einführung 2 Problemstellung 3 Methodik 4 Ergebnisse 5 Zusammenfassung Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 10 / 27

14 Leichtbetonmodell geschlossenes Gefüge (konstruktiver Leichtbeton) kornporig Leichtbeton poriges Gefüge (wärmedämmender Leichtbeton) Leichtsand (ALWAC) Natursand (SLWAC) matrixporig haufwerksporig Faust, T.: Leichtbeton im Konstruktiven Ingenieurbau,2003 Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 10 / 27

15 Mischungsentwurf Mischungsentwurf für Normalbeton Bauteilabmessung Statik Expositionsklassen Größtkorn Festigkeitsklasse Sieblinie Vorhaltemaß Standardabweichung Körnungsziffer k Kornzusammensetzung Konsistenz Betondruckfestigkeit Zementart (oder Bindemittel) Wasseranspruch w/z -Wert (w/z) eq -Wert Luftporen Wassermenge [kg/m 3 ] Zusatzstoffe Bindemittelmenge [kg/m 3 ] Stoffraumrechnung Berechnung der Korngruppenmassen Kontrolle des Mehlkorngehalts Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 11 / 27

16 Mischungsentwurf Mischungsentwurf für Normalbeton Bauteilabmessung Statik Expositionsklassen Größtkorn Festigkeitsklasse Sieblinie Vorhaltemaß Standardabweichung Körnungsziffer k Kornzusammensetzung Konsistenz Betondruckfestigkeit Zementart (oder Bindemittel) Wasseranspruch w/z -Wert (w/z) eq -Wert Luftporen Wassermenge [kg/m 3 ] Zusatzstoffe Bindemittelmenge [kg/m 3 ] Stoffraumrechnung Berechnung der Korngruppenmassen Kontrolle des Mehlkorngehalts Rohdichteoptimierung? Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 11 / 27

17 Mischungsentwurf Herausforderungen: vom Frischbeton zum Festbeton Wassersaugverhalten der leichten Gesteinskörnung Verarbeitungskonsistenz? Verdichtung? Homogenität? Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 12 / 27

18 SVB-Ansatz Rezepturansatz: Mischungsentwurf für Infraleichtbeton basiert auf Selbstverdichtendem Beton nach Okamura Mörtel 70 % V ges Leim 39 % V ges Zugabewasser 19 % V ges Mehlkornanteil d < 0,125 mm 20 % V ges feine GK 0,125 < d < 4mm 31 % V ges grobe GK d > 4mm 30 % V ges Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 13 / 27

19 SVB-Ansatz Fließverhalten Vorversuche notwendig: Vom Leim über Mörtel zum Beton Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens fliessfähiger Mörtel mit hoher Viskosität Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 14 / 27

20 Versuchsreihen Variation der Inhaltstoffe: Mehlkornzusammensetzung Zementgüte Sandfraktion Blähglas und Blähton Größtkorn Luftporenbildner Vornässwasser Faserzugabe Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 15 / 27

21 Versuchsreihen Variation der Inhaltstoffe: Mehlkornzusammensetzung Zementgüte Sandfraktion Blähglas und Blähton Größtkorn Luftporenbildner Vornässwasser Faserzugabe 26 dokumentierte Mischungsversuche mit verschiedenen Betonrezepturen Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 15 / 27

22 Versuchsreihen Mischprozess Produktionsschritt Dauer 1 Leichtzuschläge mit Eigenfeuchte 15 s 2 Vornässwasser für Leichtzuschläge 15 s 3 Bindemittel (CEM, SFA, MS) 25 s 4 Zugabewasser 60 s 5 Zusatzmittel (FM, ST, Fasern) 90 s Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 16 / 27

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24 Frischbetoneigenschaften Konsistenz und Verarbeitung: fliessfähige Konsistenzen Setzfliessmaße von 470 bis 695 mm homogener, nahezu entmischungsfreier Zusammenhalt Frischbetonrohdichten von 0,837 bis 1,279 kg/dm 3 Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 17 / 27

25 Frischbetoneigenschaften Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 18 / 27

26 Frischbetoneigenschaften Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 19 / 27

27 Festbetoneigenschaften Festigkeit und Rohdichte: mittlere Betondruckfestigkeiten von 8,5 bis 17,7 N/mm 2 Festbetonrohdichten von 0,622 bis 1,015 kg/dm 3 gleichmäßiges dichtes Gefüge geschlossene Betonoberfläche Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 20 / 27

28 Festbetoneigenschaften Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 21 / 27

29 Festbetoneigenschaften Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 22 / 27

30 1 Einführung 2 Problemstellung 3 Methodik 4 Ergebnisse 5 Zusammenfassung Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 23 / 27

31 Resultat Anwendbarkeit des Entwurfsansatzes für Infraleichtbeton Festigkeitssteigerung Rohdichtereduzierung sichere Klassifizierung LC 8/9 D 0,9 möglich sichere Klassifizierung LC 12/13 D 1,0 möglich ILWC 1 : 8,97 N/mm 2 bei 0,622 kg/dm 3 ILWC 2 : 12,24 N/mm 2 bei 0,780 kg/dm 3 Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 23 / 27

32 Gliederung Einführung Problemstellung Methodik Ergebnisse Zusammenfassung Resultat Zementstein-Matrix Zementstein-Matrix Blähton-Granulat Blähton-Granulat Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 24 / 27

33 [ Gesamtergebnis Betondruckfestigkeit f lcm,100,28d [N/mm Parametervariation ohne LV; ohne LP bisherige Ergebnisse aus [1] ohne LV; mit LP mit LV; mit LP mit LV; ohne LP Trockenrohdichte Festbeton [kg/dm 3 ] Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 25 / 27

34 Ausblick Optimierungsmöglichkeiten in weiteren Versuchsreihen größere Anzahl an Probekörpern pro Testmischung zur Erhöhung der Auswertungsgenauigkeit genauere Betrachtung der Hydratationswärmeentwicklung Selbstverdichtungsfähigkeit überprüfen bzw. nachweisen Wasserhaushalt Frischbetonmischung bei Berücksichtigung der Absorptionseigenschaften verbessern Faserverstärkungsmöglichkeiten voll ausschöpfen (Frisch- und Festbetonoptimierung) Ermittlung und Verbesserung der Zug- und Biegezugfestigkeit Ermittlung des Verformungverhaltens unter Last (E-Modul, Bruchdehnungen, Kriechen und Schwinden) Dauerhaftigkeit bzgl. der Verwendbarkeit bei Expsitionsklassen Dokumentation und Verbesserung der bauphysikalischen Eigenschaften bzgl. Wärme-, Feuchte- und Schallschutz Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 26 / 27

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 27 / 27

36 Rechtliche Info Die Inhalte dieser Präsentation sind vertraulich zu behandeln! Veröffentlichung oder Kopien ohne Genehmigung sind nicht erlaubt! Technisches Diese Präsentation wurde erstellt mit L A T E X und der L A T E X-Klasse Beamer. letztes Update: 27. Januar :03 Deutscher Bautechnik-Tag Kolloquium für Jungingenieure Seite 27 / 27