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Baustofflehre 2010
Thomas A. BIER
Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg
Baustofflehre
Technologische Kennwerte
Baustofflehre 2010
Baustoffprüfung
Baustofflehre 2010
Im Bauwesen normiert: Maßanordnung Hochbau (DIN 4172)
Baunormzahlen mit Basis 100 cm (Baurichtmaße)
100 / 4 = 2,5 cm
100 / 8 = 12,5 cm
100 / 12 = 8,33 cm
100 / 16 = 6,25 cm
anwendbar auf
•Einzelmaße•Rohbaumaße
•Ausbaumaße•Nennmaße
Toleranzen in DIN 18 202 mit drei Genauigkeitsgruppen Stahl- und Stahlbetonskelettbau: DIN 1800 (Modul M = 100 mm)
Physikalisch-geometrische Kenngrößen
Baustofflehre 2010
Dichte oder Reindichte: = m/VFeststoff
Rohdichte: R = m/Vgesamt = m/(VFest + VPoren)
Schüttdichte: S = m/VSchüttung
Porosität: = VPoren/Vgesamt = VP/(VF + VP) 100 (%)
= (1 - R/) 100 (%)
Offene Porosität durch Wasseraufnahme:
eff. = R 100 (%)
= WA (%)
Dichte, Masse und Porosität
Baustofflehre 2010
Baustoffprüfung – Bsp. Festigkeit
Baustofflehre 2010
Baustoffprüfung – Verteilungsfunktion
Baustofflehre 2010
Baustoffprüfung – 5% Fraktile
Baustofflehre 2010
Festigkeit, Arbeitsvermögen
Die in einem Zugversuch geleistete Arbeit ist
Da Δl = ε.l und F = σ.A ist, erhält man:
Bei linear-elastischem Verhalten ist ε = σ/E
Spez. Arbeitsvermögen: w = V/W
Baustofflehre 2010
Festigkeit, Arbeitsvermögen
Baustofflehre 2010
Kriechen, Relaxation, Zeitstand
Kriechen: Anstieg der Verformung mit der Zeit bei konstanter Spannung.
Relaxation: Abfall der Spannung mit der Zeit bei konstanter Dehnung.
Kriechgrenze: Spannung, unterhalb der bei Dauerlast keine messbaren zeitabhängigen Verformungen
eintreten.
Zeitstandfestigkeit: Maximale Spannung, die ein Werkstoff während eines festgelegten Zeitraumes ohne
Bruch ertragen kann.
Dauerstandfestigkeit: Maximale Spannung, die ein Werkstoff unendlich lange ohne Bruch ertragen kann.
Baustofflehre 2010
Typische Festigkeiten
Baustofflehre 2010
Schwindmechanismen in porösen,
zementgebundenen Werkstoffen
Wasserverlust durch Bluten und Verdunsten
Volumenänderung durch Hydratation
Spannungsaufbau durch Wasserentzug in den Poren -
Trocknen
Plastisches Schwinden
Schrumpfen (Quellen)
Trocknungsschwinden
Die Karbonatisierung d.h. die Reaktion von
Hydratphasen mit CO2 führt zu einer
VolumenverringerungKarbonatisierungs-schwinden
Baustofflehre 2010
Schwinden und Quellen: Volumenabnahme bzw. Zunahme eines Werkstoffs bei konstanten Temperaturen, ohne Einwirkung äußerer Spannungen als Folge von
Wasserverlust oder Wasseraufnahmenplastisches Schwinden
Beispiel: Schwinden des Betons Trocknungsschwinden
Wichtigste Parameter: Zusammensetzung; Porosität und Porenstrukturen, Umweltbedingungen
Schrumpfen und Treiben: Volumenabnahme bzw. Zunahme eines Werkstoffes bei konstanterTemperatur ohne Einwirkung äußerer Spannungen als Folge chemischerReaktionen
Beispiel: Schrumpfen des Betons, Schrumpfen von Kunststoffen währendder Härtereaktion, Ettringitbildung
Volumenstabilität
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Plastisches Schwinden
Bluten führt zu Wasserverlust zwischen den Zementpartikeln
Volumenabnahme der homogenen Paste, des Mörtels, des Betons
Eventuell Rißbildung
Zement + Wasser
Homogene Paste Paste + Wasserfilm
Wasser
Zement + Wasser
L0 L1
L1 < L0 plastisches Schwinden
