Mischungsentwurf und Fließeigenschaften
von Selbstverdichtendem Beton (SVB) vom Mehlkorntyp
unter Berücksichtigung der granulometrischen
Eigenschaften der Gesteinskörnung
Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung
Vorgelegt von Dipl.-Ing. Andreas Huß aus Kirchheim unter Teck
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber
Tag der mündlichen Prüfung: 21. Dezember 2010
Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Otto-Graf-Institut (FMPA)
am Otto-Graf-Institut (FMPA) der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart. Ausgangs-punkt der Arbeit war das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Zeitraum 2006/2007 geförderte Projekt „Modellierung der rheologischen Eigenschaften von Selbstver-dichtendem Beton“. Durch meine Tätigkeit mit Schwerpunkt Betontechnologie sowie durch die Entwicklung verschiedener Mess- und Prüfgeräte für die Abteilung Mineralische Baustoffe war es mir möglich, die theoretischen Überlegungen dieser Arbeit durch entsprechende Prüf-methoden und -geräte praxisgerecht umzusetzen. In diesem Zusammenhang danke ich zuallererst herzlichst meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt, für seine Unterstützung, für die Freiheit bei der Umsetzung meiner Ideen und vor allem für das entgegengebrachte Vertrauen. Auch meinem ehemaligen Abteilungsleiter, Herrn Akad. Dir. Kurt Zeus, danke ich für das Interesse an meiner Forschung und die bereichernden Diskussionen in der Anfangsphase meiner Arbeit.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber sei Dank für die Übernahme des Korreferates und die damit verbundene Betreuung der Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann danke ich für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes.
Zum Gelingen dieser Arbeit trug auch die Unterstützung zahlreicher Kollegen der Abteilung Mineralische Baustoffe des Otto-Graf-Institutes bei. Hierbei sei vor allem meinem Abteilungs-leiter, Herrn Dr.-Ing. Karim Hariri, für die fruchtbaren wissenschaftlichen Diskussionen gedankt. Zudem gilt Alexander Erwerle großer Dank für die zuverlässige und unermüdliche Mithilfe bei den zahlreichen Prüfungen und Versuchen. Für manch promotionsbezogene Aufmunterung bin ich Gerhard Schroeter und Dr. rer. nat. Hans Schellhorn dankbar.
Weiterer Dank geht an Frau Dr.-Ing. Ursula Stark für die freundliche Unterstützung bei der Durchführung der fotooptischen Kornformanalysen an der Bauhaus-Universität in Weimar. Bei meinem Freund, Kai Fischer, bedanke ich mich herzlichst für die fachlichen Diskussionen während der Promotionszeit und für die kritische Durchsicht meiner Arbeit in den Tagen vor der Fertigstellung.
Mein besonderer Dank gilt meiner Lebenspartnerin, Pamela, die mir in den Promotionsjahren motivierend zur Seite stand, mich verständnisvoll begleitete sowie durch die Mithilfe bei der Korrektur des Manuskripts zur Fertigstellung der Arbeit beigetragen hat.
Dank gilt nicht zuletzt meinen Eltern, die mir das Studium ermöglicht und somit den Grundstein für die Promotion gelegt haben.
KURZFASSUNG
Mischungsentwurf und Fließeigenschaften von Selbstverdichtendem Beton (SVB) vom Mehlkorntyp unter Berücksichtigung der granulometrischen Eigenschaften der Gesteinskörnung
Zur Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp nach der SVB-Richtlinie des DAfStb [SVB1] ist eine bestimmte Menge an Leim erforderlich, die maßgeblich von den granulometrischen Eigenschaften der verwendeten Gesteinskörnungen abhängig ist. In der Regel wird die zur Herstellung von SVB erforderliche Menge an Leim empirisch anhand von Frischbetonunter-suchungen bestimmt oder aufgrund von Erfahrungswerten angenommen. Ein anderer Ansatz besteht darin, die erforderliche Leimmenge anhand des Hohlraumgehalts im Korngemisch und der Leimschichtdicke zu berechnen. WÜSTHOLZ [Wüs1] verwendete hierfür ein Modell für kugelförmige Gesteinskörner (vgl. Bild 2.35). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Modell der Leimschichtdicke auf nicht kugelförmige Gesteinskörnungen unter Berücksichtigung der Kornform erweitert sowie das als Korn-Gemisch-Prüfung bezeichnete Verfahren zur Bestimmung der zur Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp erforderlichen Menge an Leim entwickelt. Das erweiterte Modell der Leimschichtdicke für nicht kugelförmige Gesteins-körnungen ist in Bild 3.1 schematisch dargestellt. Abweichend vom Vorgehen, die Kornoberfläche anhand von visuell bestimmten Kornformbeiwerten oder anhand der idealisier-ten Betrachtung als Kugel zu bestimmen, wurde bei der Berechnung der Kornoberfläche die Sphärizität als Kornformkennwert berücksichtigt. Zur geometrischen Charakterisierung der Gesteinskörner wurden Korngemische ≥ 0,125 mm mit der fotooptischen Kornformanalyse untersucht und dabei die Korngrößenverteilung sowie die Kornform bestimmt. Als fotooptisches Messsystem wurde das Partikelanalysegerät HAVER CPA 4-2 MB [HAV1] verwendet. Die bei der Korngrößenverteilung bestimmte Korngröße bezieht sich auf den Durchmesser (däqui) des flächengleichen Kreises. Die Kornform wird über die Sphärizität ausgedrückt (vgl. IV in Bild 3.1). Die Berechnung der Kornoberfläche der untersuchten Korngemische erfolgte aus den Ergebnissen der fotooptischen Kornformanalyse.
Anhand der geschilderten Überlegungen wurde ein Prüfverfahren zur Bestimmung der erforderlichen Leimmenge zur Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp entwickelt. Dabei wird direkt das für den SVB vorgesehene Korngemisch untersucht, wodurch auch Einflüsse, die von den granulometrischen Eigenschaften des Korngemisches abhängen, erfasst werden. Dieses Verfahren wurde als Korn-Gemisch-Prüfung (KGP) bezeichnet. Die Korn-Gemisch-Prüfung und die Berechnung der zur Herstellung von SVB erforderlichen Leimmenge sind in Kapitel 4 beschrieben. Mit der Korn-Gemisch-Prüfung wurde ein neues, praxisgerechtes Verfahren zur Bestimmung des erforderlichen Leimbedarfes für SVB vom Mehlkorntyp entwickelt. Durch die direkte Prüfung des für die Betonherstellung vorgesehenen Korngemisches stellt dieses Verfahren eine Methode zur integralen Beschreibung der granulometrischen Eigenschaften von Korngemischen dar. Damit ist die Verwendung von beliebig geformten Gesteinskörnungen zur Herstellung von SVB möglich. Bei der Berechnung der erforderlichen Leimmenge wird auch das Wasser-Mehlkorn-Verhältnis berücksichtigt. Durch Kenntnis der erforderlichen Leimmenge lässt sich die Mischungsberechnung auf die bekannte Stoffraumrechnung reduzieren.
Mit dem Verfahren der Korn-Gemisch-Prüfung wurden die zur Füllung des Hohlraums im Korngemisch erforderliche Leimmenge sowie die zur Herstellung von SVB erforderliche Menge an Überschussleim bestimmt. Anhand des Überschussleims und der Oberfläche des Kornge-misches ≥ 0,125 mm wurde dann die Leimschichtdicke berechnet. Ziel der Untersuchungen war es, u.a. zu überprüfen, ob bei SVB vom Typ Mehlkorn die rheologischen Eigenschaften auch bei Verwendung von irregulär geformten Gesteinskörnungen von der Leimschichtdicke abhängig sind und damit das Modell der Leimschichtdicke auf solche SVB anwendbar ist. Hierzu wurden SVB-Mischungen konzipiert und die Frischbetoneigenschaften geprüft.
Für die Prüfungen wurden Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620 [DIN2] verwendet. Die groben Gesteinskörnungen bestanden aus Kies und verschiedenen Splitten, die feinen Gesteinskörnungen aus Natursand (Flusssand) und Brechsand. Die Prüfungen zum Hohlraum-gehalt und zum erforderlichen Leimbedarf wurden an Korngemischen mit einer Korngrößen-verteilung entsprechend den Sieblinien A16, AB16, ABB16 und B16 nach DIN 1045-2 [DIN3] durchgeführt. Die Zusammensetzung der mit ABB16 bezeichneten Korngemische für die fotooptische Kornformanalyse lag zwischen den Sieblinien AB16 und B16. Diese Zusammen-setzung entspricht weitgehend der „Idealsieblinie“ mit einem Fullerexponenten von n = 0,5 und wurde im Hinblick auf eine hohe Packungsdichte gewählt.
