01 Gesteinskörnung_Skript_ Hartung_Stand 29.07.20.pdf

Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Gesteinskörnung Nachdruck und Vervielfältigung jeglicher Art – auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Genehmigung des Verfassers. Zu...

Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Gesteinskörnung Nachdruck und Vervielfältigung jeglicher Art – auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Genehmigung des Verfassers. Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 1 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Zuschläge für Mörtel und Beton Allgemeines Für Mörtel und Beton braucht man als „mineralisches Gerüst“ Zuschläge (Sand, Kies, Splitt). Sie werden durch Bindemittel (z. B. Gips, Kalk, Zement) und das Anmachwasser fest miteinander verkittet. Seit Juli 2004 sind für Sand und Kies neue europäische Normen für Gesteinskörnungen in Kraft getreten. Die bis dahin geltende deutsche Normenreihe DIN 4226 entsprach in ihrer letzten Fassung aus dem Jahr 2001 inhaltlich weitgehend den neuen europäischen Normen, weshalb sich im Hinblick auf die Produkteigenschaften von Gesteinskörnungen nur wenig geändert hat. Jedoch beinhaltet die Einführung der Norm DIN EN 12620 Gesteinskörnung für Beton und die DIN V 20000-103 in Verbindung mit der neuen DIN EN 206-1 und der DIN 1045-2 (Beton) eine Fülle an neuen Begriffen und Prüfvorschriften im Betonbau. Natürliche Zuschläge Als natürliche Zuschläge sind weitaus die meisten natürlichen Gesteine zu verwenden, vor allem Magmagesteine und einige Sedimentgesteine. Bei den natürlichen dichten Zuschlägen unterscheiden wir: Lose Ablagerungen in Flüssen, wie Sand, Kies, Kiessand, oder aus ehemaligen Flüssen oder Gletscherbetten (Grubensand, Grubenkies, Grubenkiessand). In Brechanlagen künstlich gebrochenes Naturgestein, wie Granit, Diorit, Gabbro, Quarzit, Basalt, dichter (fester) Kalkstein usw. Ferner Magnetit, Hämatit, Schwerspat für Schwerbeton. Hinzu kommen natürliche porige Zuschläge, wie Naturbims, poröse Lavaschlacke, Tuffgesteine, Sägemehl, Sägespäne und Holzwolle. Künstliche Zuschläge Künstliche Zuschläge sind meist Nebenprodukte aus der Industrie. Wir teilen die künstlichen Zuschläge in zwei Gruppen: Künstlich hergestellte dichte Zuschläge:  Stahlgranulat (Körnung 1 bis 7 mm) und Stahlsand (0,2 bis 3mm), Stahlfasern für Industriefußböden und Spritzbeton (Tunnelbau)  Hochofenschlacke (Hüttensand)  Hartstoffe wie synthetischer Korund (Al2O3) Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 2 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Künstlich hergestellte porige Zuschläge:  Schnell gekühlte geschäumte und gebrochene Hochofenschlacke (Hüttenbims)  Blähton und Blähschiefer (Leca, Liapor)  Vermuculite (geblähter Glimmer) und Perlite (geblähter Obsidian)  Geschäumtes Polystyrol (Styropor) Normen und Begriffserläuterungen Die seit Juni 2004 in Kraft getretenen neuen Normen für Gesteinskörnung regeln die Verwendung in Betonen, Spezialbetonen, Mörtel und Putzen und ersetzen gemeinsam die alte Norm DIN 4226-1. Abb.1 ab Juni 2004 geltende Normen für Abb. 2 Begriffserläuterung Gesteinskörnung mit: D = Größtkorn d = Kleinstkorn Gesteinskörnung: Körniges Material für die Verwendung im Bauwesen. Gesteinskörnungen können natürlich, industriell hergestellt oder rezykliert sein. Normale Gesteinskörnung: Gesteinskörnung mineralischen Ursprungs mit einer Kornrohdichte von 2,0 t/m³ bis unter 3,0 t/m³. Schwere Gesteinskörnung: Gesteinskörnung mineralischen Ursprungs mit einer Kornrohdichte von mindestens 3,0 t/m³. Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 3 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 3 Gesteinskörnungen und Korngemische Füller: Gesteinsmehl – weitgehend inerte Gesteinskörnung, deren überwiegender Teil durch das 0,063 mm Sieb hindurchgeht und den Baustoffen zur Erreichung bestimmter Eigenschaften zugegeben werden kann. Korngemisch: Gesteinskörnung, die aus einer Mischung grober Gesteinskörnungen und feiner Gesteinskörnungen (Sand) besteht. Korngruppe: Lieferkörnung – Benennung einer Gesteinskörnung mittels unterer (d) und oberer (D) Siebgröße, ausgedrückt als d/D. Anmerkung: Diese Benennung schließt ein, dass einige Körner durch das untere Sieb fallen (Unterkorn) und einige auf dem oberen Sieb liegen bleiben (Überkorn) Feine Gesteinkörnung: Sand – Benennung für kleinere Korngruppen mit D nicht größer als 4mm und d = 0. Grobe Gesteinskörnung: Benennung für größere Korngruppen mit D nicht kleiner als 4 mm und d nicht kleiner als 2 mm. Feinanteil: Anteil einer Gesteinskörnung, der durch das 0,063 mm Sieb hindurchgeht. Kornzusammensetzung: Korngrößenverteilung, ausgedrückt durch die Siebdurchgänge als Massenanteil in % durch eine festgelegte Anzahl von Sieben. Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 4 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Korngruppen Alle Gesteinskörnungen sind durch Angabe der Korngruppen, ausgedrückt als d/D, zu beschreiben. 1/2 2/4 Abb. 4 Übliche Korngruppen (Lieferkörnung) nach DIN 4226-1 (Anhang A) Korngruppen sind unter Verwendung der Siebgrößen nach Abb.5 anzugeben, wobei sich die Bezeichnung aus Werten des Grundsiebsatzes, des Grundsiebsatzes plus Ergänzungssiebsatz 1 oder des Grundsiebsatzes plus Ergänzungssiebsatz 2 zusammen setzen muss. Anmerkung: In Deutschland sind nur Siebe aus der Reihe „Grundsiebsatzes“ plus Ergänzungssiebsatz1 üblich. Abb.5 Siebgrößen zur Bezeichnung von Korngruppen (Lieferkörnung) Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 5 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 5.1 Übersicht über die wichtigsten Arten von Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel nach DIN 4226 Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 6 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Anforderungen an Zuschläge für Beton Zuschläge sollen eine ausreichende Druckfestigkeit besitzen (bei dichtem Gefüge 100 N/mm²) und witterungsbeständig, insbesondere frostbeständig sein. Sie dürfen keine schädlichen Bestandteile enthalten. Sie sollen eine günstige Kornzusammensetzung und eine günstige Kornform haben. Natürliche dichte Zuschläge, insbesondere auch die üblichen Kiese und Sande, haben i.d.R. eine ausreichende Festigkeit und sind witterungs- und frostbeständig. Abb. 6 Regelanforderungen an den Zuschlag nach DIN EN 12620 / DIN V 20000-103 SI – Shape Indes; FI – Flakiness Index; NR – No Requirements Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 7 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 7 Allgemeine Anforderungen an die Kornzusammensetzung (DIN 4226-1:2001-07) Abb. 7 Abb. 7 Abb. 7 Abb. 7 Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 8 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb.8 Auswertung von Abb. 7 Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 9 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Siebweite in mm Abb.8.1 Zulässige Abweichungen von der „typischen Sieblinie“ bei feinen Gesteinskörnungen Siebweite in mm Abb. 9 Sieblinie einer groben Gesteinskörnung, enggestuft (Beispiel 8/16) Abb. 10 Sieblinie einer groben Gesteinskörnung weitgestuft (Beispiel 2/32) Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 10 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Schädliche