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VBindemittel + VWasser < VHydrate
Schrumpfen und Quellen
Freikalkhydratation:
CaO + H2O Ca(OH)2 schwierig zu kontrollieren
Ettringitbildung aus CAC and Sulfat:
CA + 3CSHX + 2C + 32H C3A(CS)3H32
3CA + 3CSHX + 32H C3A(CS)3H32 + 2AHx
Bildung der CSH Phasen aus PZ Klinkerphasen
C2S/ C3S + H2O CSHx
Bildung von CAH Phasen aus TZ Klinkerphasen
CA + H2O CAH10
VBindemittel + VWasser > VHydrate
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Kapillarkräfte sind verantwortlich
für das Trocknungsschwinden
Große Poren werden zuerst entleert ;
Kapillarkräfte drücken die kleinen Poren
zusammen und verursachen örtliche
Spannungen, die zu Rißbildung führen können
d
r a
w
Crack
Crack
Spannung in einer Flüssigkeit r
γ2- P
w
Kapillardruck
während des
Trocknen
V
S . α cos γ P
p
pwkap
Quelle: George W. Scherer : « Theory of Drying », J.Am. Ceram, Soc, 73, 1990
Baustofflehre 2010
Schwindparameter
Parameter, welche die Größe des Schwindens beeinflussen:
Entscheidend für die Größe des Schwindens ist in erster Linie der Wasserverlust während des
Austrocknens. Daher führen alle Parameter, welche den Wasserverlust des Betons steigern, zu einer
Erhöhung des Schwindens.
• Zementsteinvolumen:
Mit zunehmendem Volumenanteil des Zementsteins nimmt die Größe des
Schwindens von Beton zu.
• Wassergehalt und Wasserzementwert:
Mit steigendem Wassergehalt und zunehmendem ω-Wert wächst das Schwinden, da die Menge an
verdampfbarem Wasser und die Porosität des Zementsteins zunehmen.
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Schwindparameter
• Relative Luftfeuchte der umgebenden Luft:
Mit sinkender relativer Luftfeuchte steigt der Wasserverlust des Betons und damit auch das
Schwinden.
• Körpergröße:
Die Körpergröße beeinflusst vor allem die Geschwindigkeit des Schwindablaufs: Große Körper
schwinden langsamer als kleine.
• Art der Gesteinskörnung:
Die Gesteinskörner behindern die freie Schwindverformung des Zementsteins, und zwar um so
mehr, je steifer sie sind. Daher ist die Schwindverformung eines Betons bei sonst gleichen
Parametern um so kleiner, je höher der E-Modul der Gesteinskörner.
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Einfache Abschätzung des
Schwindmaßes
Baustofflehre 2010
Haftzugfestigkeit
oder Abreißfestigkeit ist ein Maß für die Eigenschaft einer Beschichtung, auf einem bestimmten Substrat zu haften und dem Versuch der Trennung einen Widerstand entgegenzusetzen. Dazu wird unter definierten Bedingungen (Messfläche, Temperatur, Abzugsgeschwindigkeit u.a.) ein auf der Beschichtung des betreffenden Prüfkörpers aufgeklebter Stempel mittels einer Zugprüfmaschine senkrecht zur Substratoberfläche gleichmäßig langsam bis zum Abriss (Bruch) abgezogen. Dieser Messwert wird dann als Kraft pro Fläche in N/mm² oder N/m² angegeben. Wichtig ist dabei die Beschreibung des Bruchbildes, also ob der Bruch
a) innerhalb der Beschichtung,b) in der Grenzfläche Beschichtung/Substrat oderc) im Substrat selbst erfolgt ist.
Die Haftzug-Abrissfestigkeit kann im Messwert nie höher liegen als die Eigenfestigkeit der einzelnen Komponenten, wobei in einem Verbund immer das schwächste Glied maßgebend ist. Bei WDV-Systemen z.B. sollte der Abriss immer im jeweiligen Isoliermaterial stattfinden, also im EPS-Hartschaum oder in der Mineralwolle.
