Frost-Tausalz-Prüfungen an Leichtbeton mit Leichtzuschlägen

Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig bearbeitet und verfasst habe. Es

wurden keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet.

Stuttgart, im Januar 2003

Guido Heck

Danksagung

Die vorliegende Diplomarbeit entstand an der Öffentlichen Baustoffprüfstelle (ÖBP) der FH-Stuttgart. Mein Dank gilt dem Leiter des Instituts Herrn Prof. Dipl.-Ing. B. Neubert für die enge Zusammenarbeit, den regen Gedankenaustausch und das Entgegenkommen bei Fragen und Problemen.

Frau Prof. Dr.-Ing. S. Weber danke ich für die Übernahme der Zweitkorrektur.

Herrn Dr.-Ing. E. Konopka danke ich für beratende Gespräche und das Bereitstellen wichtiger Fachliteratur.

Des weiteren danke ich den Mitarbeitern des Labors, Herrn Feiler und Herrn Geuß, für die Beratung und Unterstützung bei der Durchführung der Versuche.

Ich danke den Firmen Liapor ® und Vereinigte Thüringische Schiefergruben GmbH & Co. KG für die Stellung der Ausgangsstoffe und die Hilfe bei Fragen und Unklarheiten.

  Frost-Tausalz Prüfungen an Leichtbeton mit Leichtzuschlägen Inhalt  

  Inhalt  

1  Einleitung und Zielsetzung  1

  Gliederung 1 2  2

4.1  Übersicht der Ausgangsstoffe  11

  Wasseranspruch 5 1  15

5.1.2  Liapor F6 5  16

5.1.3  Blähschiefer  17

5.1.4  Leichtsand Lias  17

5.1.5  Kesselsand  18

  LP-Gehalt 5 2  18

  Allgemeine Anforderungen 6 1  20

6.2.2  Mischung 2  23

6.2.3  Mischung 3  25

6.2.4  Mischung 4  26

6.2.5  Mischung 5  27

  Frost-Tausalz Prüfungen an Leichtbeton mit Leichtzuschlägen Inhalt  

30  Druckversuche  7

  Auswertung der Druckversuche 7 2  32

  CDF-Test 8 1  34

8.1.2  Ultraschallprüfung  35

8.1.3  Wasseraufnahme  36

8.1.4  Mischung 1  37

8.1.5  Mischung 2  38

8.1.6  Mischung 3  39

8.1.7  Mischung 4  41

8.1.8  Mischung 5  42

8.1.9  Zusammenfassung CDF-Test  44

8.2.2  Mischung 1  48

8.2.3  Mischung 2  49

8.2.4  Mischung 3  49

8.2.5  Mischung 4  50

8.2.6  Mischung 5  52

8.2.7  Zusammenfassung Boras-Test  52

55  CDF-Test und Plattenverfahren im Vergleich  9

57  Literaturverzeichnis  11

1 Einleitung und Zielsetzung

1.1 Einführung

Betonbauteile, die Witterungseinflüssen unmittelbar ausgesetzt sind, müssen einen ausreichenden Frost und gegebenenfalls einen FrostTausalz-Widerstand während der gesamten Nutzungsdauer aufweisen. Die Beanspruchung reicht von geringem Frostangriff, zum Beispiel bei Fassadenelementen, bis zu starkem Frost-Tausalz-Angriff unter anderem bei Beton-fahrbahnen, Brückenkappen oder Räumerlaufbahnen von Kläranlagen. Zur Erzielung eines ausreichenden Widerstandes legen Normen Anforderungen an Ausgangsstoffe und Beton-zusammensetzung fest [12].

Zur unmittelbaren Bestimmung des FrostTaumittelWiderstandes gibt es zahlreiche Prüfverfahren, deren Ergebnisse jedoch zu große Prüfstreuungen aufweisen, um mit statistisch aus-reichender Sicherheit ein Abnahmekriterium definieren zu können. In Deutschland wurde mittels Ring- und Vergleichsversuchen anhand unterschiedlicher Prüfverfahren versucht, reproduzierbare Versuchsergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisse aller Prüfanstalten wiesen untereinander so große Streuungen auf, dass das von einer Prüfanstalt ermittelte Einzel-ergebnis an sich nur eine sehr geringe Aussagekraft besaß. Über die Reproduzierbarkeit der erzielten Prüfergebnisse gab und gibt es unterschiedliche Meinungen. Deshalb wird bisher der Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand in den Normen bevorzugt durch Herstellkriterien (w/z-Wert, Gehalt an künstlichen Luftporen) definiert. Eine einheitliche Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstandes ist hier nur von untergeordneter Bedeutung [19].

Da in Deutschland keine festgeschriebene Norm für die Prüfung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstandes von Beton existiert, ist es notwendig, ein einheitliches Verfahren zu entwickeln oder sich auf ein bestehendes Prüfverfahren zu einigen, das als gültige Norm mit festgelegten Rand- und Herstellkriterien festgeschrieben wird.

Einen ersten Schritt in diese Richtung macht die europäische Norm prEN 12390-xxx:2000 [4]. Sie gibt dem Anwender drei Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenabwitterung vor. Als Referenzverfahren ist der schwedische Plattenversuch [1] festgelegt worden. Ebenso können als Alternative das CF-/CDF-Verfahren [2] und das Würfelverfahren angewendet werden. In der vorliegenden Arbeit werden mit dem schwedisches Plattenverfahren und dem CDF-Test zwei der in der europäischen Norm vorgeschlagenen Prüfverfahren verwendet.

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Leichtbetone zeichnen sich gegenüber Normalbeton dadurch aus, dass sie eine geringere Rohdichte aufweisen. Neben dem Verhältnis Eigenlast zu Gesamtlast eines Bauwerks wird auch das Wärmedämmvermögen günstiger. Druckfestigkeit und Rohdichte können aber je nach verwendeter Gesteinskörnung, Betonzusammensetzung und Verwendungszweck stark schwanken. Aufgrund dieser speziellen Eigenschaften von Leichtbeton und der guten Frostbeständigkeit künstlich hergestellter Gesteinskörnungen und Sande ist zu überlegen, in wie weit Leichtbetone bei Frost-Tausalz-Beanspruchung eingesetzt werden können.

