Aufgabenstellung II

Aufgabenstellung

„Untersuchungen zur Temperatur- und Dehnungsentwicklung in Ortbetonpfählen während der Hydratation"

Im Rahmen der Verkehrsprojekte Deutsche Einheit wird derzeit in der Nähe von Magdeburg die Doppelsparschleuse Hohenwarthe gebaut, welche neben der Schleuse Rothensee und der über die Elbe führenden Kanalbrücke ein wesentlicher Bestandteil des Wasserstraßenkreuzes Magdeburg ist.

Schleusenbauwerke belasten aufgrund ihrer Größe und Funktion den Baugrund in sehr starkem Masse, da außer dem hohen Eigengewicht auch die zyklische Belastung des Bauwerkes während der Schleusungsvorgänge in den Lastannahmen berücksichtigt werden muss. Um Erkenntnisse über die Art und Größe der Einwirkungen auf den Baugrund zu erlangen, wurde von der Bundesanstalt für Wasserbau ein umfangreiches Messkonzept erarbeitet und baubegleitend umgesetzt.

Neben der Messung von Poren- und Sohlwasserdrücken, Sohlspannungen und Setzungen wurden einige Gründungspfähle mit Pfahlspitzendruckdosen und mehreren Messgebern ausgestattet, die nach dem Prinzip der schwingenden Saite arbeiten und die Pfahldehnungen erfassen.

Im Rahmen der Studienarbeit erhält Herr Burghardt die Aufgabe, die Temperatur- und Dehnungsentwicklung von Ortbetonpfählen während der Hydratation zu untersuchen. Zu diesem Zweck soll zunächst auf der Basis einer Literaturrecherche der derzeitige Stand der Technik auf diesem Gebiet erarbeitet werden. Im Vordergrund sollen dabei Untersuchungen zur Festigkeitsentwicklung, zur Entwicklung des E-Moduls und der Hydratation stehen. Die gewonnenen Kenntnisse sind anschließend auf die Auswertung der Ergebnisse eines in-situ-Versuches anzuwenden.

Die erforderlichen Daten (Temperaturentwicklung, Ergebnisse der Schwingsaitenmessgeber sowie Druckfestigkeit und E-Modul des verwendeten Pfahlbetons nach 7, 28 und 56 Tagen) werden Herrn Burghardt durch das Institut zur Verfügung gestellt. Weiterhin soll untersucht werden, inwieweit Kriechdehnungen bei der Auswertung von Langzeitdehnungsmessungen in Ortbetonpfählen berücksichtigt werden müssen, um die Pfahlnormalkräfte ausreichend genau bestimmen zu können. Zu diesem Punkt werden qualitative Aussagen über die Bestimmung der Kriechzahl in Abhängigkeit vom Belastungsalter erwartet.

Die Arbeit soll Grafiken beinhalten, welche die zeitliche Entwicklung der Temperatur, des E-Moduls und der Druckfestigkeit des verwendeten Betons darstellen. Die Darstellungen sollen Vergleiche mit anderen Betonrezepturen (Zementen) ermöglichen. Es wird erwartet, dass die Arbeit mit einer Zusammenfassung endet, in der die wesentlichen Untersuchungsergebnisse kritisch zusammengefasst werden. Der Bearbeitungsumfang der einzelnen Punkte ist mit dem Betreuer abzustimmen.

Bearbeitungszeit: ca. 180 Std.