Für die Herstellung der untersuchten SVB wurden Korngemische aus Kies und Natursand, Splitt und Natursand oder Brechsand mit einem Anteil < 4 mm von rd. 50 M.-% (Sieblinie ABB16) verwendet. Die Mischungsberechnung erfolgte mit der bekannten Stoffraumrechnung durch Vorgabe des Leimvolumens sowie der volumenbezogenen Verhältnisse Zement/Beton-zusatzstoff und Wasser/Mehlkorn. Zum Leimvolumen wurden alle Bestandteile < 0,125 mm (Zement, Betonzusatzstoffe, Mehlkornanteil der Gesteinskörnungen), das Zugabewasser, das Betonzusatzmittel sowie der Luftgehalt im Frischbeton gezählt. Die Zusammensetzung der untersuchten SVB wurde mit der bei der Korn-Gemisch-Prüfung bestimmten Leimmenge sowie mit Leimmengen über und unter diesem Wert berechnet. Als Betonzusatzstoff wurde Kalksteinmehl oder Steinkohlenflugasche mit einem Volumenanteil von 1:1, bezogen auf den verwendeten Zement, verwendet. Diese hohen Anteile an Betonzusatzstoff resultierten aus der angestrebten Festigkeitsklasse C 30/37. Die Festigkeiten der hergestellten Betone lagen zwischen 40 und 50 MPa. Für höhere Zielfestigkeiten ist eine Erhöhung des Zementanteils bei gleichzeitig entsprechender Reduzierung des Anteils an Betonzusatzstoff ohne wesentliche Änderung der übrigen Mischungszusammensetzung vorstellbar.
Hinsichtlich des Verhältnisses von Wasservolumen (VW) zu Mehlkornvolumen (VM) wurden zunächst Versuche an reinem Bindemittelleim gemäß der SVB-Richtlinie [SVB1] durchgeführt. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass dieser Ansatz für den Entwurf einer großen Anzahl unterschiedlicher Mischungen nicht zielführend war. Als Schwierigkeit stellte sich u.a. die Berücksichtigung des Mehlkornanteils der Gesteinskörnung dar. Zudem wäre die sukzessive Entwicklung der Mischungszusammensetzung über die Untersuchungen der Wasseransprüche an den Ausgangsstoffen (Zement und Betonzusatzstoff) über die Leim- und Mörtelversuche bis zu den Frischbetonversuchen sehr aufwändig gewesen. Für die Mischungsentwürfe wurden daher Anhaltswerte für die Verhältnisse VW/VM aus der Literatur (u.a. [Lem1], [Wüs1] und aus eigenen Vorversuchen gewählt und damit die Mischungen berechnet.
Die gewählten Verhältnisse lagen für die untersuchten Mischungszusammensetzungen mit Kalksteinmehl bei VW/VM = 0,88 und mit Steinkohlenflugasche bei VW/VM = 0,90. Inwiefern die gewählten Wasser-Mehlkorn-Verhältnisse für die Herstellung einer Suspension geeignet waren, wurde für einzelne Mischungen anhand der Messung des „Scherwiderstandes“ bei der Frischbetonherstellung überprüft. Bei diesem Vorgehen wurde experimentell die Menge an Wasser bestimmt, die für den Übergang des Korngemisches (bestehend aus Zement, Betonzusatzstoff und Gesteinskörnung) in eine Suspension benötigt wird. Die erforderliche Mindestwassermenge wurde aus dem Verlauf des „Scherwiderstandes“ des Korngemisches abgeleitet, der indirekt über die Leistungsaufnahme des verwendeten Zwangsmischers erfasst wurde. Aufgrund eigener Erfahrungen hat sich gezeigt, dass ein Überschreiten der Mindest-wassermenge toleriert werden kann, so lange keine Anzeichen für ein Entmischen (Bluten) des Frischbetons, z.B. in Form von „Wasserschieben“ beim Setzfließversuch, auftreten. Ein Unter-schreiten der Mindestwassermenge ist jedoch nicht möglich, da damit die Voraussetzung für die Herstellung einer Suspension und für die Herstellung von SVB nicht gegeben ist. Erst nach Überschreitung der Mindestwassermenge ist es durch Zugabe von hochwirksamem Fließmittel möglich, aus der Suspension einen SVB herzustellen. Mit der Leistungsmessung wurde im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen in erster Linie überprüft, ob das Gemisch eine Suspension ist und damit durch Zugabe von Fließmittel zum Fließen gebracht werden kann. Die Messung des „Scherwiderstandes“ in Abhängigkeit von der Wasserzugabe stellt aber generell eine schnelle und praxisgerechte Möglichkeit zur Bestimmung der erforderlichen Wassermenge von SVB dar.
An den untersuchten SVB wurden u.a. folgende Frischbetonkennwerte bestimmt:
• Setzfließmaß ohne und mit Blockierring (sfB; sfB,J) sowie Aufzeichnung der Fließkurve mit einem automatischen Ausbreittisch
• Blockierneigung nach DIN EN 12350-12 [DIN35] (Blockierstufe stJ mit umgedrehtem Setzkonus)
• Trichterauslaufzeit (tV,B) nach DIN EN 12350-9 [DIN32]
• Rheologische Kennwerte Fließgrenze (τ0) und plastische Viskosität (ηpl) mit dem Rheometer BTRHEOM [Cen1]
Als Zielwert für das Setzfließmaß mit Blockierring wurden 690 ± 30 mm und für die Trichterauslaufzeit 11 ± 3 s angestrebt. Dabei wurde die Fließfähigkeit bei festem Verhältnis von VW/VM allein durch die Fließmitteldosierung eingestellt. Eine Optimierung der Leimzusammen-setzung war nicht Bestandteil der Untersuchungen. Die Blockierneigung der SVB wurde visuell und anhand des Höhenunterschieds stJ beim Setzfließversuch beurteilt. Als Kriterium für nicht blockierenden SVB wurden dabei Werte aus der Literatur von stJ ≤ 20 mm [Sch6] verwendet. Die SVB mit einer Leimmenge in der Größenordnung der bei der KGP berechneten Leimmenge wiesen eine gute Durchgangsfähigkeit und eine sehr gute Selbstverdichtung ohne Sedimentation auf. Bei Unterschreitung der berechneten Leimmenge war es im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen nicht möglich, allein durch Anpassung der Fließmittelmenge zuverlässig den Zielbereich (sfB,J 690 ± 30 mm, stJ ≤ 20 mm und tVB = 11 ± 3 s) zu erreichen bzw. bei visueller Beurteilung einen praxisgerechten SVB herzustellen. Ab einer Leimmenge in der Größenordnung des bei der KGP bestimmten Volumens, war es möglich, praxisgerechte SVB herzustellen.
Die mit dem erweiterten Modell der Leimschichtdicke berechnete erforderliche Leimschichtdicke für die nicht blockierenden SVB war bei dem verwendeten Natursand 0/2 mm unabhängig von der verwendeten Gesteinskörnung > 2 mm und den verwendeten Betonzusatzstoffen. Daraus wird der Schluss gezogen, dass der maßgebliche Faktor für einen nicht blockierenden SVB die Schichtdicke des richtig zusammengesetzten Leims – unabhängig von der im Rahmen der normativen Vorgaben verwendeten gebrochenen oder ungebrochenen Gesteinskörnung – ist. Aus den Untersuchungen mit Brechsand 0/2 mm als feine Gesteinskörnung lässt sich ableiten, dass ungünstig geformte feine Gesteinskörnungen eine geringfügig größere Leimschichtdicke zur Herstellung von SVB benötigen. Da der verwendete Brechsand als sehr ungünstig geformt einzustufen ist, kann die bei den Mischungen mit Brechsand erforderliche Leimschichtdicke als obere Grenze für einen funktionierenden SVB mit ungünstig geformter Gesteinskörnung gesehen werden.
Zur weiteren Beschreibung der rheologischen Eigenschaften der SVB wurden mit einem automatischen Ausbreittisch die Fließkurven beim Setzfließversuch aufgezeichnet. Da beim manuellen Anheben des Setztrichters immer gewisse Schwankungen auftreten, wurde im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen das Fließverhalten erst ab Erreichen eines Setzfließdurchmessers von 400 mm betrachtet. Die mit dem automatischen Ausbreittisch gemessenen Setzfließkurven lassen sich in sehr guter Näherung (Bestimmtheitsmaß ≥ 99 %) durch Gleichung (7.1) approximieren. Die Beschreibung der Fließkurve durch die gewählte Exponentialgleichung ergibt gemäß den Gleichungen (7.6) und (7.7) einen linearen Zusammen-hang zwischen der Fließgeschwindigkeit bzw. der Fließbeschleunigung und dem Fließweg. Da die Fließgeschwindigkeit bzw. die Fließbeschleunigung bei Betrachtung über dem Fließweg direkt von dem Faktor β der Gleichung (7.1) abhängig ist, wird der Koeffizient β als Frischbetonkennwert für die Dämpfung bzw. die effektive Viskosität der Fließbewegung beim Setzfließversuch interpretiert. Der Koeffizient β wird daher als Fließzeitkoeffizient bezeichnet. Zwischen dem Fließzeitkoeffizienten β und der im BTRHEOM [Cen1] bestimmten plastischen Viskosität konnte tendenziell ein linearer Zusammenhang aufgezeigt werden. Sowohl der Fließzeitkoeffizient als auch die plastische Viskosität der untersuchten SVB sind dabei von der Leimschichtdicke abhängig. Inwiefern der Fließzeitkoeffizient als Zielgröße für die Festlegung der Frischbetoneigenschaften von SVB geeignet ist bzw. in welchem Bereich der Fließzeitkoeffizient – u.a. auch im Hinblick auf das Setzfließmaß – für einen praxisgerechten SVB liegen sollte, konnte anhand der vorliegenden Datenbasis nicht geklärt werden.