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Haftzugfestigkeit
Baustofflehre 2010
Verdichtungsmaß
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Ausbreitmaß
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Experiment
Result
Time
Decay
Working time
Flow
value
d1d0 = 100 mm
70 mm
50 mm
Flow value, Flow decay, Working time
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Positionierung des Fließverhaltens
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Rheologie in der Praxis
Baustofflehre 2010
Rheologie in der Praxis
Baustofflehre 2010
Rheologie in der Praxis
Baustofflehre 2010
Sieblinien
Baustofflehre 2010
Der Verlauf stetiger Sieblinien kann durch verschiedene Funktionen beschrieben werden, z. B.
durch die Korngrößenverteilung nach Andreasen:
Sieblinien
Baustofflehre 2010
Sieblinien: Beispiel einer Rechnung
Baustofflehre 2010
Regelsieblinien
Baustofflehre 2010
Resistance to temperature
Portland cements cannot withstand
repeated exposure to temperature
due to expansive rehydration of free
lime
Ability to withstand repeated firings
at origin of major application in
monolithic refractories
Also use in fire training buildings
Brandverhalten
Baustofflehre 2010
Temperatur- bzw. Brandverhalten
Baustofflehre 2010
Brandverhalten
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Brandschutz
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Feuerwiderstandsklassen
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Bauaufsichtliche Benennungen
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Transportvorgänge
Baustofflehre 2010
Transportvorgänge
Baustofflehre 2010
Transportvorgänge
Baustofflehre 2010
Diffusion
Diffusion ist der Transport von freien Atomen, Molekülen oder Ionen durch einen festen Stoff als Folge und in Richtung eines Konzentrationsgefälles.
Beispiel: Transport von Wasserdampf durch die Außenwand eines Gebäudes.
Für den stationären Zustand, d. h. konstanten Konzentrationsunterschied über der Zeit, gilt das 1. Fick'sche Gesetz:
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Permeation
Baustofflehre 2010
Kapillares Saugen
In poröse Werkstoffe können Wasser oder andere benetzende Flüssigkeiten durch kapillares
Saugen eindringen. Treibende Kraft sind Kapillarkräfte.
Beispiel: Aufsteigen von Feuchte in Wänden aus Mauerwerk oder Beton, die mit dem
Grundwasser in Berührung stehen.
Die Wasseraufnahme durch kapillares Saugen kann u.a. durch den
Wasseraufnahmekoeffizientencharakterisiert werden
Wasseraufnahmekoeffizient für Beton mit n = 0,5: 5 10-5 m³/m²s0,5 > S > 5 10-6 m³/m²s0,5
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Feuchtegehalt und Feuchtespeicherung
Der Feuchtegehalt poröser Baustoffe kann als massen- oder volumenbezogene Größe um bzw. uv angegeben werden
In konstantem Umgebungsklima stellt sich durch Adsorption ein bestimmter, von
der Porenstruktur abhängiger Feuchte- bzw. Wassergehalt im Baustoff ein
(hygroskopischer Feuchtegehalt).
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Sorptionsisotherme -
Feuchtspeicherfunktion
Adsorption und Desorption sind Anlagerung bzw. Entfernung von
Molekülen aus der Gas- bzw. Flüssigphase an Feststoffoberflächen
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Die Wärmeleitung kann ähnlich dem 1. Fick’schen Gesetz wie folgt beschrieben
werden: )( 21 TTAd
Q
Q = Wärmestrom, d. i. die in der Zeiteinheit strömende Wärmemenge in W
A = durchströmte Fläche
d = durchströmte Dicke
T1-T2 = Temperaturdifferenz
= Wärmeleitfähigkeit W/mK
Die Wärmeleitfähigkeit ist den Diffusionskoeffizienten äquivalent.