Auszugeben am: Abzugeben am: Braunschweig, den 22.05.2000 Dipl. Ing. T. Huch

Inhaltsverzeichnis III

Inhaltsverzeichnis   

AUFGABENSTELLUNG.   II

INHALTSVERZEICHNIS..............................................................................   III

BEZEICHNUNGEN   VI

EINLEITUNG   1

1.1  Problemstellung  1

1.2  Aktueller Stand der Forschung.  1

1.2.1  Überblick.  1

1.2.2  Experimentelle Methoden und numerische Verfahren.  1

1.2.3  Materialverhalten  2

1.2.4  Bemessungsmodelle für Temperaturzwang  2

HYDRATATIONSKINETIK.   3

2.1  Einleitung  3

2.2  Ausgangsstoffe und Hydratationsprodukte.  3

2.3  Chemische Vorgänge während der Hydratation  4

2.3.1  Ausgangsstoff Zementklinker  4

2.3.2  Hydratationsphasen und Hydratationschemie.  5

2.3.3  Strukturänderung.  8

2.3.4  Einfluss von Zusatzmitteln auf die Hydratationskinetik  9

2.4  Hydratationswärme  10

2.4.1  Allgemeines.  10

2.4.2  Bestimmung der Hydratationswärme.  10

2.4.3  Größe der Hydratationswärme von Zement  11

2.4.4  Hydratationsgrad  13

2.5  Ansätze für den Hydratationsfortschritt  14

2.5.1  Empirische Ansätze.  14

2.5.2  Wirksames Betonalter  15

2.6  Vergleich und Wertung der Ansätze für den zeitlichen Verlauf der  

Hydratation.   17

2.6.1  Allgemeines.  17

2.6.2  Vergleich der Reifefunktion.  17

2.6.3  Vergleich der Ansatzfunktionen für den Hydratationsfortschritt  17

Inhaltsverzeichnis IV

THERMODYNAMISCHE  EIGENSCHAFTEN HYDRATISIERENDEN  

BETONS.   20

3.1  Allgemeines  20

3.2  Thermische Werkstoffeigenschaften  20

3.2.1  Wärmeleitzahl  20

3.2.2  Spezifische Wärmekapazität  21

3.3  Hydratationsabhängigkeit der elastischen Werkstoffeigenschaften  23

3.3.1  Spannungs-Dehnungs-Beziehung  23

3.3.2  Temperatur-Spannungs-Verlauf.  23

3.3.3  Temperaturdehnzahl.  24

3.3.4  Elastizitätsmodul und Querdehnzahl.  25

3.3.5  Festigkeitsentwicklung.  27

3.3.6  Lastunabhängige Dehnungen: Quellen und Schwinden.  28

3.3.7  Schwinden nach EC2  31

3.4  Hydratationsabhängigkeit der bruchmechanischen  

Werkstoffeigenschaften   32

3.4.1  Einaxiale Druckfestigkeit.  32

3.4.2  Einaxiale Zugfestigkeit  33

MESSTECHNISCHE  PRÜFVERFAHREN  35

4.1  Allgemeines  35

4.2  Prüfverfahren und Versuchseinrichtungen.  35

4.2.1  Isothermes Prüfverfahren  35

4.2.2  Adiabatisches Prüfverfahren  35

4.2.3  Teiladiabatisches Prüfverfahren.  36

4.2.3.1  Messprinzip und Prüfgerät  37

4.2.3.4  Ermittlung der Temperatur des frischen und des erhärtenden Betons  42

KRIECHEN  TEMPERATUR- UND ZWANGBEANSPRUCHTER  

BAUTEILE   44

5.1  Allgemeines  44

5.2  Kriechkomponenten.  44

5.2.1  Kriechanteile  44

5.2.1  Zeitabhängige Verformung bei konstanter Spannung.  45

5.3  Einflussfaktoren auf die Größe und den Verlauf der Kriechverformung  

   46

5.3.1  Einfluss von Zementart, -menge und Mahlfeinheit  46

5.3.2  Einfluss des W/Z-Wertes  47

5.3.3  Einfluss der Zuschlagsart  48

5.3.4  Einfluss des Belastungsalters  48

Inhaltsverzeichnis V

5.3.5  Einfluss des Belastungsalters und der Belastungsdauer auf das Kriechen bei normalen  

und  erhöhten Temperaturen  52

5.3.6  Einfluss des Belastungsgrades  54

5.3.7  Einfluss der Belastungsdauer  54

5.3.8  Einfluss unterschiedlicher Feuchtebedingungen.  54

5.4  Funktionen zur Beschreibung des zeitlichen Kriechverlaufes  55

5.4.1  Kriechzahl  55

5.4.2  Kriechfunktionen.  56

5.4.3  Kriechfunktion nach EC2.  58

5.5  Kriechmodelle in Abhängigkeit vom Hydratationsgrad  61

5.5.1  Allgemeines.  61

5.5.2  Ansatz nach Laube  62

5.5.3  Ansatz von Gutsch  63

5.5.4  Vergleich der Modelle von Laube und Gutsch  65

5.5.5  Kriecheinflussberechnung (FEM) durch Einwirkung einer Hydratationswärmequelle  

   68

MESSKONZEPT  UND AUSSAGEN ZUM STANDORT  71

6.1  Allgemeines  71

6.2  Art der Messungen - Messgeber  72

AUSWERTUNG  DER MESSERGEBNISSE UND  

MODELLDARSTELLUNG   80

7.1  Autogenes Schwinden  80

7.2  Verformungen des sehr jungen Betons  81

7.3  Modelldefinition und Kalibrierung an bestehende Messergebnisse.  84

7.4  Auswirkungen der Temperatur auf den Dehnungsverlauf  87

7.5  2. Modell - Japanisches Institut für Technologie  88

7.6  Weitere Beispiele verschiedener Schwindmessungen  94

8.  ZUSAMMENFASSUNG  97

Literaturverzeichnis.   98

Bildverzeichnis.   96

Tabellenverzeichnis   102

Bezeichnungen VI

Bezeichnungen

Zeitkonstante des Thermosgefäßes a

P

A Aktivierungsenergie c spezifische Wärmekapazität C Wärmekapazität des Prüfkörpers