In der vorliegenden Arbeit soll untersucht werden, ob Leichtbetone mit Leichtzuschlägen ohne Zugabe eines LP-Mittels frost-tausalzbeständig sind. Die Versuche werden mit dem schwedischen Plattenverfahren und dem CDF-Test an fünf unterschiedlichen Betonen mit geschalter und gesägter Fläche durchgeführt. Neben der Frost-Taumittel-Beständigkeit von Leichtbetonen werden die verwendeten Prüfverfahren miteinander verglichen und hinsichtlich ihrer Versuchsdurchführung und den damit erzielten Ergebnissen diskutiert.

1.2 Gliederung

In Kapitel 2 soll zunächst auf den Schädigungsmechanismus und die daraus entstehenden Schäden infolge Frost-Tausalz-Beanspruchung von Beton eingegangen werden.

Die Aufstellung und Angabe der für die vorliegende Arbeit erforderlichen Versuche sowie das Versuchsprogramm gibt Kapitel 3 wieder.

Die verwendeten Ausgangsstoffe werden in Kapitel 4 vorgestellt; es wird kurz auf ihre Herstellung, Eigenschaften und die in der Mischungsberechnung verwendeten Materialkennwerte eingegangen.

In Kapitel 5 wird neben dem Wasseranspruch der leichten Gesteinskörnungen auch die für eine Prüfmischung erforderliche Zugabemenge an Luftporen bildendem Zusatzmittel bestimmt.

Kapitel 6 beinhaltet den Mischungsentwurf und geht näher auf die Herstellung und die Eigenschaften des jeweiligen Frischbetons der Leichtbetonmischungen ein.

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In Kapitel 7 wird das Trag- und Bruchverhalten von Leichtbeton erklärt und die Ergebnisse der Druckversuche werden ausgewertet.

Der CDF-Test und das Plattenverfahren sind in Kapitel 8 näher erläutert und die Versuchsergebnisse beschrieben und zusammengefasst. Die Ergebnisse der Ultraschallmessung und der Wasseraufnahme der Probekörper werden aufgezeigt.

In den abschließenden Kapiteln 9 und 10 werden die Ergebnisse der Frost-Tausalz-Versuche zusammengefasst, diskutiert, und es wird ein Ausblick gegeben.

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2 Frost- und Frost-Taumittel-Widerstand von Beton

2.1 Allgemeine Anforderungen

Die Auswirkung von FrostTauWechseln auf den Beton ist abhängig von dessen Feuchtigkeits-gehalt sowie der Häufigkeit und Intensität der Temperaturänderungen. Die Beanspruchung durch Gefrieren nimmt mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt zu. Sie ist am stärksten bei Gefrieren unter Wasser, wie es z.B. bei stehenden Wasserfilmen auf Verkehrsflächen statt-findet. Bei Außenbauteilen erfolgt in der Regel ein Gefrieren an Luft, was zu einer deutlich geringeren Beanspruchung führt.

Beton, der unter Umgebungsfeuchte „austrocknet“ und, wie bei vertikalen Bauteilflächen, der Einwirkung von Niederschlägen nur begrenzt ausgesetzt ist, verhält bei sachgerechter Herstellung praktisch unempfindlich gegenüber Frost-Tau-Wechseln. Schäden sind jedoch zu erwarten, wenn der Beton im durchfeuchteten Zustand häufigen und schroffen Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt ist, insbesondere bei gleichzeitiger Einwirkung von Taumitteln. In diesen Fällen ist ein Beton mit hohem Frostwiderstand bzw. Frost-Taumittel-Widerstand erforderlich [17].

Um einen Beton gegenüber Frostbeanspruchungen widerstandsfähig zu machen, muss auch der Zuschlag Regelanforderungen entsprechen und Widerstand gegen Frost- und Frost-Taumittel aufweisen. Dies ist in DIN 4226-Teil 1 und Teil 2 festgelegt [6], [7].

Für die Bestimmung des FrostTaumittel-Widerstandes von Beton gibt es mehrere Verfahren. Vorliegende Arbeit wird mit Hilfe des CDF-Tests [2] und des schwedischen Plattenversuchs (Swedish Standard SS 13 42 77, [1]), auch Boras-Test genannt, durchgeführt. Nach GRÜBL [17] haben die verschiedenen Prüfverfahren Schwierigkeiten, allgemein anerkannt zu werden, da die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das Verhalten des Betons im Bauwerk noch zu wenig gesichert ist. „Die Ergebnisse sind nur bedingt auf die Praxis übertragbar“, Zement, Taschen-buch 2000 [15]. AUBERG [18] kommt zumindest für den CDF-Test aufgrund seiner Forschungsergebnisse zu dem Schluss, „dass die Übertragbarkeit auf die Praxis gegeben ist, da die hohe Präzision des Prüfverfahrens Basis für eine bauvertragliche Sicherheit ist“.

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2.2 Schädigungsmechanismus [17]

Für einen frostbeständigen Beton ist neben frostwiderstandsfähigem Zuschlag und einem dichten Gefüge auch eine bestimmte Festigkeit der Matrix maßgebend. Die Dichtigkeit begrenzt die Wasseraufnahme und damit die Wassermenge, welche im Gefüge gefrieren kann. Infolge der 9%igen Volumenzunahme gefrierenden Wassers ist es erforderlich, dass der Beton eine ausreichende Festigkeit besitzt, um den entstehenden Eisdruck aufnehmen zu können. Beide Grenzwerte müssen umso strenger gefasst werden, je stärker die zu erwartende Abkühlung und je größer der zu erwartende Wassersättigungsgrad sind. Die Gefahr der Schädigung steigt allgemein mit der Intensivierung der äußeren Einwirkungen. So kann ein wassergesättigter Beton durch Frost zerstört werden, obwohl er eine hohe Festigkeit besitzt. Ebenso erleidet trockener Beton Schädigungen, wenn die Temperaturänderung zu schnell erfolgt. Im Betongefüge laufen eine Reihe von Vorgängen ab, die zum Verständnis des Schädigungsprozesses beitragen. Untersuchungen zu diesem Thema sind jedoch noch nicht abgeschlossen.