Durch die Bestimmbarkeit der zur Herstellung von SVB erforderlichen Leimmenge mit der Korn-Gemisch-Prüfung kann der Fokus auf die Optimierung des Bindemittelleims gerichtet werden. Dabei hat sich die im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen verwendete Leistungs-messung des Labormischers als schnelle und zielsichere Methode zur Bestimmung der erforderlichen Mindestwassermenge erwiesen. Ausgehend von der erforderlichen Leimmenge und der Mindestwassermenge sind gezielte Optimierungen des SVB – vor allem im Hinblick auf die Wahl und Dosierung des Fließmittels – möglich.
ABSTRACT
Mix design and flow properties of powder type Self-Compacting Concrete (SCC) in view of the granulometric characteristics of the aggregates
A certain amount of cement paste is required to produce powder type Self-Compacting Concrete (SCC) in accordance with the SCC Guideline published by the DAfStb [SVB1]. This amount depends largely on the granulometric characteristics of the aggregates used. The amount of cement paste required to produce SCC is usually determined empirically on the basis of fresh concrete tests, or is assumed on the basis of the experience gained so far. Another approach is to calculate the required paste volume using the voids content in the mineral aggregate mix and the thickness of the paste layer. WÜSTHOLZ [Wüs1] used therefore a model for spherical mineral aggregates (see Fig. 2.35). This work extends the paste thickness model [Wüs1] to non-spherical aggregates taking the particle shape into account. In addition, a method to determine the required paste volume to produce powder type SCC has been developed, which is termed aggregate-packing test. A schematic view of the extended paste layer thickness model for non-spherical mineral aggregates is shown in Fig. 3.1. In deviation from determining the particle surface by visually identified particle shape factors or on the basis of an idealized spherical model, the calculation of the particle surface was based on the sphericity as the particle shape parameter. To characterize the aggregate particles geometrically, aggregate mixes larger than 0.125 mm in size were examined using a photo-optical particle shape analysis method to determine both particle size distribution and particle shape. A HAVER CPA 4-2 MB particle analyzer [HAV1] was used to carry out photo-optical measurements. The particle size determined in the particle size distribution refers to the diameter of the area equal circles. The particle shape is expressed by its sphericity (see IV in Fig. 3.1). For the aggregate mixes examined, the particle surface was calculated on the basis of the results of the photo-optical particle shape analysis.
On the basis of the considerations mentioned above, a test method was developed to determine the amount of paste required to produce powder type SCC. In this process, the aggregate mix to be used in the SCC is examined directly, including any influences that may result from the granulometric characteristics of the aggregate mix. This method was termed aggregate-packing-test (“KGP” for german “Korn-Gemisch-Prüfung”). The aggregate-aggregate-packing-test and the calculation of the amount of paste required to produce SCC are described in chapter 4. The aggregate-packing-test is a new, practice-oriented method to determine the required paste volume for powder type SCC. By testing the mineral aggregate to be used for concrete production directly, this method delivers an integral description of the granulometric characteristics of aggregate mixes. Thus the use of irregular formed aggregates to produce SCC is possible. With the computation of the required paste volume the water-powder ratio is also considered. When the required paste volume has been determined, the mix design can be reduced to the material volume calculation already known.
The aggregate-packing testing method was used to determine the amount of paste required to fill the voids content and the amount of excess paste to produce SCC. In the following step, the
paste layer thickness was calculated from the amount of excess paste and the surface of the aggregates larger than 0.125 mm in size. Amongst other objectives, the goal of the tests was to evaluate whether the rheological properties of a powder type SCC would depend on the paste layer thickness also if irregularly shaped aggregate particles were used, which would make it possible to apply this model to such SCCs. Therefore SCC-mixtures were conceived and the fresh concrete characteristics were tested.
Aggregate mixes according to DIN EN 12620 [DIN1] were used for the tests. The coarse fractions consisted of gravel and different chippings; the fine fractions comprised fluvial sand and crushed sand. The tests to determine the void ratio and the amount of cement paste required were carried out for aggregate mixes with a particle size distribution in accordance with grading curves A16, AB16, ABB16 and B16 as specified in DIN 1045-2 [DIN3]. The composition of the aggregate mixes referred to as ABB16 that were used for the photo-optical particle shape analysis was in the range between grading curves AB16 and B16. This composition is largely equivalent to the “ideal grading curve” with a Fuller exponent of n = 0.5. It was selected to achieve a high packing density.
To produce the SCCs examined, the aggregate mixes consisting of gravel and fluvial sand, chippings and fluvial sand or crushed sand were used with a ratio of particles smaller than 4 mm in size to approx. 50 percent by mass (ABB16 grading curve). The mix was determined using the material volume calculation known by defining the paste volume and the volume-related cement/additive and water/ultrafines ratios. The paste volume was considered to include all constituents smaller than 0.125 mm (cement, concrete additives, ultrafines in aggregate mixes), the added water quantity, the concrete admixture and the air contained in the fresh concrete. The composition of the SCCs examined was compared to the paste volume that had been determined in the aggregate-packing test, and with paste volumes above and below this value. As an admixture, limestone filler or coal fly ash was added at a 1:1 ratio in relation to the volume of the cement used. These high admixture ratios resulted from the C 30/37 class aimed. The strengths of the concretes produced ranged from 40 to 50 MPa. To achieve higher target strengths, it appears feasible to increase the ratio of cement while reducing the addition content by a corresponding margin without significantly altering the other constituents of the mix.
To determine the ratio of water volume (Vw) to powder volume (Vp), initial tests were performed with pure cement paste in accordance with the SCC Guideline [SVB1]. It turned out, however, that this approach was not helpful when it came to designing a large number of different mixes. One of the difficulties encountered was the issue how to reflect the powder content in the aggregate mix. In addition, an incremental development of the mix design through the determination of the amount of water required (cement and addition), cement paste and mortar tests and fresh concrete testing would have been very complex. For this reason, the mix designs were based upon approximate values for the Vw/Vp ratios were taken from the literature (e. g. [Lem1], [Wüs1]) and from own preliminary tests. These values were then used to calculate the mix compositions.
For the mix designs investigated, the ratios selected amounted to Vw/Vp = 0.88 and Vw/Vp = 0.90 for limestone filler and coal fly ash, respectively. The extent to which the selected water-powder ratios were suitable to produce a suspension was tested for specific mixes by measuring the
“shear resistance” during the production of fresh concrete. In this procedure, the amount of water required for the conversion of the mix (consisting of cement, addition and mineral aggregate) to a suspension was determined in an experimental setup. The minimum amount of water was derived from the “shear resistance” curve of the aggregate mix, which was indirectly captured via the input power of the compulsory mixer. Own experience has shown that any water volume in excess of the minimum amount is tolerable as long as there are no signs of segregation (bleeding) of the fresh concrete, for instance in the form of “water shifting” occurring during the slump test. It is not possible, however, to go below the minimum amount of water since this would no longer provide the conditions under which a suspension, and thus SCC, can be produced. Only when the minimum amount of water has been exceeded will it be possible to produce an SCC from the suspension by adding a superplasticizer. As part of the investigations carried out, this power measurement was mainly used to test whether the mix actually is a suspension, and can thus be made flowable by adding a plasticizer. However, the measurement of “shear resistance” depending on water addition provides a quick and convenient method to determine the amount of water required for SCC.
The following fresh concrete parameters of the SCCs were measured:
• Slump flow with and without J-ring (sfB; sfB,J) and recording of the flow curve using an automatic slump table
• Blocking tendency in accordance with DIN EN 12350-12 [DIN35] (blocking step stJ with
Abrams cone put overhead)
• V-funnel flow time (tV,B) in accordance with DIN EN 12350-9 [DIN32]
• Rheological parameters of yield limit (τ0) and plastic viscosity (ηpl) measured with the BTRHEOM rheometer [Cen1]
A slump flow target value sfB,J of 690 ± 30 mm was defined. The V-funnel flow target value was defined as a range of 11 ± 3 s. At a constant VW/VM ratio, the degree of flow was set by the amount of added plasticizer alone. The scope of the tests did not include an optimization of the paste composition. The SCCs’ blocking tendency was determined visually and by the blocking step stJ during the slump test. From the literature [Sch6], values of stJ ≤ 20 mm were taken as a criterion for non-blocking SCC. The SCCs with a paste volume that corresponded to the required paste volume showed a good passing ability and a very good degree of self-compaction without sedimentation. When the actual values were lower than the calculated amount of paste, it was impossible to reach the target range (sfB,J 690 ± 30 mm, stJ ≤ 20 mm and tVB = 11 ± 3 s) reliably in the tests carried out by adjusting the amount of plasticizer alone. Nor was it possible to produce an SCC on the basis of a visual assessment under these conditions. Starting from a paste volume equivalent to the volume determined in the KGP, it was possible to produce SCCs that met practical requirements.