p C Wärmekapazität des Thermosgefäßes

Therm

E E-Modul von Beton

C

E mittlerer E-Modul von Beton nach 28 Tagen

cm

E effektiver E-Modul von Beton

eff f einaxiale Betondruckfestigkeit

cc

Betondruckfestigkeit nach 28 Tagen f 28

d cc ^, f , Betonwürfeldruckfestigkeit

cube c f charakteristische Betonzugfestigkeit

ck

f mittlere Betonzugfestigkeit

cm

f Betonzugfestigkeit

ct

f , wirksame Betonzugfestigkeit

ef ct

( ) ϑ Reifefunktion g HW Hydratationswärme K Isolierwirkung des Thermosgefäßes

Therm

Masse des Zementes m

Z

( )

t O G spezifische Oberfläche des Zementgels zum Zeitpunkt t max ( )

t O G max. spezifische Oberfläche des Zementgels

P elektrische Leistung des Thermosgefäßes R allgemeine Gaskonstante Q Wärmeinhalt gesamte Wärmemenge Q

∞

( )

autogener Dehnungsbetrag nach einer Zeit t t S A ( )

autogener Dehnungswert nach 28 Tagen 28 S

A

t Zeit T , Frischbetontemperatur

fr b

∆ T Temperaturerhöhung = Hydratationswärme

HW

T Temperaturmaximum

Max

T Temperatur des Prüfkörpers

p

∆ Temperaturerhöhung des Prüfkörpers T

p

∆ T , Temperatur der erwärmten hydratisierten Probe

v p t Zeit bis zum Temperaturmaximum

T Max

T Umgebungstemperatur

u

Volumen Ca(OH) 2 V

^{( )} 2 OH Ca

Bezeichnungen VII

α Hydratationsgrad

Hydratationsgrad, ab welchem Festkörpereigenschaften messbar sind

Temperaturdehnzahl

Beiwert zur Beschreibung des zeitlichen Verlaufs des Kriechens

Beiwert zur Berücksichtigung der Betonfestigkeit

Beiwert zur Berücksichtigung des Einflusses des Belastungsalters

bei Belastungsbeginn

∧

β bezogene Betondruckfestigkeit

cc

∧

β bezogene Betonzugfestigkeit

ct

β = f Betonzylinderdruckfestigkeit

cd D

β Z Betonspaltzugfestigkeit

sp

Grundschwindmaß

Endschwindmaß

Kriechdehnung von Zementstein

ε Kriechdehnung von Beton

k , b

verzögert elastische Kriechverformung

ε Trocknungskriechen

f , tr

ε spezifisches Endkriechmaß

s ∞

_

ε bezogenes Kriechmaß

k

_

ε Endkriechmaß nach Ross

k ∞

Grundkriechzahl

Kriechzahl/funktion

Kriechfunktion zum Zeitpunkt t = 28 Tage

Rechenwert der Wärmeleitzahl

Betonspannung bei Belastungsbeginn

wirksames Betonalter

1.1 Problemstellung 1

Einleitung

1.1 Problemstellung

Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannte man, dass in massiven Betonbauteilen hydratationsbedingt Risse entstehen können.

Zunächst wurde das Hauptaugenmerk auf betontechnologische Aspekte gerichtet, um die entstehenden Temperaturen niedrig zu halten. Heute konzentrieren sich die meisten Untersuchungen auf eine Beurteilung der Rissgefährdung sowie auf die Vorgänge, die während der Hydratation ablaufen.

Gilt z.B. ein Bauteil als rissgefährdet, wird häufig die Mindestbewehrung nach Norm eingelegt, welche aber erheblich auf der sicheren Seite liegen kann und günstige Einflüsse vollkommen unberücksichtigt lässt.

Risse stellen als Bestandteil der Stahlbetonbauweise keinen Mangel dar, wenn sie weder die Gebrauchstauglichkeit, noch die Standsicherheit gefährden. Dies hat zur Folge, dass die Rissbreiten problemangepasst zu begrenzen sind. Könnten die Vorgänge während der Hydratation bis hin zur Rissbildung rechnerisch erfasst werden, so wäre eine entsprechende Bemessung schon in der Planungsphase möglich.