Im Gefüge des Betons befindet sich Wasser, welches auf Poren unterschiedlicher Größe verteilt ist. Der Wassersättigungsgrad des Gefüges zeichnet sich dadurch aus, dass die Poren bis zu einem bestimmten größten Durchmesser mit Wasser gefüllt sind. Je größer der Wassergehalt, umso größer sind auch die Poren, in denen sich noch Wasser befindet.

Senkt sich die Temperatur unter den Gefrierpunkt ab, findet zunächst keine Eisbildung statt. Grund ist die Gefrierpunktserniedrigung durch die Ca(OH) 2 enthaltende Porenlösung, die bei ca. –5°C liegt. Beginnt bei weiterer Temperaturabsenkung die Eisbildung, findet diese nicht auf einmal statt und hängt von der Größe der Pore ab. Je kleiner die Poren sind, umso tiefer muss die Temperatur gesenkt werden, damit dort Wasser in Eis umgewandelt wird. Der Dampfdruck über Eis ist geringer als der über Wasser gleicher Temperatur. Dadurch entsteht ein Dampfdruckgefälle, weil im Gefüge gleichzeitig Wasser und Eis nebeneinander vorliegen. Das hat zur Folge, dass noch flüssiges Wasser zum Eis hin diffundiert und dort in Eis übergeht. Wasser aus kleinen Poren wandert ab, und eine Eisansammlung in den größeren Poren findet statt.

Die Intensität dieses Vorgangs ist stark von der Art der Porenverteilung abhängig, d.h. in wie weit kleine Poren entwässert werden und sich dementsprechend beim Erreichen der jeweiligen Gefriertemperatur die Volumenzunahme beim Übergang von Wasser in Eis in den Poren in Sprengdruck umsetzt.

Enthält das Porenwasser Natriumchlorid (NaCl), sinkt der Gefrierpunkt der Porenlösung noch

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weiter ab, als dies bei Anwesenheit von Ca(OH) 2 der Fall ist. Durch das Vorhandensein von NaCl findet der erste Eisübergang, unter sonst gleichen Bedingungen, bei noch tieferen Temperaturen statt. Daraus resultiert eine schwächere Wasserumverteilung durch Dampfdruckunterschiede zwischen flüssiger und fester Phase. Die Gefahr der Sprengwirkung steigt, weil die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass Wasser in den kleineren Poren in Eis umgewandelt wird, bevor diese Wasser abgeben können.

Durch künstlich eingeführte Luftporen verbessert sich diese Situation aufgrund des wirksamen Mikroluftporengehalts L 300 deutlich. Dieser gibt in Vol.-% den Anteil der Poren, der durch ein Luftporen bildendes Zusatzmittel erzeugt worden ist, mit einem Durchmesser bis 300 µm an. Mittels künstlicher Luftporen lässt sich die Widerstandsfähigkeit des Betons gegenüber Frosteinwirkung nachhaltig verbessern. Die unterschiedlichen Porengrößen im Beton werden in Abb. 2-1 deutlich.

Künstliche Luftporen sind so klein, dass sie sich im Allgemeinen nicht mit Wasser füllen. Dennoch enthalten sie geringe Mengen an Wasser, wodurch bei einer Abkühlung zuerst in

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diesen Poren Eisbildung stattfindet (s. Abb. 2-2), und zwar bei einer höheren Temperatur als das bei einem Gefüge ohne künstliche Luftporen der Fall wäre. Dadurch ist ein wirkungsvolles Dampfdruckgefälle wieder hergestellt, welches für die notwendige Wasserumverteilung bei der Abkühlung sorgt (s. Abb. 2-3).

Abb. 2 -3: Modell von Poren im Zementstein bestehend aus Gelporen, Kapillarporen und künstlicher

2.3 Schadensbild

Bei der Schädigung des Betons durch Frost bzw. Frost-Tausalz-Beanspruchung (s. Abb. 2-6 und 2 -7) ist zum einen die Oberflächenabwitterung, zum Anderen die innere Gefüge-schädigung zu unterscheiden. Während oberflächige Abwitterungen die Optik stören, hat eine innere Schädigung des Gefüges unter Umständen die Beeinträchtigung statischer Eigenschaften eines Bauteils zur Folge.

Unter Oberflächenabwitterung, der am häufigsten beobachteten Art der Abwitterung, ist ein fortschreitender Verlust kleiner Partikel oder dünner Schichten des Betons, verursacht durch Herauslösen oder Absprengen, zu verstehen. Dazu zählen auch die meist nur lokal auftretenden Abplatzungen (Pop-outs, s. Abb. 2-4 und 2-5), die häufig über oberflächennahen Zuschlägen auftreten. Ihren Ursprung haben sie entweder in einem nicht ausreichenden Verbund zwischen Matrix und Zuschlag oder in nicht frostbeständigen Zuschlagkörnern [15]. Bei seinen Untersuchungen zur Oberflächenschädigung kommt AUBERG [18] zu dem Ergebnis, dass „eine Änderung der Prüfvorschrift oder ungenaue Vorgaben in den Prüfbedingungen die Oberflächenschädigung signifikant beeinflussen“ und „...unter Umständen

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eine Neufestlegung der Beurteilungskriterien und der Präzision erfordern, b zw. zu einer geringeren Reproduzierbarkeit führen.“

Als innere Gefügeschädigung versteht man eine fortschreitende Zerstörung des tieferliegenden Betongefüges. In Abhängigkeit des Sättigungsgrades entstehen beim Gefrieren Spannungen, die zu ersten Mikrorissen führen. Da sich der Feuchtgehalt durch wiederholte Frost-Tau-Wechsel erhöht und die Spannungen beim Gefrieren ansteigen, nimmt die Schädigung weiter zu. Im Frühstadium kann der beginnende Frostschaden optisch noch nicht erkannt werden. Durch einen Abfall des dynamischen Elastizitätsmoduls (dyn. E-Modul), ermittelt mit einer zerstörungsfreien Messung, wird der Frostschaden erkennbar (s. Kapitel 8.1.2). Erst bei fortschreitendem Schadensverlauf werden die inneren Gefügeschäden durch Risse im Beton sichtbar [15].