The required paste layer thickness for non-blocking SCCs that was calculated for the 0/2 mm fluvial sand using the extended paste layer thickness model was independent of the type of mineral aggregate larger than 2 mm in size and the addition used. This leads to the conclusion that the factor that determines a non-blocking SCC is the layer thickness of the paste (in an appropriate composition), independent of the crushed or uncrushed mineral aggregates used in accordance with relevant standards and guidelines.
The tests carried out with 0/2 mm crushed sand as a fine aggregate lead to the conclusion that a greater paste layer thickness is required to produce SCC if fine aggregates in unfavorable shapes are used. Since the crushed quartz porphyry sand used is considered to have a very unfavorable shape, the paste layer thickness required for mixes with crushed sand can be seen as the upper limit for a functioning SCC with unfavorably shaped aggregates.
For a more accurate description of the rheological properties of the SCCs, flow curves were recorded during a slump test performed by means of an automatic slump table. Since certain fluctuations invariably occur during manual lifting of the slump funnel, the flow behavior was considered only from the moment when a slump diameter of 400 mm was reached. Equation (7.1) can be used to achieve a very good approximation of the slump flow curves measured using the automatic slump table (coefficient of determination ≥ 99 %). Using equations (7.6) and (7.7), the description of the flow curve by the selected exponential equation leads to the linear correlation between flow velocity, or flow acceleration and the flow path. Since the flow velocity, or flow acceleration, directly depends on the factor β when observed as a function of the flow path, the coefficient β in eq. (7.1) is interpreted as a fresh concrete parameter for the damping or the effective viscosity of the flow motion that occurs in the slump test. The coefficient β is referred to as flow-time coefficient. Between the flow-time coefficient β and the plastic viscosity determined in the BTRHEOM rheometer [Cen1] a tendency towards a linear correlation could be pointed out. Both the flow-time coefficient and the plastic viscosity of the examined SVB depend thereby on the paste layer thickness. The existing set of data was insufficient to determine the extent to which the flow-time coefficient is appropriate as a target parameter to define the fresh concrete properties of SCC, or the range in which the flow-time coefficient should lie with a view to producing an SCC that fulfills all practical requirements.
The fact that the paste volume required for SCC production can be determined in the aggregate-packing-test makes it possible to focus on the optimization of the cement paste. In this regard, the measurement of the power of the laboratory mixer made in the course of the tests has proven to be a quick and accurate method to determine the required minimum amount of water. Starting from the paste volume and minimum amount of water required, SCCs can be optimized in a targeted manner, especially with respect to the selection and dosing of the plasticizer.
INHALT 1 Einleitung... 1 1.1 Ausgangssituation... 1 1.2 Zielsetzungen... 2 1.3 Vorgehen ... 3 2 Grundlagen ... 5
2.1 Granulometrie von Gesteinskörnungen... 5
2.1.1 Kornform... 5
2.1.2 Formfaktoren ... 10
2.1.3 Kornformanalyse... 12
2.2 Packungsdichte von Korngemischen ... 16
2.2.1 Einflüsse auf die Packungsdichte... 17
2.2.2 Experimentelle Bestimmung der Packungsdichte... 20
2.2.3 Berechnung der Packungsdichte ... 22
2.3 SVB - Suspension aus Feinstoffleim und Korngemisch ... 25
2.3.1 Wasseranspruch von Bindemitteln und Betonzusatzstoffen ... 26
2.3.2 Einfluss von Fliessmitteln... 29
2.3.3 Einfluss des Leimvolumens auf die Verarbeitbarkeit von Beton ... 30
2.3.4 Wasseranspruch von Korngemischen... 32
2.4 Rheologie von SVB... 34
2.4.1 Prüfung der rheologischen Eigenschaften von SVB ... 39
2.4.1.1 Rheometrische Prüfungen ... 39
2.4.1.2 Standardprüfverfahren... 41
2.4.2 Anforderungen an SVB ... 41
2.5 Konzepte zum Mischungsentwurf von SVB... 42
2.6 Modell der Leimschichtdicke ... 44
3 Erweitertes Modell der Leimschichtdicke (eMLSD) ... 46
3.1 Grundlagen zum erweiterten Modell der Leimschichtdicke... 46
3.2 Geometrische Charakterisierung der Gesteinskörner ... 49
3.3 Überführung der Gesteinskörner in Kugeln... 50
3.4 Volumenanteile im SVB... 51
3.5 Leimschichtdicke... 53
4 Verfahren zur Bestimmung des Leimvolumens für SVB ... 56
4.1 Beschreibung der Korn-Gemisch-Prüfung (KGP) ... 57
4.1.1 Allgemeines ... 57
4.1.2 Ansatz zur Bestimmung des Überschussleimvolumens ... 57
4.1.3 Ansatz zur Bestimmung des Hohlraumvolumens ... 62
4.1.4 Beschreibung des Prüfgerätes... 63
4.1.5 Prüfablauf ... 64
4.2 Auswertung der KGP und Berechnung der Volumenanteile im SVB ... 64
5 Experimentelle Untersuchungen und Auswertung der Ergebnisse ...69
5.1 Angaben zu den verwendeten Ausgangsstoffen des Leims ...69
5.1.1 Wasser und Fliessmittel...69
5.1.2 Zement ...69
5.1.3 Zusatzstoffe...70
5.2 Angaben zu den verwendeten Gesteinskörnungen ...71
5.2.1 Kornform ...71
5.2.2 Kornzusammensetzung...73
5.2.3 Kornrohdichte und Wasseraufnahme...74
5.3 Angaben zu den untersuchten Bindemittelleimen und Mörteln...75
5.3.1 Herstellung von Bindemittelleim und Mörtel...75
5.3.2 Trichterauslaufzeit der Bindemittelleime und Mörtel...75
5.3.3 Mini-slump-Mass der Bindemittelleime und Setzfliessmass der Mörtel ...77
5.3.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse ...77
5.4 Untersuchungen an den Korngemischen...79
5.4.1 Angaben zu den untersuchten Korngemischen ...79
5.4.2 Fotooptische Kornformanalyse ...82
5.4.3 Untersuchungen zum erforderlichen Leimgehalt...85
5.5 Mischungsberechnung ...88
5.6 SVB-Versuche...89
5.6.1 Angaben zu den untersuchten Selbstverdichtenden Betonen...90
5.6.2 Frischbetoneigenschaften Standardprüfverfahren ...91
5.6.3 Rheometrische Prüfungen (BTRHEOM) ...98
5.6.4 Gefügestabilität, Selbstverdichtung und Sedimentation ...102
5.6.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ...104
6 Bestimmung des erforderlichen Wassergehaltes ...106
7 Fliessverhalten beim Setzfliessversuch...112
8 Mischungsentwurf von SVB vom Mehlkorntyp...118
8.1 Ansatz mit dem erweiterten Modell der Leimschichtdicke...118
8.2 Ansatz mit dem Verfahren der Korn-Gemisch-Prüfung ...120
8.3 Praxistest und Schlussfolgerungen...122
9 Schlussbemerkungen und Ausblick...126
10 Literatur ...130
11 Anhang ...144
Bestimmung der Kornrohdichte ...144
Bestimmung der Wasseraufnahme ...145
Korn-Gemisch-Prüfung (Verfahrensanweisung) ...146
Kennwerte der Gesteinskörnungen...147
Kennwerte der KGP und Leimschichtdicke ...150
SVB-Zusammensetzungen und Frischbetonkennwerte (Hauptversuche) ...151
NOMENKLATUR
Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Zeichen, Indizes und Abkürzungen werden ggf. mit der dazugehörenden Einheit an den entsprechenden Stellen im Text erklärt und sind zusätzlich im Folgenden zusammengefasst. Bei doppeldeutigen Symbolen im Kapitel „Grundlagen“ werden die für die Darstellung der eigenen Ergebnisse relevanten Symbole angegeben.
Lateinische Buchstaben und Kennwerte
A Fläche
a Feststoffanteil
af Kornformbeiwert nach WESCHE [Wes1]
af,K Kornformbeiwert aus Kennwerten der Kornformanalyse
C Circularity (engl.)
D, d Durchmesser
dK,O fiktiver Durchmesser eines in eine Kugel überführten Gesteinskorns zur
Berechnung der Oberfläche
dK,V fiktiver Durchmesser eines in eine Kugel überführten Gesteinskorns zur
Berechnung des fiktiven Volumens
dLeim Leimschichtdicke
dm mittlerer geometrischer Korndurchmesser
do oberer Korndurchmesser
du unterer Korndurchmesser
F Kraft
FI Plattigkeitskennzahl nach DIN EN 933-3 [DIN5]
fH Hohlraumfaktor
fHey Heywood-Faktor (Formfaktor) nach HEYWOOD [Hey1]
fWM volumenbezogenes Wasser-Mehlkorn-Verhältnis H, h Höhe K Verdichtungsindex k Körnungsziffer LP Luftporen m Masse mW,min Mindestzugabewassermenge
N Anzahl der Gesteinskörner
Nga gravel content (engl.)
n Volumenanteil
O spezifische Oberfläche
OK,spez spezifische Oberfläche des Korngemisches
P Umfang der Schattenprojektion des Korns
Lateinische Buchstaben und Kennwerte (Fortsetzung)
RS-A Kornformkennwert nach KOEHLER [Koe1]
S Surface (engl.)