1.2 Aktueller Stand der Forschung

1.2.1 Überblick

Im Wesentlichen konzentriert sich die aktuelle Forschung darauf, das Rissrisiko in Betonbauteilen zu beziffern, wobei zwei Probleme zu lösen sind:

1. Vorhersage oder Messung des zeitlichen Temperaturverlaufs während der Hydratation 2. Vorhersage der mechanischen Zustandsgrößen, die infolge der Hydratationstemperaturen auftreten

Es gilt, die Spannungszustände vor der Rissbildung zu untersuchen, um durch einen Vergleich mit den Festigkeiten, Aussagen über die Rissgefährdung zu erhalten. Dem entwerfenden Ingenieur bleibt in dem Fall eines rissgefährdeten Bauteils nichts anderes übrig, als sich nach den Bewehrungsnormen zu richten. Oft ergeben sich hier unnötig große Bewehrungsmengen. Durch eine Abschätzung der möglichen Rissbreiten - z.B. durch eine Simulation - hätte man einen Gegenstand, die Größe der Mindestbewehrung an die jeweiligen Bauteilgegebenheiten anzupassen.

1.2.2 Experimentelle Methoden und numerische Verfahren

Im Labor können durch den Hydratationsvorgang hervorgerufene Temperaturen sehr gut untersucht werden. Anhand von gemessenen Verformungen kann auf den Spannungszustand geschlossen werden. Sehr schwierig gestaltet sich hier insbesondere die Spannungsmessung bei Zwang, denn diese Spannungen resultieren aus dem behinderten Anteil der Verformung, welcher nicht direkt gemessen werden kann. Begleitende Messungen in situ sind derzeit noch Stand der Forschung [39], [48].

1.2 Aktueller Stand der Forschung 2

In den letzten Jahren wurden besonders am Baustoffinstitut der TU München Methoden entwickelt, um die Reißneigung einer Betonrezeptur untersuchen zu können. Neben dem Reißrahmen, welcher vorwiegend für qualitative Vergleiche herangezogen wird, ist eine Temperaturspannungs-Prüfmaschine entwickelt worden, bei der die Verformungsbehinderung rechnergesteuert simuliert werden kann.

Die numerischen Simulationen stellen heute eine sehr wichtige Ergänzung zu den analytischen Lösungen und den experimentellen Methoden dar; sind aber andererseits stark von theoretischen Lösungen abhängig. Sehr verbreitet ist die Finite-Element-Methode (FEM). Aber auch hier gilt es, gewisse Vereinbarungen/Annahmen zu treffen und Idealisierungen vorzunehmen, welche die Qualität der Ergebnisse entscheidend beeinflussen.

1.2.3 Materialverhalten

Ein wesentliches Problem in der Erfassung hydratationsbedingter Beanspruchungen besteht darin, dass nahezu alle Materialparameter ständigen Veränderungen im Beobachtungszeitraum unterworfen sind.

Eine Vielzahl an Arbeiten beschäftigt sich mit dem zeitlichen Verlauf der Hydratation. Große Fortschritte wurden in letzter Zeit im Hinblick auf die Veränderlichkeit der mechanischen Materialkennwerte gemacht. Von nicht unwesentlicher Bedeutung war hierbei die Beschreibung der Materialkennwerte in Abhängigkeit des Hydratationsgrades [30]. Hinsichtlich der Materialparameter wird sich hier eng an die Braunschweiger Dissertationen von Laube [30] und Gutsch [16] gehalten. Darüber hinaus werden aber auch Arbeiten von Breitenbücher [4], Mangold [33], Plannerer [39] und Schöppel [46] herangezogen.

1.2.4 Bemessungsmodelle für Temperaturzwang

Zwischen der Schnittgrößenermittlung infolge äußerer Lasten und jener infolge Zwang besteht ein großer Unterschied. Die Berechnungsverfahren für Belastungen unter Zwang sind in der Praxis eher überschlägiger Natur, was wohl mit dem Fehlen entsprechender, allgemein verfügbarer Rechenmethoden zusammenhängt.

Zum einen sind Materialmodelle für jungen Beton bisher noch nicht genormt und zum anderen existieren nur vage Angaben über den anzusetzenden Temperaturverlauf. Ein großes Problem liegt in der Festlegung eines schlüssigen Sicherheitskonzeptes, da die Betonrezeptur den Temperaturverlauf und damit die Einwirkungsseite beeinflusst, zugleich aber auch die Werkstoffeigenschaften auf der Widerstandsseite.