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3 Versuchsprogramm

Für die Prüfung des FrostTaumittel-Widerstandes von Leichtbeton werden drei unterschied-liche Leichtzuschläge (Liapor 3,5; Liapor 6,5; Blähschiefer) gewählt. Diese werden mit drei Sanden kombiniert (Leichtsand Lias und Kesselsand; Natursand), vgl. Tabelle 3-1 und Kapitel 6 sowie Anlagen A-13 bis A-23. Es werden fünf Leichtbetone für die Versuchsreihen hergestellt. Zum Vergleich der Frost-Tausalz-Widerstandsfähigkeit wird ein Beton mit einem Luftporen bildenden Zusatzmittel hergestellt.

Tabelle 3-1: Zusammenstellung der Mischungen für die Leichtbetone

Vor der Mischungsberechnung und Herstellung der Probekörper wird der Wasseranspruch der Leichtzuschlagstoffe ermittelt (vgl. Tabelle 3 -2). Um den angestrebten Luftporengehalt zu erreichen, wird am Mörtel der Mischung 5 die erforderliche Menge an Zugabemittel mit Hilfe des Druckausgleichverfahrens [16] bestimmt. Die Versuchsbeschreibungen und -ergebnisse sind in Kapitel 5 und Anlagen A-8 bis A-12 enthalten.

Tabelle 3-2: Verwendete Verfahren zur Bestimmung des Wasseranspruchs der Leichtzuschläge

Für die Ermittlung der Druckfestigkeit werden an drei Würfeln je Mischung Druckversuche durchgeführt (vgl. Tabelle 3-3). Die Ergebnisse sind in Kapitel 7 und den Anlagen A-24 bis A-30 enthalten.

An den Probekörpern wird anhand des Plattenverfahrens und des CDF-Tests die Frost-

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Tausalz-Beständigkeit ermittelt. Bei jedem dieser Verfahren wird an Proben mit geschalter und gesägter Fläche der Frost-Tausalz-Widerstand geprüft. Aus allen vier pro Mischung zur Verfügung stehenden Würfeln werden zwei Probekörper (150x150x50 mm) für die Prüfung an der gesägten und geschalten Fläche herausgeschnitten. Neben den Frost-Tausalz-Prüfungen werden im Rahmen des CDF-Tests der dynamische E-Modul für die Ermittlung der inneren Gefügeschädigung und die Wasseraufnahme der Probekörper bestimmt.

Einen Überblick über das Versuchsprogramm der Frost-Tausalz-Prüfungen gibt Tabelle 3-3. Die Ergebnisse sind in Kapitel 8 und den Anlagen A-31 bis A-58 enthalten.

Tabelle 3-3: Übersicht über das Versuchsprogramm (angegebene Werte sind Prüfkörperbezeichnungen*)

* z.B. 1-2 a bedeutet: Mischung 1, Würfel 2, geschalte Fläche ist Prüffläche

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4 Ausgangsstoffe

4.1 Übersicht der Ausgangsstoffe

Tabelle 4-1 listet die für die Herstellung der Leichtbetone verwendeten Stoffe auf.

Tabelle 4-1: Ausgangsstoffe

Beschreibung der Ausgangsstoffe

4.2 Zement ist ein hydraulisch erhärtender Baustoff der aus einem Gemisch fein aufgemahlener, nichtmetallisch-anorganischer Bestandteile besteht. Er kann durch gemeinsames Vermahlen des bis zur Sinterung gebrannten Portlandzementklinkers mit anderen Haupt- und Neben-bestandteilen oder durch Mischen getrennt feingemahlener Haupt- und Nebenbestandteile hergestellt werden. Nach Zugabe von Wasser entsteht eine Suspension (Zementleim), die aufgrund einsetzender Hydratationsreaktionen sowohl an Luft als auch unter Wasser erstarrt und erhärtet. Nach der Erhärtung ist der so entstandene Zementstein raumbeständig, fest und auch bei Lagerung unter Wasser dauerhaft [15].

Der in dieser Arbeit verwendete Portlandzement nach DIN 11641:1994-10 und DIN EN 197-1:2001-02 der Festigkeitsklasse 42,5 R enthält als Hauptbestandteil Portlandzementklinker und höchstens 5 M.-% Nebenbestandteile. Die durch R gekennzeichnete Festigkeitsklasse weist auf

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einen Zement mit schneller Festigkeitsentwicklung hin. Als Rechenwert der Rohdichte wird ? = 3,1 kg/dm³ festgelegt.

Blähton (Liapor F3,5 und F6,5) wird aus speziellen Tonen durch Brennen bis zur Sintertemperatur (1000 bis 1200°C) meist im Drehrohrofen, seltener im Wirbelschachtofen oder auf dem Sinterband, hergestellt. Der Ton muss Stoffe enthalten (z. B. organische Stoffe [20]), die bei hohen Temperaturen Gase entwickeln und dabei das Korn aufblähen. Beim Brennen bildet sich um das Korn eine Sinterhaut, die dichter und fester ist als das porige Innere. Seine runde Form erhält das Korn durch die Aufbereitung des Rohmaterials auf Pelletier-Tellern oder durch Granulation im Drehrohrofen [17]. Blähton ist leicht, druckfest, wärmedämmend, feuerbeständig und frostsicher (s. Abb. 4-1).

In DIN 42263 [8] wird bei einer Zusammensetzung des Betons nach dem Korngruppenver-fahren auch die Verwendung von Leichtzuschlag der Korngruppe 2/8 festgelegt. Neben Liapor F3,5 2/8 kann jedoch auch Liapor F6,5 mit einer Korngruppe von 2/10 der Norm gerecht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Anteil der Körner, die größer als 8 mm sind, im Mittel 0 ,59 M.-% beträgt und daher Liapor F6,5 eher einer 2/8 mm als einer 2/10 mm Korngruppe entspricht. Der Rechenwert der Rohdichte wird für Liapor F3,5 mit ? = 0,70 kg/dm³ und für Liapor F6,5 mit ? = 1,20 kg/dm³ festgelegt. Eine Wasseraufnahme von 13 M.-% für Liapor F3,5 und 10 M.-% für Liapor F6,5 ( Angaben Fa. Liapor ® ) wird bei der Mischungsberechnung zugrunde gelegt. In den Vorversuchen wird die Wasseraufnahme bestimmt (s. Kapitel 5).