Bestandteile Als schädliche Bestandteile des Zuschlags gelten Stoffe, die das Erstarren oder Erhärten des Bindemittels des Mörtels bzw. Betons, seine Festigkeit, Dichtigkeit oder den Korrosionsschutz der Stahleinlagen beeinträchtigen oder die zu Absprengungen führen. So wirken z. B. als schädlich:  ein zu hoher Gehalt an abschlämmbaren Bestandteilen (Feinanteile siehe Abb. 13)  Stoffe organischen Ursprungs  erweichende, quellende oder treibende Bestandteile (z. B Glimmer)  erhärtungsstörende Substanzen (z. B. Zucker und zuckerhaltige Stoffe)  bestimmte Schwefelverbindungen (z. B. Gips)  Korrosionsfördernde Stoffe (z. B. Chloride)  Alkalilösliche Kieselsäure (Flint, Opal) Abschlämmbare Bestandteile - Feinanteile (Lehm, Ton, Gesteinsstaub) Der Einfluss toniger oder mehlfeiner Stoffe kann im allgemeinen auf Grund des Anteils < 0,063mm Korngröße beurteilt werden. Abschlämmbare Bestandteile können vor allem dann schädlich wirken, wenn sie am Gesteinskorn fest haften und sich nicht leicht abreiben lassen, so dass eine Behinderung der Bindemittelhaftung am Korn eintritt. Auch das Vorhandensein toniger Knollen wirkt schädigend, da diese bei Wasseraufnahme quellen können. Ein Anhaltswert für die Menge der abschlämmbaren Bestandteile (Feinanteile) in Korngruppen bis 4 mm Durchmesser gibt der Absetzversuch. V  Gt ag   100 % (1) mg mit: a g  abschlämmbare Bestandteile in M.% V = abgelesenes Schlämmschichtvolumen in cm³ nach 1 oder 24 Stunden Absetzzeit in cm³ mg = Zuschlageinwaage in [g] Gt = Angenommene Trockenmasse der in 1cm³ der Schlämmschicht enthaltenen abschlämmbaren Bestandteile nach 24 Std.= 0,9g/cm³ ; nach 1Std. = 0,6g/cm³ Abb. 11 Absetzversuch oder: ag = v · Faktor (siehe Abb.12) Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 11 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb.12 Auszug „Abschlämmbare Bestandteile“ aus einem Prüfformblatt Abb.13 Höchstwerte des Gehaltes an Feinanteile [abschlämmbaren Bestandteilen] in dichtem Zuschlag nach DIN 4226-1 Beispiel Abb. 12 ag = Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 12 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Stoffe organischen Ursprungs Fein verteilte geringe Anteile an Humusstoffen oder sonstige organische Verunreinigungen können den Erhärtungsvorgang des Bindemittels verzögern oder verhindern. In körniger Form können sie Verfärbungen oder durch Quellen Absprengungen hervorrufen. Einen Hinweis auf fein verteilte humussäurehaltige Bestandteile gibt eine Untersuchung mit 3 % iger NaOH – Lösung, die auf die zu prüfenden Zuschläge gegeben wird. Nach gutem Durchschütteln wird nach 24 Stunden die Färbung der überstehenden Flüssigkeit beurteilt.  farblos bis hellgelb-höchstwahrscheinlich keine wesentlichen Mengen organischer Verunreinigungen  tiefgelb, bräunlich, rötlich - Vorsicht geboten! Verwendung nur nach Eignungsprüfung Abb.14 Auszug „Stoffe organischen Ursprungs“ aus einem Prüfformblatt Abb. 15 Natronlauge-Verfahren Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 13 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Schädliche Salze Hier insbesondere Chloride (Tausalze), die die Stahlkorrosion fördern. Ihr Anteil ist bei Beton auf 0,04 M.-%, bei Spannbeton auf 0,02 M.-% begrenzt. Des weiteren Sulfate und Sulfide, die zum Sulfattreiben führen können. Ihr Anteil ist auf 1 M.-% begrenzt. Abb.16 Höchstwerte an wasserlöslichen Chlorid-Ionen Widerstand gegen Frost – Tau – Wechsel Abb.17 Frostversuch durch Gefrieren von Gesteinskörnung in Dosen m1  m 2 F   100 % [M.