2.1 Einleitung 3

Hydratationskinetik

2.1 Einleitung

Im Folgenden werden zuerst die nötigen Grundlagen aus der Baustoffkunde/-technologie beschrieben, soweit dies für ein Verständnis in den nächsten Abschnitten notwendig ist. Für weiterführende Angaben wird auf die Literatur verwiesen. Gerade im Hinblick auf die Berechnung von hydratationsbedingten Temperaturen sei auf die Dissertation von Breugel [5] verwiesen.

2.2 Ausgangsstoffe und Hydratationsprodukte

Zement ist ein fein aufbereitetes hydraulisches Bindemittel, das durch chemischmineralogische Reaktionen mit Wasser sowohl an der Luft als auch ohne vorhergehende Lufttrocknung unter Wasser, selbständig erhärtet und dann auch fest und raumbeständig ist. Er besteht im Wesentlichen aus Verbindungen von CaO mit SiO 2 , Al 2 O 3 und Fe 2 O 3 , (s. Bild 2.1) die durch Sintern oder Schmelzen entstanden sind [57].

Zur Anwendung kommt i.A. ein gewöhnlicher Portlandzement, der sich durch einen geringen Kalkgehalt und die dadurch hervorgerufenen gleichmäßigen Eigenschaften auszeichnet. In den gemahlenen Zementklinkern kommen vier Hauptphasen vor - Tricalciumsilicate (C 3 S), Dicalciumsilicate (C 2 S), Tricalciumaluminate (C 3 A) und Calciumaluminoferrite (C 4 AF).

Bild 2.1 Bestandteile des Zementes [31]

Unter Zugabe von Wasser bildet jede Phase unterschiedlich schnell Hydrate, wobei für die Festigkeit des Zementsteins im Wesentlichen die Hydratationsprodukte der Silicatphasen ver-antwortlich sind. Diese Silicatphasen bilden unter Wasserzugabe Calciumsilicathydrate (C-S-H) in Form von Nadeln und Leisten aus, in die Wassermoleküle eingelagert werden können. Anhand von ESEM-Bildern, welche während der Hydratation aufgenommen worden, (s. Kapitel 2.3.2) kann man diese Erscheinungsformen sehr gut erkennen.

2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation 4

Mit dem Anmachwasser bilden diese Kristalle ein C-S-H-Gel, welches, verglichen mit dem Zementpulver, eine um den Faktor 1000 größere innere Oberfläche besitzt. Während der unhydratisierte Zement eine spezifische Oberfläche von ca. 0.2 bis 0.5 m ² /g aufweist, erhält man für die spezifische Oberfläche von Zementstein Werte im Bereich von 200 bis 1000 m ² /g (Häußler 1991).

Eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Festigkeit, der Längenänderungen (Schwinden, Feuchtedehnung) und der Wasserdurchlässigkeit spielt die spezifische Oberfläche. Zu dessen Bestimmung existiert eine Anzahl unterschiedlicher Messverfahren:

• direkte Beobachtung (Elektronenmikroskopie)

• Siebanalyse • Sedimentation und Auswaschung • Luftdurchlässigkeitsbestimmung

• Adsorptionsverfahren (z.B. Verfahren nach Brunauer, Emmett und Teller-BET) • Quecksilberdruckporosimetrie und die • Streumethodenmessung (Neutronenkleinwinkelstreuung - NKWS)

Mit dem NKWS steht heute ein zerstörungsfreies Messverfahren zur Verfügung, dass man ohne Probenpräparation durchführen kann. Dabei wird die Gefügestruktur nicht verändert oder zerstört und der zeitliche Verlauf der Strukturbildung kann an ein und derselben Probe verfolgt werden. Der geringe Absorptionskoeffizient des Zementsteins erlaubt darüber hinaus auch die Untersuchung von Proben mit einer Dicke bis zu einigen mm.

2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation

2.3.1 Ausgangsstoff Zementklinker

Poren verschiedenster Größe und Anzahl, die sich im Laufe der Hydratation ändern, bestimmen die unterschiedlichen Stoffeigenschaften des Zementsteines. Ausgangsmaterial ist ein Pulver aus unhydratisierten Zementklinkern, deren Größe von wenigen Nanometern bis hin zu 100 µm reichen kann. In Abbildung 2.2. ist zu erkennen, dass diese Klinker keine einheitliche Form, jedoch eine kantige Oberfläche besitzen.

Bild 2.2 Unhydratisierte Zementkörner [51]

2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation 5

2.3.2 Hydratationsphasen und Hydratationschemie

Portlandzement enthält als Hauptbestandteile etwa 50-70% C 3 S, 10-20% C 2 S, 5-10% C 3 A, einige Prozent C 4 AF und als Erstarrungsverzögerer Gips oder Anhydrit. Im Bild 2.3/2.4 wird die Hydratphasenentwicklung eines typischen Portlandzements (CEM I 42,5 R) mit Hilfe des ESEMs (Environmental Scanning Electron Microscope) dargestellt. Die Hydratation, d. h. die Erhärtung von Portlandzement, kann in vier Phasen eingeteilt werden. Diese unterscheiden sich durch ihre Reaktionskinetik und den an der Reaktion beteiligten Klinkerkomponenten.