Die Bezeichnungen 3,5 und 6,5 geben die Schüttdichte der einzelnen Sorten an. Die Werte 3,5 und 6,5 stehen jeweils für 350 und 650 kg/m³.

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Blähschiefer ist aus dem natürlichen Rohstoff Schiefer durch ein thermisches Verfahren hergestellter mineralischer Leichtzuschlagstoff mit porigem Gefüge. Er hat eine gedrungene und kantige Kornform mit einer rau-porösen Oberfläche [21]. Blähschiefer ist leicht, druckfest, wärmedämmend, feuerbeständig, frostsicher und hat damit dieselben Eigenschaften wie Blähton (s. Abb. 4-2).

Als Rechenwert der Rohdichte wird ? = 1,30 kg/dm³ festgelegt. Es wird mit einer Wasseraufnahme von 10 M.-% gerechnet. In den Vorversuchen wird die Wasseraufnahme bestimmt (s. Kapitel 5).

Der Leichtsand Liapor Sand K (Lias) wird durch Brechen gröberen Korns gewonnen, da es bei den üblichen Herstellverfahren nur mit großem Aufwand möglich ist, sandfeine Körner vorzuformen. Bei der Granulation plastischen Ausgangsmaterials im Drehrohrofen fällt auch etwas vorgeformtes Feinkorn an, welches neben einer offenporigen Oberfläche eine meist gedrungene, aber nicht gerundete Kornform hat. Er ist deshalb für die Verarbeitbarkeit weniger günstig als natürlich gerundeter Sand.

Als Rechenwert der Rohdichte wird ? = 1,60 kg/dm³ festgelegt. Als Wasseraufnahme von 30 M.-% wird mit den Angaben der Fa. Liapor ® gerechnet. In den Vorversuchen wird die Wasseraufnahme bestimmt (s. Kapitel 5).

Kesselsand ist ein Verbrennungsrückstand, d er bei Verbrennung von Steinkohle in den Trockenfeuerungskesseln moderner Kraftwerke hergestellt wird. Er bildet im Feuerraum durch Sinterung Agglomerate, die aufgrund ihrer Masse in ein nach unten abschließendes Wasserbad

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fallen und dort mit einer Kratzvorrichtung entnommen werden. Je nach Produktions-randbedingung und Rohstoffbeschaffenheit werden abschließend Verfahrensschritte zur Grobgutabscheidung (Rechensieb) und/oder Grobgutbrechung (Backenbrecher) durchlaufen. Die Einzelkörner besitzen eine porige Struktur und sind mit denen von geblähtem und gebrochenem Leichtzuschlag vergleichbar. Sie weisen unregelmäßig aufgebrochene, raue Oberflächen auf [22], [23].

Als Rechenwert der Rohdichte wird ? = 1,50 kg/dm³ festgelegt. Als Wasseraufnahme von 30 M.-% wird mit den Angaben der Fa. SAFA ® gerechnet. In den Vorversuchen wird die Wasseraufnahme bestimmt (s. Kapitel 5).

Eine in der Natur vorkommende Gesteinskörnung ist der Natursand. Er ist ein Gestein, das seine Kornform und Größe infolge mechanischer Einwirkungen über einen langen Zeitraum erhalten hat. Der für die Mischung 5 verwendete Sand enthält keine quellfähigen Bestandteile und entspricht den Anforderungen des Merkblatt 1 „Betontechnische Berichte“ [10]. Als Rechenwert der Rohdichte wird ? = 2,555 kg/dm³ festgelegt. Es wird mit einer Wasseraufnahme von 0 M.-% gerechnet.

Für die Herstellung von Luftporenbildner werden Seifen aus natürlichen Harzen sowie synthetische ionische und nichtionische Tenside verwendet. Dieses dem Frischbeton beigefügte Zusatzmittel soll während des Mischvorgangs kleine, fein verteilte, kugelförmige geschlossene Luftporen in den Zementleim einführen, um den Frost- und Frost-Taumittel-Widerstand des erhärtenden Betons zu erhöhen. Daneben wird auch die Verarbeitbarkeit des Frischbetons verbessert, allerdings reduziert sich mit zunehmenden Luftgehalt auch die Festigkeit.

Die erforderliche Zugabemenge an LP-Mittel wird, wie in Kapitel 5 beschrieben, anhand des Druckausgleichsverfahrens ermittelt [16].

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5 Vorversuche

5.1 Wasseranspruch

Im Gegensatz zu Zuschlag mit dichtem Gefüge, z.B. Rheinkies als natürliche Gesteinskörnung, nehmen trockene Leichtzuschläge mehr Anmachwasser auf, was bei der Errechnung des für die Festigkeit des Zementsteins maßgebenden wirksamen Wasserzementwerts zu berücksichtigen ist. Für den Liapor F3,5 und F6,5 sowie den Blähschiefer wird deshalb die Wasseraufnahme der Leichtzuschläge in 30 min nach „Merkblatt 1: Betontechnische Berichte“ bestimmt [10]. Der Wasseranspruch der Leichtsande wird in Anlehnung an das „Puntke-Verfahren“ ermittelt [14].