Beispiele: Stahl ca. 80 W/mK
Normalbeton ca. 1,50 W/mK
Ziegelmauerwerk ca. 0,75 W/mK
Holz ca. 0,15 W/mK
Polystyrol-Hartschaum ca. 0,04 W/mK
Porenbeton ca. 0,1 - 0,25 W/mK
wichtigste Parameter: Zusammensetzung, Porosität, Feuchtigkeit, Temperatur
Wärmedurchlasskoeffizient = /d (W/m2K)= Wärmeleitfähigkeit auf die
Bauteildicke bezogen. Wärmedurchlasswiderstand = 1/.
Wärmeleitfähigkeit
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Wärmeübergang und –durchgang
Wärmeübergangskoeffizient a in W/m2 . K = Wärmestrom zwischen wärmerem fluiden Medium und Baustoffoberfläche
Wärmedurchgangswiderstand
Wärmedurchgangskoeffizient K [W/m2K]
Wärmekapazität cp [J/kgK]
instationär
Temperaturleitfähigkeit a = /cp R [m2 /h]
Wärmeeindringkoeffizient b =
1111
außeninnenK aa
Rcp
Baustofflehre 2010
Ist charakterisiert durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten aT
Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient a entspricht der linearen Dehnung eines Stabes von 1 m Länge bei einer Temperaturerhöhung um 1 K. In guter Näherung ist der Volumenausdehnungskoeffizient T = 3 aT.
Beispiele: Beton 6 - 12 10-6 1/KStahl 10 - 16 10-6 1/K
Glas 3 - 10 10-6 1/KAluminium 23 - 24 10-6 1/K
Wichtigste Parameter: Zusammensetzung, Werkstoffstruktur (Bindungsenergie)
Wärmedehnung
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Strahlung: elektromagnetisch, PhotonenWärmestrom ~ T3 zwischen zwei Oberflächen
Leitung: Schwingungen von Teilchen im Festkörper
Konvektion: Wärmetransport durch strömende fluide Medien - Flüssigkeiten, GasePoren nicht unter 5 mm
Wärme fließt stets in Richtung des Temperaturgefälles.
Thermische Kenngrößen
Baustofflehre 2010
Durchlässigkeit nach DIN 5036 in drei Klassen
- ausschließlich reflektierende Stoffe (z. B. Silberspiegel)
- schwach lichtdurchlässige, vorwiegend reflektierende Stoffe (z. B. Beton)
- stark lichtdurchlässige Stoffe
• mit schwacher Lichtstreuung (Klarglas, PE-Folie)• mit starker Lichtstreuung (Milchglas)
Lichtdurchlässigkeit: Verhältnis durchgelassener Lichtstrom / auftreffender Lichtstrom
Helligkeitsgrad (Weißgrad) Wi: Maß für die Leuchtdichte des diffus reflektierten Lichtes ASTM E 313 gegen BaSO4
Optische Kenngrößen
Baustofflehre 2010
Optische Kenngrößen –
CIE L*a*b* nach DIN 6174
Baustofflehre 2010
Spezifischer Widerstand
Schiefer 108 cm
Marmor 1010 cmPorzellan 1016 cm
Trockene Baustoffe (Mörtel, Beton) sind Isolatoren. Sobald sie feucht bzw. nass werden, steigt die elektrische Leitfähigkeit stark an Feuchtemessung über Widerstandsmessung.
Elektrische Kenngrößen
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Luftschall Körperschall( Trittschall)
Ausbreitung in Luft
Wand (Körper) große Dämmung wenn Schall- und Wärmeschutzsind nicht durch einen Baustoffzu gewährleisten
Körperschall Reflektion und Überlagerungmit Luftschall Absorbtion (Schallschluckung)
Gute Absorbtion bei hoherPorosität (poröse, biegeweicheelastische Baustoffe)
Schallschutz wird hauptsächlich durch konstruktive Lösungen optimiert.