Bild 2.3 Wärmerate eines typischen Portlandzements - die Zahlen kennzeichnen die verschiedenen Hydratationsphasen [51]

Bild 2.4 Schematische Darstellung der Bildung der Hydratphasen und der Gefügeentwicklung während der Hydratation [41]

Erste Phase: C 3 A-Umwandlung (Induktionsperiode)

Durch eine stürmische Reaktion (s. Bild 2.3 und 2.4) in den ersten Minuten ist die erste Stufe gekennzeichnet, verbunden mit einer Erhöhung der Frischbetontemperatur von ca. 1 bis 3K. Trotz eines leichten Ansteifens der Konsistenz bleibt der Frischbeton in den ersten Stunden verarbeitbar.

2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation 6

Sehr aktiv im Vergleich zu den anderen Phasen verhält sich das C 3 A und reagiert deshalb am schnellsten mit dem Anmachwasser. Bei Abwesenheit eines Sulfatträgers bilden sich so-fort große hexagonale, dünne Calciumaluminathydrat-Kristalle (C-A-H) (s. Bild 2.5). Porenräume können dabei leicht überbrückt werden und führen zu einer schnelle Verfestigung des Frischbetons [51].

Bild 2.5 dünntafelige C-A-H-Kristalle in der Matrix von Schnellzement nach 1h Hydratationsdauer [51]

Zweite Phase: Ruhephase (dormate Periode)

Diese Phase, welche 2 bis 4 Stunden dauern kann, zeichnet sich durch eine sehr geringe chemische und kalorimetrische Aktivität aus. Im ESEM zeigen sich keine Veränderungen der Hydratphasen gegenüber dem Zustand nach wenigen Minuten und die Wärmerate geht in dieser Zeit fast bis auf Null zurück.

Um die Klinkerteilchen und anderen Reaktionsprodukte aus der ersten Phase bildet sich eine geschlossene Gelhülle, die eine weitere Reaktion des Klinkers mit der Porenlösung stoppt.

Dritte Phase: C 3 S-Umsetzung (Akzelerationsperiode)

Phase drei ist durch das Wachstum zunächst lang-, dann kurzfasriger Calciumsilicathydrate (C-S-H) gekennzeichnet. Hydrate überbrücken zunehmend den wassergefüllten Raum zwischen den Zementkörnern und bewirken dadurch den Beginn der Erhärtung. Bei allen Normzementen wird in dieser Hydratationsphase - ca. 6 bis 12h nach dem Anmischen mit Wasserdie größte Wärmemenge pro Zeiteinheit freigesetzt.

Verantwortlich für die Erhärtung des Zementleimes sind die langen, spitznadeligen Fasern aus Calciumsilikathydrat (C-S-H), welche durch die Umsetzung des C 3 S entstehen (s. Bild 2.6). Durch Verzahnung kommt es unter gleichzeitiger Bildung von µm-großen tafeligen Calciumhydroxid-Kristallen (Portlandit) zu einer Verfestigung des Zementes. Ohne eine Verbreiterung der Kristallbasis lässt sich ein Längenwachstum der Ettringitkeime feststellen. Eine Sammelkristallisation des Ettringits oder eine Umwandlung in Monosulfat, wie sie in der Literatur oft beschrieben wird, konnte dagegen nicht bestätigt werden.

Bild 2.6 Ettringitprismen (links) und C-S-H-Nadeln (rechts) auf einer Portlanditoberfläche nach 5 Stunden Hydratation [51]

Vierte Phase: Verdichtung und Erhärtung (Retardations- und Finalperiode)

In der letzten Hydratationsstufe, welche nach etwa einem Tag einsetzt und sich über einen Zeitraum von mehreren Monaten erstrecken kann, werden die noch verbliebenen wassergefüllten Poren mit Calciumsilikathydrat und mit Calciumaluminathydrat ausgefüllt. Das entstehende Betongefüge wird immer dichter und nimmt an Festigkeit zu. Bild 2.4 veranschaulicht den beschriebenen Vorgang.