Bei den verwendeten Leichtzuschlägen (Liapor 3,5, Liapor 6,5, Blähschiefer) ist die Schüttdichte kleiner als 0,8 kg/dm³. Damit ergibt sich eine für die Prüfung der Wasseraufnahme nach

30 min vorgeschriebene Trockenmasse von 200 g (Trocknung im Ofen bei 105°C mit anschlies-

sender 24h Lagerung bei Raumtemperatur). Diese wird mit Wasser solange angefeuchtet (z. B. Sprühflasche), bis noch kein sichtbarer Wasserfilm auf der Oberfläche des Zuschlags zu sehen ist. Unmittelbar nach der Anfeuchtung wird die Probe gewogen und in einen Messzylinder mit 1000 cm³ Inhalt gefüllt. Um ein Aufschwimmen des Zuschlags zu verhindern, wird eine Metallscheibe aufgelegt. Anschließend werden 500 cm³ Wasser zugegeben (s. Abb. 5-1). Die Probe ist durch Klopfen an der Zylinderwand und leichtes Aufstoßen des Zylinders zu entlüften. Unmittelbar nach dem Einfüllen des Wassers und nach Ablauf von 30 min wird das Volumen abgelesen und die Wasseraufnahme berechnet. Der Versuch wird an drei Proben des gleichen Zuschlags durchgeführt und die Wasseraufnahme nach 30 min als Mittelwert der drei Versuche in Gew.-% angegeben.

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Die Wasseraufnahme der Leichtsande (Lias, Kesselsand) wird in Anlehnung an das „Puntke Verfahren“ ermittelt [14]. Dieses Verfahren wurde entwickelt, um feine Kornhaufwerke in Bezug auf ihre Packungsdichte besser beurteilen zu können. Bestimmt wird die dichteste Lagerung durch den Mindestwasserbedarf für die Sättigung eines Haufwerks. In den Versuchen zur Bestimmung des Wasseranspruchs von Lias und Kesselsand wird folgendermaßen vorgegangen.

• Trocknen des Prüfguts (im Trockenofen bei 105°C mit anschließender 24h Lagerung bei Raumtemperatur) und Abwiegen von je 500 g getrockneten Leichtsandes

• Vorsichtige Steigerung der Wasserzugabe mittels Sprühflasche bei gleichzeitigem Verrühren des Sandes

• Schrittweises Abwiegen der feuchten Probe bis ein Wasserfilm einen Wasserüberschuss andeutet

• Ermittlung des Wasseranspruchs durch rechnerische Bestimmung

• Es wird ein Versuch je Leichtsand durchgeführt

5.1.1 Liapor F3,5

Nach dem Vorfeuchten beträgt die Wasseraufnahme der Proben i. M. 4,93 M.-%. Während der 30minütigen Wasserlagerung nehmen die Probekörper nur noch halb so viel Wasser auf (zw. 1,0 und 2,5 M.-%; s. Tabelle 2, Anlage A-8). Als mittlere Wasseraufnahme der Zuschlagproben errechnet sich w 30 zu 6,77 M.-%. Nach Angabe des Herstellers beträgt die Wasseraufnahme von Liapor F3,5 12,6 M.-%. Dieser Wert ist weit größer als der im Versuch ermittelte. Nach der werkseigenen Produktionskontrolle von Liapor ® (s. Anlage A1) wurde eine Wasseraufnahme von 13 M.-% für die Mischungsberechnung berücksichtigt (s. Kapitel 6). Die Abweichung der Ergebnisse begründet sich darin, dass ein sofortiges Ablesen nach Zugabe des Wassers nicht möglich ist. Zwischen den Liaporkugeln ist viel Luft enthalten, welche das Volumen vergrößert. Diese zu entfernen dauert zu lange und ist außerdem nicht vollständig zu erreichen. Da erst nach dem Entfernen der Luft das Volumen im Zylinder abgelesen wird, hat der Zuschlag bereits etwas Wasser aufgenommen, was in der anschließenden Ablesung nicht berücksichtigt wird. Das hat zur Folge, dass die Wasseraufnahme in 30 min geringer ausge-fallen ist als tatsächlich stattgefunden. Die Messergebnisse und Berechnungen sind in Anlage A-8 enthalten.

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5.1.2 Liapor F6,5

Da dieser Leichtzuschlag Liapor F3,5 ähnelt, werden beim Versuch, den Wasseranspruch zu bestimmen, die gleichen Beobachtungen bezüglich der Luft gemacht. Die Herstellerangaben sind mit 9,90 M.-% gegenüber den im Versuch ermittelten 6,88 M.-% größer, so dass in der Mischungsberechnung mit 10 M.-% gerechnet wird (s. Kapitel 6).

Beim Vorfeuchten nehmen die Proben i. M. 2,55 M.% Wasser auf. Die anschließende 30minütige Wasserlagerung ergibt, dass fast doppelt soviel Wasser wie beim Vorfeuchten aufgenommen wird (zw. 4,0 und 5,0 M.-%; s. Tabelle 4, Anlage A -9). Als mittlere Wasser-aufnahme der Zuschlagproben errechnet sich w 30 zu 6,88 M.-%. Damit ist der Wasseranspruch von Liapor F6,5 nahezu identisch mit den 6,77 M.-% von Liapor F3,5. Die Messergebnisse und Berechnungen sind in Anlage A-9 enthalten.

5.1.3 Blähschiefer

Die Wasseraufnahme liegt hier nach dem Anfeuchten i. M. bei 7,68 M.%. Während der 30minütigen Wasserlagerung wird nur noch ein Sechstel der Trockenmasse an Wasser aufge-nommen (zw. 0,9 und 2,0 M.-%; s. Tabelle 6, Anlage A-10). Als mittlere Wasseraufnahme der Zuschlagproben errechnet sich w 30 zu 8,98 M.%. Die vom Hersteller angegebene Wasser-aufnahme in 30 min beträgt 9,50 M.-%, welche durch den Versuch nahezu bestätigt wird. Dies resultiert daher, dass im Gegensatz zum Leichtzuschlag von Liapor, die Zylinder einfacher und schneller zu entlüften sind und eine längere Wasseraufnahme vor der ersten Ablesung vermieden wird. Der Verfälschung im Zusammenhang mit einer nicht gemessenen Wasseraufnahme reduziert sich; das Ergebnis liegt näher an der Herstellerangabe. In der Mischungsberechnung wird mit 10 M.-% gerechnet (s. Kapitel 6). Die Messergebnisse und Berechnungen sind in Anlage A-10 enthalten.