SI Kornformkennzahl nach DIN EN 933-4 [DIN4]
SPHT Sphärizitäts-Index
SPHT * korrigierte Sphärizität nach GRAUBNER & PROSKE [Gra2]
s Fließweg beim Setzfließversuch ab dem Durchmesser 400 mm
sfB Setzfließmaß SVB
sfB,J Setzfließmaß SVB mit Blockierring
∆sf Setzfließmaßdifferenz
sfL Setzfließmaß (mini-slump) Leim
sfM Setzfließmaß Mörtel
t Zeit
t400-500 Fließzeit des SVB für die Strecke zwischen sfB = 400 mm bis sfB = 500 mm
t500 Setzfließzeit des SVB bis zum Erreichen der Setzfließmarke 500 mm ohne
Blockierring
t500,J Setzfließzeit des SVB bis zum Erreichen der Setzfließmarke 500 mm mit Blockierring
tV,B Trichterauslaufzeit SVB
tV,L Trichterauslaufzeit Leim bei Auslauföffnung 30 x 30 mm²
tV,L,D=12 Trichterauslaufzeit Leim bei Auslauföffnung Ø 12 mm
tV,M Trichterauslaufzeit Mörtel bei Auslauföffnung 30 x 30 mm²
tV,M,D=12 Trichterauslaufzeit Mörtel bei Auslauföffnung Ø 12 mm
U Umfang
uF massebezogener Feuchtegehalt
V Volumen
VK,spez fiktives spezifisches Volumen des Korngemisches
v Geschwindigkeit
WA massenbezogene Wasseraufnahme
WP Wasseranspruch nach PUNTKE [Pun1]
w Wassergehalt
x Abmessung
xA Durchmesser der flächengleichen Kreisscheibe
Griechische Buchstaben und Kennwerte
α Fließmaßkoeffizient zur Beschreibung der Setzfließkurve
β Fließzeitkoeffizient zur Beschreibung der Setzfließkurve
Γ Drehmoment
γ· Schergeschwindigkeit
∆ Differenz
ε Porosität
ηpl plastische Viskosität
κ Verhältnis Leimvolumen zu Hohlraumvolumen nach MARQUARDT [Mar1]
ρ Rohdichte
τ Schubspannung
τ0 Fließgrenze
Φ Packungsdichte
ψWa Sphärizität nach WADELL [Wa1]
Indizes
äqui äquivalent
B Bedarf bzw. erforderlich (bestimmt mit der KGP)
BZS Betonzusatzstoff CEM Zement d dry (engl.) F Filterplatte FA fotooptisch analysiert FM Fließmittel G, g Gesteinskörnung
H Hohlraum im Kornhaufwerk des Korngemisches
HB Herschel-Bulkley-Approximation
HB-B Bingham-Approximation nach Herschel-Bulkley-Approximation
i Korngruppe i
is in situ
K als Kugel idealisiertes Gesteinskorn
KG Korngemisch (Feststoff)
KGP bestimmt mittels der Korn-Gemisch-Prüfung
KH Kornhaufwerk des Korngemisches (Feststoff + Hohlraum)
KSM Kalksteinmehl
Indizes (Fortsetzung) M Mehlkorn m Masse max maximal min minimal PG Prüfgefäß Pyk Pyknometer
Rg Mittelwert der betrachteten Gesteinskörnung
S Solid (engl.)
SFA Steinkohlenflugasche
SVB im SVB
Schütt lose geschüttet
T in Abhängigkeit von der Temperatur
Ü Überschussleim
unverd unverdichtet
V volumenspezifisch
verd verdichtet
W Wasser
x, y, z Achsrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems
Z Zement
* berechnet mit der korrigierten Sphärizität SPHT *
<0,125 Gesteinskörnung < 0,125 mm ≥0,125 Gesteinskörnung ≥ 0,125 mm 0,125-2 Gesteinskörnung ≥ 0,125 mm und < 2 mm 0,125-4 Gesteinskörnung ≥ 0,125 mm und < 4 mm >4 Gesteinskörnung > 4 mm Abkürzungen A16, AB16,
ABB16, B16 stetige Sieblinien mit einem Größtkorndurchmesser von 16 mm nach bzw. in Anlehnung an DIN 1045-2 [DIN3]
BZS Betonzusatzstoff
CCD Charge-coupled Device (engl.)
CPA Computerized Particle Analysis (engl.)
CPM Compressible Packing Model (engl.)
eMLSD erweitertes Modell der Leimschichtdicke
Abkürzungen (Fortsetzung) KGP Korn-Gemisch-Prüfung KSM Kalksteinmehl n.b. nicht bestimmt PCE Polycarboxylatether REM Raster-Elektronen-Mikroskopie
SCC Self-Compacting Concrete (engl.)
SFA Steinkohlenflugasche
SVB Selbstverdichtender Beton
v.M. vom Mehlkorn
Z Zement
Abkürzungen der untersuchten Gesteinskörnungen
BS Quarzporphyr-Brechsand aus dem Schwarzwald
K Kies aus dem Oberrhein
K2 Kies mit gebrochenen Anteilen aus Rottenburg am Neckar
M und M2 Muschelkalk-Splitt aus dem Raum Stuttgart
NS Natursand aus dem Oberrhein
1
EINLEITUNG
1.1 AUSGANGSSITUATION
Die Entwicklung von Selbstverdichtendem Beton (SVB) geht im Wesentlichen auf Arbeiten des Japaners OKAMURA zurück. OKAMURA stellte vor rd. 20 Jahren der Öffentlichkeit einen fließfähigen Beton vor, der in der Lage war, sich allein aufgrund der Schwerkraft in der Schalung zu verteilen, ohne sich dabei zu entmischen. Da sich dieser Beton beim Fließen selbst entlüftet und dabei verdichtet, wird er als SVB bzw. auf Englisch als Self-Compacting Concrete (SCC) bezeichnet. Die hohe Fließfähigkeit wurde durch die gegenüber einem Rüttelbeton veränderte Mischungszusammensetzung und den Einsatz von hochwirksamen Fließmitteln erreicht.
In Deutschland war bis 2004 die Anwendung von SVB für bauaufsichtlich relevante Bauwerke und Bauteile nur mit einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung oder mit einer Zustimmung im Einzelfall möglich. Mit Aufnahme der SVB-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [SVB1] in die Bauregelliste [Bau1] ist seit 2004 die Anwendung von SVB als Beton für Bauteile und Tragwerke nach DIN 1045-1 [DIN1] geregelt. Trotz dieser Regelung wird SVB nicht in dem Umfang eingesetzt, wie aufgrund seiner verarbeitungsfreundlichen und für Sichtbeton prädestinierten Eigenschaften zu erwarten wäre. Aus betontechnologischer Sicht ist dies in erster Linie darauf zurückzuführen, dass SVB trotz aller Entwicklungsarbeiten immer noch sehr sensibel auf Schwankungen in der Zusammensetzung reagiert, wie aus den Themen aktueller Baustoffkongresse, beispielsweise der 18th Nordic Rheology Conference in Reikjavik [Pro1], der 17. internationalen Baustofftagung in Weimar (Sept. 2009) sowie aktuellen Forschungsprojekten im Bereich des Wohnungsbaus (u.a. [Bra1]) und Dissertationen (u.a. [Höv1, Hun1, Uts1]), zu entnehmen ist. Die Ableitung von allgemeingültigen Entwurfskonzepten anhand von Kenngrößen der Ausgangsstoffe ist bisher aufgrund der äußerst komplexen Interaktionen zwischen Anmachwasser, Bindemittel, Betonzusatzstoff, Betonzusatzmittel und Gesteinskörnung, bzw. aufgrund der fehlenden Methoden zur rationellen Bestimmung von Kennwerten (z.B. der dreidimensionalen Kornform von Gesteinskörnungen), nicht abschließend gelungen. Deshalb wird häufig durch Verwendung eines entsprechend hohen Anteils an Feinstoffleim (Leim) mit geeigneten stabilisierenden Zusatzstoffen eine Suspension hergestellt, in der die Gesteinskörnungen - ohne zu sedimentieren und zu entmischen - transportiert werden. Die so konzipierten SVB sind nach der SVB-Richtlinie [SVB1] dem Stabilisierer- oder Kombinationstyp zuzuordnen.
Aus betontechnologischer Sicht ist es jedoch erstrebenswert, einen SVB unter Verwendung eines möglichst geringen Anteils an Leim herzustellen. Bei einer entsprechenden Abstufung der Korngrößenverteilung des Mehlkorns, einem optimalen Wasser-Feststoff-Verhältnis und der Zugabe von hochwirksamem Fließmittel ist es möglich, den Leim so einzustellen, dass auch ohne Zugabe von stabilisierenden Zusatzstoffen sowohl der Transport der Gesteinskörnung als auch die Entlüftung des Frischbetons beim Fließen gewährleistet ist. Ein derart konzipierter SVB wird dem Mehlkorntyp zugeordnet.