Im Bild 2.7 sind die prismatischen Ettringitphasen noch deutlich erkennbar. Später überwiegen jedoch die C-S-H-Bestandteile. Zur Bildung von fasrigen C-S-H-Bestandteilen tragen jetzt auch die C 2 S-Klinkerphasen des Zementes bei, dessen chemisches Verhalten ähnlich dem von C 3 S ist, aber langsamer reagieren und somit für die Spätfestigkeit mitverantwortlich sind. Kontinuierlich nimmt die Wärmeentwicklung in dieser Phase ab, ist aber auch nach mehreren Tagen noch deutlich messbar.

Bild 2.7 Ettringit und verdichtetes C-S-H-Gefüge nach einer Hydratationsdauer von 24 Stunden [51]

2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation 8

2.3.3 Strukturänderung

Vereinfacht kann das hydratisierende Zementkorn mit Hilfe einer Schalenstruktur beschrieben werden, dessen Zentrum aus unhydratisiertem Portlandzement besteht. Durch die Schalen werden die inneren und äußeren Hydratationsprodukte repräsentiert. Im Bild 2.8 ist zu erkennen, dass die kristalline Phase (Portlandite, Calcite) in eine amorphe Phase von Hydratationsprodukten eingebettet ist.

Dabei muss das Wasser, um an den unhydratisierten Kern zu kommen, durch ein immer dichter werdendes Gefüge von C-S-H-Fasern, was eine Verlangsamung der Hydratation bewirkt. Selbst bei ausreichendem Wasserangebot kann eine vollständige Hydratation so mehrere Jahre dauern.

Bild 2.8 Modell eines idealisierten Zementkorns [30]

Im Ergebnis der Hydratationsvorgänge besteht der Zementstein aus den Hydratationsprodukten der Ausgangsklinker, Resten von unhydratisierten Zementklinkern, Zementgel (Calciumsilicathydrate und Wasser), Wasser verschiedener Modifikation und unterschiedlichen Poren. Die Art der Porenfüllung (Luft oder Wasser) ist für den Einfluss des Porenraums auf die Festigkeitseigenschaften des Zementsteins nahezu gleichgültig. Der W/Z-Wert ist hier deshalb die maßgebende Größe (s. Bild 2.9), weil die aus dem Anmachwasser entstandenen Poren den größten Teil des Porenraumes ausmachen. Nach Wesche [57] ist für eine vollständige Hydratation mindestens ein W/Z-Wert von 0,38 notwendig. Erhärtungsverlauf des Zementsteines und die Menge des ungebundenen Wassers werden durch folgende Faktoren maßgeblich beeinflusst:

• Zement- und Umgebungstemperatur

• Luftfeuchte • Zementart • Zementgehalt • W/Z-Wert • Bauteildicke

Bild 2.9 Struktur des Zementsteines in Abhängigkeit vom W/Z-Wert [18]

2.3.4 Einfluss von Zusatzmitteln auf die Hydratationskinetik

Zusatzmittel haben die Aufgabe, den Beton oder Mörtel an spezielle Anforderungen der Bauindustrie anzupassen, die sonst schwer oder gar nicht zu erreichen wären. Eine Reduzierung des W/Z-Wertes bei gleichzeitiger Erhaltung des Fliessverhaltens ist nur ein Beispiel. Auf-grund ihrer Wirkungsweise unterscheidet man mehrere Zusatzmittel-Klassen, die die unterschiedlichsten Einsatzbereiche in der Betonindustrie abdecken (s. Bild 2.10).

Bild 2.10 Einsatzbereiche und Wirkprinzip von Betonzusatzmitteln [51]

Zusätze werden in relativ geringen Mengen von wenigen Prozent (bezogen auf das Zementgewicht) dem Beton zugegeben. Bei Fliessmitteln bzw. Verflüssigern, Beschleunigern oder Verzögerern erfolgt die Zugabe häufig erst kurz vor dem Einsatz des Betons.

2.4 Hydratationswärme 10

2.4 Hydratationswärme

2.4.1 Allgemeines

Das Kalklöschen geht mit einer erheblichen Wärmeentwicklung einher, die je g Branntkalk ca. 1172 Joule beträgt. Es wird hier wieder jener Teil der Energie frei, welchen man beim Brennen des Kalkes aufwenden musste. Aufgrund der stürmisch einsetzenden Reaktion zu Kalkhydrat, hat die Wärme keine Zeit abzufließen; die Betontemperaturen steigen. Dem Beton ist es dabei wegen des exothermen Vorganges möglich, sogar bei Lufttemperaturen unter 0°C ohne Wärmezufuhr von außen zu erhärten.