5.1.4 Lias

Das zu Beginn des Kapitels beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Wasseranspruchs von Leichtsanden („Puntke-Verfahren“) ist für den Anwender sehr einfach und mit geringem Aufwand verbunden. Zu berücksichtigen ist, dass in vorliegender Arbeit nur ein Versuch je Probe durchgeführt wurde und das Ergebnis durch den Versuchsdurchführenden stark beeinflusst werden kann. Aufgrund des feinen Kornhaufwerks (Körnung 0/4 mm) ist es schwierig zu erkennen, wann sich ein Wasserfilm auf der Oberfläche bildet. In diesem Versuch wird das Besprühen der Probe mit Wasser dann beendet, wenn die losen Körner durch den

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Wasserfilm aneinander zu kleben beginnen und sich am Boden des Gefäßes durch den Feinanteil ein schwacher Schmierfilm bildet. Das Versuchsergebnis mit 32,14 M.% Wasser-aufnahme bestätigt annähernd die vom Hersteller angegebenen 30 M.-%, die auch bei der Berechnung des Wasserbedarfs der Leichtbetonmischung zu Grunde gelegt werden (s. Kapitel 6). Die Messergebnisse und Berechnungen sind in Anlage A-11 enthalten.

5.1.5 Kesselsand

Bei der Bestimmung des Wasseranspruchs von Kesselsand wird nach demselben Prinzip wie bei Leichtsand Lias vorgegangen, und auch hier können die Herstellerangaben von 35 M.-% bestätigt werden (s. Anlage A-5). Im Versuch wurde ein Wert von 33,08 M.-% ermittelt. Auf die oben erwähnten Fehlermöglichkeiten wird noch einmal hingewiesen. Das gute Ergebnis bestätigt jedoch die Vorgehensweise. Zur Berechnung der Wassermenge für eine Mischung mit Kesselsand wird wie bei Lias 30 M.-% als Wasseraufnahme herangezogen (s. Kapitel 6). Die Messergebnisse und Berechnungen sind in Anlage A-11 enthalten.

5.2 LP-Gehalt

Wird Beton mit Natursand hergestellt, wie dies bei Mischung 5 (Liapor F6,5+Natursand) geschieht (s. Kapitel 6), enthält der erhärtete Beton nur einen geringen Anteil an Luft von rund 1-2 Vol.-%, die so genannten Verdichtungsporen. Durch Zugabe eines Luftporen bildenden Zusatzmittels kann der Luftgehalt erhöht und damit der Frost-Taumittel-Widerstand des Betons verbessert werden.

Um die erforderliche Zugabemenge an LP-Mittel zu bestimmen, wird anhand mehrerer Versuche der Luftporengehalt von Frischbeton nach dem Druckausgleichverfahren, wie in DIN 1048 (Teil1, Ausgabe Juni 1991) beschrieben, ermittelt. Wesen des Verfahrens ist es, zwischen einem mit Beton und einem mit Druckluft gefüllten Behälter Druckausgleich herzustellen. Bedingt durch die Luftporen des Betons entsteht ein Druckabfall, der auf einem kalibrierten Manometer als prozentualer Luftporengehalt der Probe abgelesen wird.

Da für die Herstellung des Leichtbetons porige Zuschläge verwendet werden, die bei diesem Verfahren durch die im Korn enthaltene Luft zu Messfehlern führen, wird der Versuch nur mit der Mörtelmischung (Zement, Natursand, Wasser, LP-Mittel) des Betons durchgeführt. In mehreren Versuchen wird dem Mörtel unterschiedlich viel LP-Mittel zugegeben, um die für Mischung 5 erforderliche Menge an Zusatzmittel zu bestimmen. Die Grenzwerte für Zugabemenge und Luftgehalt dürfen die angegebenen Grenzwerte nicht über- oder

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unterschreiten [15], [17]. Je nach Höhe der LP-Mittelzugabe, ergibt sich ein unterschiedlich hoher Gehalt an Luftporen.

Es werden insgesamt drei Versuche durchgeführt, um sich den geforderten 5 Vol.-% anzunähern. Die Verdoppelung einer geringen Menge an LP-Mittel bewirkt anfangs keine Verdoppelung des Luftgehalts. Je mehr Zusatzmittel zugegeben wird, desto steiler steigt der Luftgehalt an (s. Diagramm Anlage A -12). Der Anstieg des Luftgehalts ist also nicht linear sondern exponentiell. Um die Zugabemenge genau zu bestimmen, wären sehr viele zeit- und materialintensive Versuche notwendig. Aus diesem Grund werden einmal ein Versuch mit minimaler und ein weiterer Versuch mit maximaler Menge durchgeführt. Ein dritter Versuch dient zur Bestimmung eines Anhaltswertes zwischen den Min/Max Werten. Die erforderliche Zugabemenge kann so zu ca. 7 ml pro kg Zement abgelesen werden, um die angestrebten 5 Vol.-% Luft zu erhalten. Die Messergebnisse und Berechnung des LP-Gehaltes sind in Anlage A-12 enthalten.

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6 Entwurf und Herstellung der Mischungen

6.1 Allgemeine Anforderungen [17]

Der im Rahmen dieser Arbeit für die Frost-Tausalz-Prüfungen herzustellende Beton ist ein Leichtbeton mit geschlossenem Gefüge, welcher sich vom Normalbeton darin unterscheidet, dass anstelle normaler Gesteinskörnung teilweise oder ausschließlich leichte Gesteinskörnung verwendet wird. Somit wird Leichtbeton als Beton mit einer Trockenrohdichte von nicht mehr als 2000 kg/m³ definiert.

Die Festbetoneigenschaften des Leichtbetons, wie der Verbund BetonBewehrung, die Dauer-haftigkeit oder der Korrosionsschutz der Bewehrung, entsprechen weitgehend denen des Normalbeton. Die Kornrohdichte richtet sich nach der angestrebten Betonrohdichte und dem damit sich ergebenden Anwendungsbereich. Daraus folgt eine unterschiedliche Saugfähigkeit, Steifigkeit und Festigkeit der Körner, welche neben dem Trag- und Bruchverhalten, die Frisch-und Festbetoneigenschaften erheblich beeinflussen.