Akustische Kenngrößen –
Schallschutz DIN 4109 für Hochbau
Baustofflehre 2010
1. Zusammensetzung Titration
-nasschemisch - Aufschluss Photometrie
Plasma
- Röntgenfluoreszenz XRF – meist industriell (Ergebnis als Oxid)
2. In wässriger Lösung, Suspensionen
- pH-Wert sauer < 7neutral 7
basisch >7- Ionenkonzentration zum Hydrationsverhalten Beton pH > 12
Stahlpassivierung pH 9,5
H
CpH log
Chemische Kenngrößen
Baustofflehre 2010
Widerstand gegen chemischen und physikalischen
Angriff - Korrosion
Definition: Zerstörung eines Werkstoffes durch äußeren, nicht-mechanischen
Angriff, z. B.chemischer Angriff, elektrochemischer Angriff, Frost,
biologischer Angriff
Korrosion bei:
- Metallen: Elektrolytische Korrosion.
- Beton: Zerstörung durch Frosteinwirkung; Zerstörung durch chemischen Angriff, z. B.
Einwirkung von Sulfaten.
- Kunststoffen: Veränderung von Eigenschaften durch Alterung, z. B. Einwirkung ultravioletter
Strahlung.
- Holz: Zerstörung durch Bakterien, Pilze, Insekten.
Baustofflehre 2010
Witterungseinflüsse - Dauerhaftigkeit
Die Witterungsbeständigkeit ist die Dauerhaftigkeit eines Baustoffes bei
Verwendung im Freien; sie schließt den Frost-Tau-Widerstand (FTW),
chemische Einwirkung durch die Umwelt (Chloride, Sulfate, CO2 etc. ),
Temperaturwechsel u.a. Einflüsse im Freien ein.
Die Dauerhaftigkeit wird z.B. durch Messung der Festigkeit als Funktion der Zeit,
Korrosionsversuche oder FTW Zyklen charakterisiert
Oft werden auch beschleunigte Versuche gefahren, um einen Zeitraffereffekt zu
erzielen (erhöhte Schadstoffkonzentration, kurze Zyklen u.ä.)
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Langzeitverhalten - Expositionsklassen
Salzangriff
Sulfate
Chloride
Abrasion
Frost-Tau Widerstand
Karbonatisierung
Baustofflehre 2010
Abrasion
Exploits exceptional bonding of
CAC to synthetic aggregate
Gives even wear without
aggregate pullout
Applications in areas of dams and
ore passes in mines
Baustofflehre 2010
Beispiel: Frost – Tau(salz) Widerstand
Baustofflehre 2010
Frost – Tau(salz) Widerstand
Der ausreichende Widerstand gegen Frost-Tau-Beanspruchung mit Taumitteln soll untersucht werden. Der
CDF-Test wurde entwickelt, um eine hohe Präzision mit minimalem Kostenaufwand für Ausstattung und
Labor zu erreichen. CDF bedeutet "Capillary suction of De-icing solution and Freeze thaw test" (Kapillares
Saugen von Taumittellösung und Frost-Tau-Test).
1. Frost-Taumittel-Widerstand ist der Widerstand gegenüber Frost-Tau-Wechseln zusammen mit einer
Taumittel-Lösung als Prüfflüssigkeit.
2. Die Prüfflüssigkeit besteht aus 3 Massenprozent Natriumchlorid und 97 Massenprozent
entmineralisiertem Wasser.
3. Abwitterung ist der Materialverlust der Oberfläche des Betons durch Frost-Tau- oder Frost-Taumittel-
Beanspruchung.
4. Der Referenzpunkt ist der physikalische Meßpunkt, an dem der Temperaturzyklus geregelt wird.
5. Die Referenztemperatur ist die gemessene Temperatur am Referenzpunkt.
6. Die Prüffläche ist die Seitenfläche eines Probekörpers, an der der Frost-Taumittel-Widerstand
entsprechend dieser Prüfvorschrift bestimmt wird.
Baustofflehre 2010
Säurekorrosion
Absence of calcium hydroxide
Presence of hydrated alumina gel, AHx:
stable above about pH3
large neutralisation capacity below
pH3
Discourages growth of bacteria
Generally used in converted form - not
deterimental to performance
Application in pipes below installation
or as lining to larger sewers
Baustofflehre 2010
Biogene Schwefelsäure
Baustofflehre 2010
Konzentrierte Schwefelsäure pH 1
Baustofflehre 2010
Ammoniumsalze
Baustofflehre 2010
Aggressivität von Wasser