Zur Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp ist eine bestimmte Menge an Leim erforderlich, die maßgeblich von den granulometrischen Eigenschaften der verwendeten Gesteinskörnungen abhängig ist. In der Regel wird die zur Herstellung von SVB erforderliche Menge an Leim empirisch anhand von Frischbetonuntersuchungen bestimmt oder aufgrund von Erfahrungs-werten angenommen (z.B. [Höv1, Koe1, Kor1, Lem1, Mar1]). Die mit diesem Vorgehen festgelegten Mischungen sind jedoch stark an die verwendeten Ausgangsstoffe gebunden. Dies führt i.d.R. dazu, dass bei Verwendung von Gesteinskörnungen aus anderen Vorkommen Anpassungen der Mischungszusammensetzung und erneut Probemischungen erforderlich sind. Da die Herstellung und Prüfung von Probemischungen mit empirischem Ansatz sehr arbeits- und zeitaufwändig sind, ist es erstrebenswert, die erforderliche Menge an Leim allein anhand der granulometrischen Eigenschaften der verwendeten Gesteinskörnungen bzw. den daraus hergestellten Korngemischen bestimmen zu können. Ist die für das vorgesehene Korngemisch erforderliche Menge an Leim bekannt, reduziert sich der Prüfumfang auf die Einstellung des optimalen Wasser-Feststoff-Verhältnisses und des Fließmittelanteils im Leim.
1.2 ZIELSETZUNGEN
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die für die Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp erforderliche Menge an Leim zu bestimmen. Da die erforderliche Leimmenge im Wesentlichen von der verwendeten Gesteinskörnung und den damit zusammengesetzten Korngemischen abhängig ist, steht die Berücksichtigung der granulometrischen Eigenschaften der Gesteinskörnung bzw. der damit zusammengesetzten Korngemische im Mittelpunkt der Überlegungen und Untersuchungen. Analog zur Arbeit von WÜSTHOLZ [Wüs1] wird SVB als 2-Phasen-Gemisch aus dem Korngemisch (Gesteinskörnung ≥ 0,125 mm) und dem Leim (alle Feststoffe < 0,125 mm + Wasser + Luftporen) betrachtet. Der SVB muss so zusammengesetzt sein, dass der im Korngemisch vorhandene Hohlraum mit Leim gefüllt und zudem die Gesteinskörnung zur Reduzierung der Reibung mit einer Mindestschichtdicke an Leim umhüllt wird (u.a. [DeL1, Huß1 bis Huß3, Oh_1, Wüs1, Yam1]). Um die Dicke dieser Leimschicht berechnen zu können, muss sowohl die Oberfläche der Gesteinskörner als auch die zur Separierung der Gesteinskörner benötigte Leimmenge bekannt sein. Bei der Bestimmung der Kornoberfläche besteht das Ziel darin, die Oberfläche mit vertretbarem Aufwand möglichst genau zu bestimmen. Da der Fokus der Untersuchungen auf Korngemischen mit realen und somit nicht ideal kugelförmigen Gesteinskörnungen liegt, ist hierfür ein geeigneter Ansatz für die Berücksichtigung der Kornform von irregulär geformten Gesteinskörnungen zu finden. Weiter besteht das Ziel darin, die für die Füllung des Hohlraumes im Korngemisch und die für die Separierung der Gesteinskörner erforderliche Leimmenge experimentell zu bestimmen. Hierbei soll direkt das zur Herstellung des SVB vorgesehene Korngemisch der Gesteinskörnungen ≥ 0,125 mm untersucht werden. Mit dem als Korn-Gemisch-Prüfung bezeichneten Verfahren wird eine Methode vorgestellt, mit der diese Volumenanteile bestimmt werden können. Anhand der Oberfläche der Gesteinskörnung, der erforderlichen Mindestleimschichtdicke zur Separierung der Gesteinskörner und dem Hohlraumgehalt des Korngemisches soll dann ein
Konzept zur Berechnung der zur Herstellung von SVB erforderlichen Leimmenge abgeleitet werden.
Als weiteres Ziel ist die einfache und schnelle Bestimmung des erforderlichen Wassergehaltes zur Herstellung von SVB zu nennen. Der Wassergehalt ist insbesondere bei der Konzeption von SVB vom Mehlkorntyp wichtig, da bei diesem Typ die Gefügestabilität im Wesentlichen über das Wasser-Feststoff-Verhältnis des Leims gesteuert wird. Auch im Rahmen der Produktionskontrolle ist die Bestimmung des erforderlichen Wassergehaltes von Bedeutung. Dabei spielt vor allem die sachgerechte Aussteuerung der Rezeptur aufgrund von Schwankungen des Wasseranspruchs der Ausgangsstoffe - insbesondere des Zementes - eine entscheidende Rolle.
In der Baupraxis werden einfach zu handhabende Standardprüfverfahren zur Beurteilung des Frischbetons hinsichtlich des Fließ-, Blockier-, und Entmischungsverhaltens eingesetzt. Im Labor werden die Fließeigenschaften oft zusätzlich in einem Rheometer gemessen. Für die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Prüfungen steht hierfür das Rheometer BTRHEOM [Cen1] zur Verfügung. Zudem wird das Fließverhalten mit einem automatischen Ausbreittisch beim Setzfließversuch untersucht. Ziel dabei ist es, aus dem Fließverhalten beim Setzfließversuch rheologische Kennwerte abzuleiten. Da der Setzfließversuch eine gängige und einfach durchzuführende Baustellenprüfung darstellt, ist dies von besonderer baupraktischer Bedeutung.
1.3 VORGEHEN
Zu Beginn des Kapitels 2 werden allgemeine Grundlagen zum Verständnis der vorliegenden Arbeit geschildert. Ausgehend von der Vorstellung, dass SVB aus der Gesteinskörnung ≥ 0,125 mm als feste Phase und dem Leim als flüssige Phase besteht, werden die Bestandteile gemäß dieser Phasen behandelt. Dabei werden Möglichkeiten zur Charakterisierung von Gesteinskörnungen mit Hilfe von granulometrischen Kennwerten aufgezeigt. Das Korngerüst, welches sich durch das Mischen von Gesteinskörnungen unterschiedlicher Korngrößen ergibt, wird anhand der Packungsdichte beschrieben. Der Leim wird u.a. hinsichtlich seiner Zusammensetzung betrachtet. Hierbei wird auf den Wasseranspruch und den Einfluss von Fließmitteln im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit von SVB eingegangen. Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit den rheologischen Eigenschaften von SVB und deren Bestimmung. Abschließend werden in diesem Kapitel Grundlagen ausgewählter Konzepte zum Mischungsentwurf von SVB vorgestellt, wobei auf das Modell der Leimschichtdicke näher eingegangen wird.
Ausgehend vom Modell der Leimschichtdicke nach WÜSTHOLZ [Wüs1] wurden Überlegungen zur Erweiterung des Modells auf irregulär geformte Gesteinskörnungen angestrengt. Aus diesen Überlegungen wurde das „erweiterte Modell der Leimschichtdicke“ abgeleitet. Dieses Modell wird in Kapitel 3 beschrieben. Dabei werden die zur Anwendung erforderlichen Eingangsgrößen definiert und die Berechnung der Leimschichtdicke geschildert.
In Kapitel 4 wird das Verfahren der Korn-Gemisch-Prüfung zur Bestimmung der zur Herstellung von SVB vom Mehlkorntyp erforderlichen Leimmenge vorgestellt. Da bei diesem Verfahren direkt das für den SVB vorgesehene Korngemisch geprüft wird, werden die granulometrischen Eigenschaften der verwendeten Gesteinskörnungen integral erfasst.
Die Prüfergebnisse der mit der Korn-Gemisch-Prüfung bestimmten Eigenschaften von Korngemischen sowie die weiteren im Rahmen der Arbeit durchgeführten Untersuchungen sind in Kapitel 5 enthalten. Im Einzelnen umfassen die experimentellen Untersuchungen Prüfungen an den Ausgangsstoffen (Zement, Betonzusatzstoff, Gesteinskörnung), dem Bindemittelleim und Mörtel, den Korngemischen und dem hergestellten SVB. Es werden die Versuchsdurch-führungen beschrieben und die Ergebnisse dargestellt sowie ggf. Zusammenhänge angegeben und Schlussfolgerungen aus den Untersuchungen gezogen.
In Kapitel 6 wird erläutert, wie durch einfache Modifikation eines Labormischers der für die Herstellung eines SVB vom Mehlkorntyp erforderliche Wassergehalt bestimmt werden kann. Dabei wird indirekt der Scherwiderstand des SVB während des Mischvorganges bei kontinuierlicher Wasserzugabe erfasst. Die Ergebnisse werden exemplarisch aufgezeigt und diskutiert.
Die Ergebnisse der rheologischen Prüfungen aus Kapitel 5, die mit dem Parallel-Platten-Rheometer BTRHEOM [Cen1] und einem automatischen Ausbreittisch beim Setzfließversuch bestimmt wurden, werden in Kapitel 7 gegenübergestellt und Zusammenhänge aufgezeigt. Aus den erarbeiteten Erkenntnissen werden in Kapitel 8 Ansätze für den Entwurf von SVB-Mischungen vom Mehlkorntyp mit beliebig geformter Gesteinskörnung vorgestellt. Bei den Ansätzen werden zum einen die Leimschichtdicke, zum anderen die mit dem Verfahren der Korn-Gemisch-Prüfung bestimmte erforderliche Leimmenge zur Herstellung von SVB berücksichtigt. Aufgrund des geringen technischen Aufwandes weist dabei insbesondere der aus dem Verfahren der Korn-Gemisch-Prüfung abgeleitete Ansatz einen hohen Praxisbezug auf.