-%] (2) m1 mit: m1 = Ausgangsmasse [g] m2 = Rückstand auf das nächstkleinere Prüfsieb [g] F = prozentualer Massenverlust Abb.18 Höchstwerte des Frostwiderstandes Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 14 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Kornform Die Kornform soll möglichst gedrungen (kugelig, würfelig) sein. Ein Korn gilt als ungünstig geformt, wenn das Verhältnis Länge zu dicke größer als 3 : 1 ist (Prüfung mit der Kornform- Schieblehre). m2 SI   100 % [M.-%] (3) m1 Hierin bedeuten: SI = Anteil an ungünstig geformten Körnern in Masse-% m1 = Masse der Messprobe in [g] (Einwaage) m2 = Masse der nicht kubischen Körner in [g] Abb.19 Kornform-Schieblehre Abb.20 Kategorien für Höchstwerte der Kornformkennzahl SI [%] Beispiel zur Erläuterung: Ermitteln Sie die Kornformkennzahl SI der folgenden Messprobe di/Di = 8/16 m1 = 1053g m2 = 307g Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 15 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Kornzusammensetzung Korngruppen und Sieblinien Für die Güte des Betons oder Mörtels ist der Kornaufbau (Kornzusammensetzung, Korngrößenverteilung) von besonderer Bedeutung. Die Größe eines Kornes im Zuschlaggemenge bezeichnet man als Korngröße. Der Kornaufbau wird mit Hilfe von Siebversuchen festgestellt. Aus diesen verschiedenen Arten und Größen der Zuschläge setzt man das „mineralische Gerüst“ des Mörtels und Betons zusammen. Außer den schon genannten Forderungen spielt die Zusammensetzung nach verschiedenen Korngrößen eine wichtige Rolle, weil die Zuschläge in dem Bauteil möglichst wenig Hohlräume haben sollen, damit sie ein festes Korngerüst bilden und möglichst wenig Bindemittelleim zur Bildung des festen Mörtels oder Betons benötigen. Feinanteil Abb.21 Bezeichnung des Zuschlages nach der Korngröße (DIN 4226-1) Abb.22 Prüfsiebsatz Abb.23 dichtes Korngefüge Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 16 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Durch Versuche und Berechnungen haben sich für Beton besonders gute Kornzusammensetzungen ergeben, die durch die Sieblinien festgelegt sind und durch Körnungsziffern oder F – Werte beschrieben werden können. Für kugelige Körner hat der Amerikaner Fuller für ein trockenes Betongemisch aus Zuschlag und Zement eine ideale Sieblinie, die sog. Fuller-Parabel entwickelt. Abb. 24 Sieblinie und Ermittlung der Korngruppe Abb. 25 Sieblinien nach DIN 1045 Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 17 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 26 Sieblinien nach DIN 1045 Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 18 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 26.1 Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Sieblinien Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 19 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Beispiel 1: Ermitteln Sie mit den vorgegebenen Siebergebnissen eine Sieblinie mit den folgenden Anteilen: 0/4 = 40%; 4/8 = 15%; 8/16 = 20%; 16/32 = 25% Zeichnen Sie die berechnete Sieblinie in das Siebliniendiagramm ein. Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 20 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Sieblinienkennwerte Sieblinienkennwerte dienen zur technologischen Beurteilung von Korngemischen und zum Abschätzen des Wasseranspruches eines Betons. Berechnet werden die Kennwerte mit Hilfe der Kornverteilung über die Prüfsiebe 0,25mm bis 32 (63) mm. (0,125 - er Sieb wird nicht berücksichtigt) Die Körnungsziffer k ergibt sich als Summe der Siebrückstände in %, dividiert durch 100. Die Körnungsziffer kennzeichnet die Fläche oberhalb der Sieblinie, d. h. je größer das Größtkorn und je sandärmer das Gemisch ist, um so größer ist die Körnungsziffer k. 1 k  100 R i (4) Ri = Sieblinienrückstand [ M.