Für die Herstellung einer Mischung ist es zweckmäßig, trockene Zuschläge zu verwenden. Aufgrund des aus Versuchen bekannten Wasseranspruchs der Leichtzuschläge (vgl. Kapitel 5) ist es möglich, dem Leichtbeton genau die Wassermenge zuzugeben, die er für die Hydratation benötigt. Die Gesamtwassermenge errechnet sich demnach aus dem Wasser, das für die Zementleimbildung erforderlich ist, plus dem Wasser, das von den Leichtzuschlägen aufgenommen wird.

Leichtbetonmischungen werden in der Regel nach Richtrezepturen hergestellt. Sie beziehen sich auf Mischungen mit weichplastischer Konsistenz, Zementgehalten von 300 bis 350 kg/m³ und einem Mörtelgehalt von 500 bis 600 dm³/m³, um eine gute Verarbeitbarkeit und ein geschlossenes Gefüge des Betons zu erreichen. Ebenso ist ein höherer Mörtelgehalt bei schwierigen Einbaubedingungen, Transportbeton und Zuschlägen mit eckiger Kornform zweckmäßig.

6.2 Herstellung der Mischungen

Die Betonzusammensetzung erfolgt nach DIN 4226, Teil 3 [8]. Die Prüfmischungen haben

einen Zementgehalt von 370 statt 350 kg/m³ (Vorgabe Fa. Liapor ® ). Dieser Wert ist kleiner als

die maximale Obergrenze von 450 kg/m³, um eine zu starke Hydratationswärmeentwicklung, Schwinden und Kriechen zu vermeiden [17]. Der vorgegebene w/z-Wert von 0,5 kann, aufgrund der Wasseraufnahme der Leichtzuschläge, nicht wie bei Normalbeton gezielt angesteuert,

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sondern nur angestrebt werden. Die aus Vorversuchen und Herstellerangaben verwendeten Werte des Wasseranspruchs lassen eine genaue Berechnung der Wasserzugabe zu. Den jeweiligen Mischungen wird nach und nach nur so viel Wasser zugegeben, bis sie eine plastische Konsistenz erreichen. Da die Leichtzuschläge dem Zementleim Wasser entziehen, wird das Ansteifen des Frischbetons beschleunigt und, obwohl vorgenässt wurde, die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. Um die Konsistenz zu verbessern, wird dem Frischbeton kein weiteres Wasser zugegeben.

Das Mischen erfolgt mit einem Zwangsmischer, auch wenn Gefahr besteht, dass bei Zuschlag mit geringer Kornfestigkeit ein Teil der Körner zertrümmert wird. Der Versuch, eine Mischung mit dem Freifallmischer herzustellen, schlug fehl, da das geringe Gewicht des Leichtzuschlages eine ausreichende Umwälzung und Vermischung der Bestandteile verhinderte.

Die Herstellung der Probekörper mit allen erforderlichen Betonprüfungen und das Vorbehandeln der Leichtzuschläge richtet sich nach den Vorgaben des „Merkblatt 1: Betontechnische Berichte“ [10].

Alle für die Druckfestigkeits- und Frost-Tausalz-Prüfungen hergestellten Probekörper (150 x 150 mm) werden nach dem Belassen in der Schalung (24 h; Stahlschalung) bis zum Alter von 7 Tagen mit Folie abgedeckt in Feuchträumen bei etwa 20°C gelagert. Anschließend erfolgt eine Trockenlagerung bis zum Alter von 28 Tagen für die Druckfestigkeitsprüfung und darüber hinaus für die Würfel der Frost-Tausalz-Prüfungen (s. Kapitel 7 und 8).

Alle Leichtbetonmischungen sind mit Zement CEM 1 42,5 R hergestellt. Sie haben ein Mörtelvolumen von 56 % und einen Leichtzuschlaganteil von 44 %. Die genauen Mischungszusammensetzungen der 5 Leichtbetone sind in Tabelle 6-1 und im Anhang Seite A-13 bis A -23 enthalten.

In den folgenden Abschnitten werden unter anderem Erfahrungen beim Herstellen der Mischungen 1 bis 5, sowie Angaben zu Ausbreitversuch, Konsistenz und Wasseranspruch beschrieben [16]. Erfahrungen bei der Wasserzugabe, die sich aus vorher hergestellten Übungsmischungen ergaben, sind mit eingeflossen. Aus diesem Grund wird, um den Frischbeton nicht zu nass herzustellen, zur Annäherung an die Konsistenz nach und nach Wasser hinzugefügt. Es werden von jeder Mischung 7 Betonwürfel mit einer Kantenlänge von

15 cm hergestellt: drei Würfel für die Druckfestigkeitsprüfung und vier Würfel für die Frost-

Taumittel-Prüfung.

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Tabelle 6-1: Aufstellung der Betonzusammensetzung der Mischungen 1 bis 5

* Wasser, das von den Leichtzuschlägen aufgenommen wird

** Blähtonkörnung und Leichtsande/Natursand

6.2.1 Mischung 1

Dieser Leichtbeton wird mit Leichtzuschlag Liapor F3,5 2/8 und dem Leichtsand Kesselsand hergestellt. Ein Luftporen bildendes Zusatzmittel wird nicht zugegeben.

Als erforderliche Wassermenge werden 13,23 Liter Wasser errechnet. Diese Menge setzt sich aus dem für den w/z -Wert errechneten Wasser und dem Wasseranspruch des Leichtzuschlags und -sandes zusammen.

Die tatsächliche Wasserzugabe ist mit 11,74 Liter um 11,3 % geringer als errechnet. Eine weitere Zugabe hätte, da keine weitere Wasseraufnahme mehr stattfand, die Verwässerung des Betons und Entmischungserscheinungen zur Folge gehabt. Die erste Konsis tenzmessung nach Beenden des 1,5minütigen Mischens ergibt mit einem Ausbreitmaß von 36/36 cm einen plastischen Konsistenzbereich (Klasse F2) (s. Abb. 6-2 und 6-3) [15].

Wie in Abb. 6-2 zu erkennen, gibt der Frischbeton bereits Zementleim ab. Nach 30 min und

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