Die Arbeit endet mit den Schlussbemerkungen in Kapitel 9. Dabei werden die gewonnenen Erkenntnisse mit Angaben in der Literatur verglichen und die Stoßrichtung weiterer Forschung aufgezeigt.
2
GRUNDLAGEN
2.1 GRANULOMETRIE VON GESTEINSKÖRNUNGEN
Nach BERNHARDT [Ber1] kann die Granulometrie als Teil der Partikelmesstechnik im Zusammenhang mit dispersen Systemen verstanden werden. Dabei ist die Kennzeichnung eines dispersen Feststoffes, u.a. durch Messung der Form, eine der Grundaufgaben [Les1]. In der vorliegenden Arbeit wird als disperses System der SVB im nicht erhärteten Zustand betrachtet. Gemäß der gewählten Betrachtung des Frischbetons als Suspension, stellt der Leim das flüssige Dispersionsmedium und das Korngemisch die feste disperse Phase dar. Im Folgenden wird auf die Kennzeichnung von Gesteinskörnungen bzw. von Körnern allgemein als feste disperse Phase näher eingegangen. Da die disperse Phase in dispersen Systemen auch aus flüssigen Partikeln (Tropfen) oder gasförmigen Partikeln (Blasen) bestehen kann, wird neben der Bezeichnung „Korn“ (für die feste disperse Phase) teilweise auch die allgemeine Bezeichnung „Partikel“ für die nicht näher definierte disperse Phase verwendet.
2.1.1 KORNFORM
Nach der SVB-Richtlinie [SVB1] gelten normale Gesteinskörnungen, die die Anforderungen nach DIN EN 12620 [DIN2] in Verbindung mit dem normativen Anhang U der DIN 1045-2 [DIN3] erfüllen, für die Herstellung von Selbstverdichtendem Beton als geeignet. Bezüglich der Kornform bestehen damit Anforderungen an die Kornformkennzahl SI nach DIN EN 933-4 [DIN4] bzw. an die Plattigkeitskennzahl FI nach DIN EN 933-3 [DIN5]. Der Anteil an ungünstig, d.h. plattig oder länglich geformten groben Gesteinskörnern mit einem Verhältnis der längsten zur kürzesten Seite von größer als 3:1 wird dabei auf 55 M.-% (SI55) bzw. bei der Siebung durch ein Schlitzsieb auf einen Siebdurchgang von 50 M.-% (FI50) begrenzt. Da die genannten Prüfnormen die Beurteilung von Gesteinskörnungen ab einem Korndurchmesser von 4 mm vorsehen, existieren in Deutschland derzeit für die groben Gesteinskörnungen lediglich unpräzise bzw. für die feinen Gesteinskörnungen keine direkten normativen Anforderungen an die granulometrischen Eigenschaften. Dies ist insofern tolerierbar, da für die Herstellung von SVB nur die gleichen Ausgangsstoffe, mit denen die Erstprüfung durchgeführt wurde, verwendet werden dürfen. Eine ähnliche Kornform wird damit in erster Linie über die Herkunft der Gesteinskörnung geregelt. Da sich jedoch die granulometrischen Eigenschaften der Gesteinskörnungen auch bei gleichen Bezugsquellen verändern können, muss zudem die Betonzusammensetzung regelmäßig hinsichtlich der festgelegten Anforderungen überprüft werden. Bei gebrochenen Gesteinskörnungen haben die Petrographie des Materials der Lagerstätte und der Brechvorgang (Art des Brechers, Anzahl der Brechvorgänge) einen wesentlichen Einfluss auf die Form der Gesteinskörnung und deren Feinkornanteil. Im Hinblick auf einen breiten Anwendungsbereich von SVB sind daher weitergehende Charakterisierungen und Festlegungen zur Kornform der Gesteinskörnungen sinnvoll.
Die Form von Körnern spielt in vielen technischen, physikalischen und chemischen Bereichen eine Rolle. Daher existieren zu deren Charakterisierung viele Literaturstellen (u.a. [Ber1, Bre1,
Lag1, Sti1, Zla1]). Die in der Praxis anzutreffenden Körner sind in der Regel irregulär geformt, weshalb für eine vollständige Beschreibung der Kornform eine 3-dimensionale Erfassung erforderlich ist. Da jedoch die 3-dimensionale Analyse von irregulär geformten Körnern mit einem hohen technischen und i.d.R. auch zeitlichen Aufwand verbunden ist, wird anhand vereinfachter Beschreibungen versucht, die granulometrischen Eigenschaften durch geeignete Kennwerte wie Korngröße, Kornverteilung und Formfaktoren für die entsprechende Anwendung hinreichend genau zu beschreiben. Die Bestimmung der Korngröße und Kornverteilung der bei der Betonherstellung verwendeten feinen Gesteinskörnungen (Korndurchmesser bis 4 mm) und groben Gesteinskörnungen (Korndurchmesser größer 4 mm) erfolgt i.d.R. anhand der normativ geregelten Siebanalyse nach DIN 933-1 [DIN7] mit Quadratlochsieben nach DIN ISO 3310-1 [DIN8] bzw. DIN ISO 3310-2 [DIN9]. Die Klassifizierung der Gesteinskörner erfolgt in Abhängigkeit von deren kleinsten Querschnittsabmessungen, wie exemplarisch in Bild 2.1 dargestellt. x x A 2 x A x 2 x
Draufsicht Seitenansicht (Schnitt A-A)
Bild 2.1: Schematische Darstellung des Durchgangs eines kugelförmigen und eines plattigen Korns durch ein Quadratlochsieb mit Öffnungsweite x
Aus der Darstellung in Bild 2.1 und den in Bild 2.2 exemplarisch dargestellten Gesteins-körnungen wird deutlich, dass Korngemische aus GesteinsGesteins-körnungen unterschiedlicher Herkunft, die bei der Siebanalyse mit Quadratlochsieben identische Korngrößenverteilungen aufweisen, i.d.R. bereits bei makroskopischer Betrachtung unterschiedliche Kornformen und damit Kornoberflächen aufweisen. Bei mikroskopischer Betrachtung (vgl. Bild 2.3) wird ferner deutlich, dass die mikroskopische Rauigkeit der Oberfläche der Gesteinskörnung in Abhängig-keit von der Gesteinsart und der Gewinnung bzw. Aufbereitung der Körner große Unterschiede aufweisen kann.
Da neben der Korngrößenverteilung die makroskopische geometrische Kornform sowie die mikroskopische Oberflächenrauigkeit der Gesteinskörner für die Packungsdichte und die Beweglichkeit der Gesteinskörner in einem Korngemisch verantwortlich sind, werden diese granulometrischen Eigenschaften zunehmend bei den Entwurfsverfahren von SVB berück-sichtigt (u.a. [Koe1, Krä1, Spe1, Sta2, Tan1]). Entsprechend ist eine genauere Beschreibung der Kornform und der Oberflächenrauigkeit erforderlich.
Bild 2.2: Unterschiedliche grobe Gesteinskörnungen (links: Rhein-Kies; Mitte: Neckar-Kies mit gebrochenen Anteilen; rechts: Muschelkalk-Splitt)
Bild 2.3: REM Aufnahmen der Kornoberflächen verschiedener feiner
Gesteins-körnungen (links: Natursand mit einheitlich glatter Oberfläche; Bilder Mitte: Natursand mit unterschiedlich strukturierter Oberfläche; rechts: Brechsand mit einheitlich rauer Oberfläche)
Die Form eines Kornes lässt sich gemäß einer Zusammenfassung von ZLATEV [Zla1] entsprechend den in Bild 2.4 aufgeführten Methoden beschreiben.
Die einfachste Beschreibung der Kornform erfolgt verbal durch Begriffe wie „rund“, „gedrungen“, „plattig“, „nadelförmig“, „scharfkantig“, etc. [Sti1]. Eine Übersicht der Nomenklatur zur Beschrei-bung von Teilchen enthält u.a. die britische Norm BS 2955 [BS_1]. Eine differenziertere Beschreibung ist anhand von Vergleichstabellen, wie z.B. in Bild 2.5 nach einem Ansatz von KRUMBEIN & SLOSS [Kru1] unter Berücksichtigung der Abweichung zur Kugelform („Sphärizität“) und der Abrundung der Ecken („Rundung“), möglich.