-%] Abb.27 Siebversuch Die D-Summe ist die Summe aller Siebdurchgänger in %. Grobe, d. h. sandärmere Korngemische haben eine kleinere D-Summe. D D i (4.1) Die Feinheitsziffer (F-Wert) nach Hummel kennzeichnet ähnlich der Körnungsziffer k die Fläche oberhalb der Sieblinie. Er lässt sich auf einfache Art und Weise mit hinreichender Genauigkeit aus der Körnungsziffer k berechnen: F  30 ,1  k  24 ,3 (5) Beispiel 2: Ermitteln Sie die Körnungsziffer k, die D63-Summe und den F-Wert der Regelsieblinie B32 nach DIN 1045-1. Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 21 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 28 Kennwerte der gebräuchlichsten Sieblinien Abb.29 Mischplatz – Zuschlaglagerung getrennt nach Korngruppen Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 22 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Rechnerisches Zusammensetzen von Zuschlaggemischen aus einzelnen Korngruppen Zuschläge werden von den Kieswerken getrennt nach einzelnen Korngruppen geliefert, i. d. R. in den Korngruppen 0/2, 2/8, 8/16 oder 0/4, 4/8, 8/16 und 16/32. Mit Hilfe der Körnungsziffern kann man mit einem einfachen Berechnungsverfahren, dem Mischkreuz-Verfahren, aus mehreren Korngruppen eine gewünschte Gesamtsieblinie zusammensetzen. Beispiel 3 Berechnen Sie die Zusammensetzung eines Korngemisches 0/8 aus den Lieferkörnungen 0/2 und 2/8 (mittels Mischkreuz – Verfahren). Tragen Sie die berechneten Werte in das Siebliniendiagramm ein (Seite 23). Korn- Durchgang in Masse-% durch die Siebe k-Werte gruppe 0,25 0,5 1 2 4 8 0/2 13 45 71 96 100 100 2/8 0 0 0 3 39 98 Soll- 11 26 42 57 74 100 sieblinie Probe Korngruppe Anteil Durchgang in Masse- % durch die Siebe Sieblinie Kennzeichen mm in % 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63 k- Ziffer Nr.: 1 0/2 2 2/8 3 4 5 Durchgangssumme Rückstand (Ist-Sieblinie) Sollsieblinie Siebliniendiagram m 100 100 90 85 80 S iebdur chgang in % 74 70 71 60 61 57 57 50 40 42 39 36 30 30 30 30 26 20 21 21 17 14 10 11 3 5 3 5 0 2 0 1 0 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 Lochw e ite in m m Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 23 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Lösung: Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 24 Baustofftechnologie Dozent Dipl.-Ing. P.Hartung _________________________________________________________________________________________________________________ Eigenfeuchte Die Eigenfeuchte des Zuschlags setzt sich zusammen aus dem Wasser auf der Oberfläche der Körner und zwischen den Körnern (Oberflächenfeuchte) und dem Wasser in den Kornporen (Kernfeuchte). Oberflächenfeuchte und Zugabewasser zusammen bilden den Wassergehalt des Frischbetons. Darrprobe Hierbei wird eine genau gewogene Materialprobe in einem flachen Gefäß unter ständigem Rühren bis zur Oberflächentrocknung erhitzt. Der Gewichtsunterschied gegenüber der Einwaage entspricht dem Feuchtigkeitsgehalt (bezogen auf die Trockenmasse) ergibt sich die Oberflächenfeuchte in M.-%. G f  Gt f   100 [M.-%] (6) Gt Gf = Gewicht der feuchten Probe in g Gt = Gewicht der getrockneten Probe in g Messung mit dem CM-Gerät (Carbid-Methode) Bei diesem Verfahren, das nur für Körnungen ≤ 4 mm geeignet ist, bestimmt man den aus der Reaktion einer konstanten Menge Carbid mit Wasser (Feuchtigkeit) zu Acetylen [C2H2] resultierenden Druckanstieg in einem Druckgefäß. CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2 Aus beigegebenen Tabellen lässt sich der entsprechende Feuchtigkeitsgehalt in M.-% ablesen. Abb.30 CM-Gerät mit Hilfsmittel Zuschläge für Mörtel und Beton-PH Seite 25