0,9 0,7 0,5 S ph är iz itä t 0,3 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Rundung
Bild 2.5: Beschreibung der Sphärizität und Rundung als Kornformkennwerte anhand von Vergleichsbildern nach KRUMBEIN & SLOSS [Kru1]
Im Bereich der Betontechnologie wurde von WESCHE [Wes1] der visuell bestimmte
Formbeiwert af in Verbindung mit der durch Siebanalyse bestimmten Korngrößenverteilung zur
Abschätzung der spezifischen Oberfläche von Korngemischen gemäß Gleichung (2.1) verwen-det. Der Formbeiwert berücksichtigt dabei die Abweichung der Kornform von der Kugelform als Mittelwert für die Korngruppe i gemäß der geometrischen Beschreibung in Tabelle 2.1. Obwohl bereits innerhalb einer Korngruppe i.d.R. Körner mit unterschiedlichen Kornformen vorkommen und außerdem der Einfluss unterschiedlicher Kornformen bei der Sieblinie nicht erfasst werden kann (vgl. Bild 2.1), wird dieser Ansatz aufgrund der einfachen Anwendung häufig zur Berech-nung der spezifischen Oberfläche von GesteinskörBerech-nungen verwendet (z.B. [Spe1, Wüs1]).
O =
∑
i Oi = ρaf Rg ·∑
i 10 · ai dm,i [m²/kg]mit: O [m²/kg] spezifische Oberfläche
Oi [m²/kg] Oberfläche der Korngruppe i
ρRg [kg/m³] mittlere Kornrohdichte der Gesteinskörnung
dm,i [mm] mittlerer Durchmesser der Korngruppe i
= (du,i · do,i)
du,i / do,i [mm] unterer bzw. oberer Korndurchmesser der Korngruppe i
ai [M.-%] Anteil der Korngruppe i
af [-] Formbeiwert
Tabelle 2.1: Formbeiwerte af nach [Wes1] zur Berechnung der spezifischen Oberfläche Kornform af kugelig würfelig tetraederförmig oktaederförmig
gedrungen, gerundet, kantig plattig, nadelig 6,0 8,5 17,0 10,5 8,0 … 10,5 12,0 … 17,0
KOEHLER nutzt in seiner Arbeit [Koe1] ebenfalls die Kornform. Die in Bild 2.6 dargestellten Kennwerte „Shape“ und „Angularity“ sind vergleichbar mit der „Sphärizität“ und „Rundung“ nach KRUMBEIN & SLOSS [Kru1] (vgl. Bild 2.5). Allerdings fasst KOEHLER die beiden
Formkennwerte in einem einzelnen, mit RS-A („Visual Shape and Angularity Rating“)
bezeichneten, Kennwert zusammen. Der Wert RS-A soll für jede Kornfraktion des
Korngemisches einzeln bestimmt und anschließend der Mittelwert gebildet werden. Der Kennwert wird von KOEHLER zur Abschätzung der Leimmenge verwendet, die benötigt wird, um die Gesteinskörner im SVB zu separieren (vgl. Kapitel 2.5).
Bild 2.6: Kornformkennwert (RS-A) zur Berücksichtung der Sphärizität („Shape“) und der Eckigkeit („Angularity“) (aus [Koe1])
Da bei diesen visuell vergleichenden Methoden mit vertretbarem Aufwand nur eine begrenzte Anzahl an Körnern erfasst werden kann, und die Beurteilung der subjektiven Beurteilung des Prüfers unterliegt, sind diese Methoden zur genauen Erfassung der Kornform und damit zur Berechnung der Kornoberfläche im Hinblick auf den Mischungsentwurf von SVB nur bedingt geeignet.
2.1.2 FORMFAKTOREN
Um subjektive Einflüsse bei der Beschreibung der Kornform auszuschließen, wurden vielfältigste Formfaktoren auf Basis von gemessenen Korngrößen entwickelt. Nach ZLATEV [Zla1] sind gegenwärtig mehr als 2000 verschiedene Formfaktoren bekannt. Eine Übersicht der im Bereich der Steine- und Erden-Industrie relevanten Formfaktoren ist u.a. in [Zla1] sowie in der DIN ISO 9276-6 [DIN12] enthalten. Daher werden im Folgenden nur einzelne grundlegende Formfaktoren vorgestellt und ihre praktische Umsetzung beurteilt.
Das in Bild 2.7 dargestellte Formendiagramm nach WALZ [Wal2] gibt zwar Definitionen zur Beschreibung der Kornform anhand messbarer Größen an, ist jedoch aufgrund des hohen
Aufwandes beim manuellen Messen der Körner im dreidimensionalen Raum (Abmessungen xx,
xy und xz) zur Erfassung von großen Kornkollektiven nicht praktikabel.
Punkt K: kugelförmig oder regelmäßig geformte Körner
Bereich A: kugelige oder vielkantig gedrungene Körner
Bereich B: noch gedrungen erscheinende Körner, die jedoch schon deutlich von der Kugelform abweichen Bereich C: flach und lang geformte Körner Bereich D: ausgesprochen flache und lang
geformte Körner Linie L: Länglichkeitsgrenze Linie F: Flachheitsgrenze
Linie M: theoretische Grenze zwischen flacher und langer Form
Bild 2.7: Formendiagramm nach WALZ (aus [Wal2])
Die bereits erwähnte Kornformkennzahl SI nach DIN EN 933-4 [DIN4], die für den Einsatz von Gesteinskörnungen in Beton eine gedrungene Kornform mit einem Verhältnis der größten zur kleinsten Kornabmessung xmax/xmin < 3 fordert, beruht auf einem Formfaktor, der direkt durch manuelles Ausmessen von Gesteinskörnern mit einer sogenannten Kornformlehre bestimmt werden kann. Da das Verfahren lediglich zwischen einer günstigen (xmax/xmin < 3) und einer ungünstigen (xmax/xmin > 3) Kornform unterscheidet, erfolgt dabei nur eine sehr eingeschränkte Beschreibung der Kornform. Eine differenzierte Unterteilung in weitere Kornformklassen ist durch Einsatz von automatisierten Kornmessverfahren möglich. Allerdings werden keine Informationen zur Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise zur Rundung gemäß der Beschreibung nach KRUMBEIN & SLOSS [Kru1] in Bild 2.5, erfasst. Analoge Aussagen erhält man über die Definition der Plattigkeitskennzahl FI nach DIN EN 933-3 [DIN5], die ebenfalls einen Kennwert für das Verhältnis Länge/Breite des Korns darstellt.
Wie aus den geschilderten Methoden hervorgeht, können Formfaktoren anhand des Verhältnisses von mindestens zwei voneinander unabhängigen Partikelparametern gebildet werden. PAHL et al. [Pah1] beschreiben den Formfaktor ψ allgemein gemäß Gleichung (2.2),
darstellen. Die Indizes α und β geben an, um welche Größe (z.B. Volumen, Länge, Masse) es sich handelt bzw. mit welcher Messmethode (z.B. Wägung, Längenmessung) die Größe bestimmt wurde.
ψα,β = xα xβ
(2.2)
Im Zusammenhang mit der Partikeloberfläche und dem Partikelvolumen sind die zu Beginn des 20. Jahrhunderts von WADELL [Wad1] und HEYWOOD [Hey1] eingeführten Formfaktoren
Sphärizität nach Wadell ψWa und Heywood-Faktor fHey gemäß den Gleichungen (2.3) und (2.4)
die wohl bekanntesten. Die Indizes bei den Korngrößen xV und xS geben an, dass es sich um
den Durchmesser einer volumen- bzw. oberflächengleichen Kugel in Bezug auf das betrachtete Partikel handelt. Der von HEYWOOD [Hey1] angegebene Durchmesser x ist als charakteristischer Durchmesser einer Kugel in Abhängigkeit von der verwendeten Partikel-größenerfassung zu verstehen. Der Zusammenhang zwischen den beiden Faktoren ist in Gleichung (2.5) angegeben. Die Schwierigkeit bei der praktischen Anwendung dieser Formfaktoren besteht allerdings nach wie vor in der Bestimmung der tatsächlichen Oberfläche von irregulär geformten Partikeln [Sti1].
ψWa = Oberfläche der volumengleichen Kugel tatsächliche Oberfläche = xV S = ² · π xV xS
²
(2.3)
fHey = gemessene volumenspezifische Oberfläche des Partikels spezifische Oberfläche einer Kugel mit Durchmesser x = SV · x 6 (2.4) fHey = ψ 1 Wa · x xV (2.5)
Ansätze für die dreidimensionale Erfassung von Kornformen mit Hilfe der Stereometrie sind z.B. in Arbeiten von GOTHO & FINNEY [Got1] sowie BEHRENS [Beh1] zu finden. Ein anderer Ansatz beruht auf der Betrachtung von mindestens drei 2-D-Projektionen in verschiedenen Projektionsebenen und die Berechnung der dreidimensionalen Kornform aus der Superposition der Bilder [Hul1, Tut1, Wei1]. Mit den heute zur Verfügung stehenden fotooptischen Messsystemen kann die Erfassung von 2-D-Projektionen sehr rationell erfolgen. Die praktische Umsetzung mit in verschiedenen Betrachtungsebenen angeordneten Kameras ist derzeit noch Gegenstand der Forschung in der Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik [Mül1]. Die direkte Erfassung bzw. Messung der Oberfläche von realen dreidimensionalen Körnern bzw. von Kornkollektiven durch einen 3-D-Scan im µm-Bereich ist mit vertretbarem Aufwand jedoch noch nicht möglich. Daher haben Formfaktoren, die sich auf die tatsächliche Oberfläche von irregulär geformten Partikeln beziehen, derzeit noch weitgehend theoretische Bedeutung.