Besonders bei dicken Bauteilen entstehen Eigenspannungszustände, die durch Zugspannungen im oberflächennahen Bereich gekennzeichnet sind. (s. Bild 2.11) Sehr schnell entwickeln sich dann so genannte „Schalenrisse“, wenn bei steilen Temperaturgradienten die Zugbruchdehnung überschritten wird. Da die Temperaturerhöhung bis zu 50K betragen kann, wird der Erhärtungsvorgang und damit die Druckfestigkeit durch die Hydratation entscheidend beeinflusst.

Bild 2.11 Temperaturfeld in einer Betonmauer durch die Hydratationswärme eines Zementes [65]

Bild 2.12 Eigenspannungen infolge eines Temperaturgradienten a.) konstante Nullspannungstemperatur und konvex gekrümmter Temperaturgradient b.) Nullspannungstemperaturgradient und Temperaturgradient konvex gekrümmt [33]

2.4.2 Bestimmung der Hydratationswärme

In der Regel wird die gesamte freiwerdende Hydratationswärmemenge einer Betonrezeptur experimentell bestimmt [50].

Änderungen des physikalischen oder chemischen Zustandes eines Stoffes werden isotherm genannt, wenn diese bei gleich bleibender Temperatur stattfinden, d.h. es muss entsprechend der chemischen und/oder physikalischen Reaktion Wärme zu- oder abgeführt werden. Ganz im Gegensatz dazu steht die adiabatische Entwicklung, bei der keine Wärme zwischen dem Stoff und der Umgebung ausgetauscht wird. Entsprechende Reaktionswärme wird vollständig zur Temperaturerhöhung des Stoffes genutzt. Beispielhaft dafür ist die Wärmeentwicklung im Innern von sehr massiven Betonbauteilen, solange der Wärmeabfluss vernachlässigbar klein gegenüber der entstehenden Wärmemenge bleibt. Dabei lässt sich fast eine Proportionalität zwischen der Temperatur im Innern und der freigesetzten Wärmemenge feststellen.

2.4 Hydratationswärme 11

Stellt man übliche Bauteilabmessungen her, dann verläuft die Hydratation weder unter adiabatischen noch unter isothermen Bedingungen. Man spricht hier von einer „teiladiabatischen“ Bedingung. Bild 2.13 zeigt, dass der teiladiabatische Vorgang nur die schnelle Anfangsreaktion des adiabatischen mitmacht und sich dann ein Gleichgewicht zwischen entstehender und abfließender Wärmemenge einstellt.

Bild 2.13 Zeitliche Entwicklung der Hydratationswärme bei einem PZ 35F unter isothermen und adiabatischen Bedingungen und möglicher Temperaturverlauf bei verschiedenen Wärmeabflussbedingungen [20]

So stellt sowohl die adiabatische als auch die isotherme Bedingung einen Grenzwert dar, welcher im Regelfall unter baupraktischen Gesichtspunkten nicht überschritten wird, sofern die Umgebungsbedingungen nicht einen Temperaturverlauf unter des isothermen Bereiches erzwingen.

Alle drei Versuchsarten eignen sich prinzipiell zum Einsatz bei der Temperaturberechnung, wenn die Art und Weise der Versuchsdurchführung berücksichtigt wird. Trotz Verwendung von Zement und Zuschlag aus ein- und derselben Lieferung und unter genauer Vorgabe des Mischungsverhältnisses und der Temperatur, konnten Koenders und van Breugel in [26] erhebliche messtechnische Abweichungen feststellen. Acht teilnehmende Labore sollten den adiabatischen Temperaturverlauf bestimmen. Hierbei trat eine Differenz zwischen Maximal-und Minimalwert für die Erwärmung von 8,8°C auf. Bezogen auf den Mittelwert ergab die statistische Auswertung eine Standardabweichung von 3.8°C bzw. einen Streubereich für 90% der Messkurven von ± 6.2°C.

Berücksichtigt man nun baupraktische Herstellungsbedingungen und verschiedene Lieferungen unterschiedlicher Zementhersteller, so zeigt sich, dass das tatsächliche Hydratationsgeschehen nur noch näherungsweise den Laborergebnissen entspricht. Dementsprechend geben auch Jonasson und andere einen „natürlichen Variationskoeffizient” der Zementeigenschaften in der Größenordnung von 10 % an [24].

2.4.3 Größe der Hydratationswärme von Zement

Die gesamte Wärmemenge, welche vom Zement während der Hydratation freigesetzt wird, kann analytisch als Summe der freigesetzten Reaktionsenergien der einzelnen Klinkerphasen nach folgender Gleichung berechnet werden [10].

2.4 Hydratationswärme 12

Q Z % in [kJ/kg] (Gl. 2.1)

4 3 2 3

Oft wird dabei die gesamte produzierte Wärmemenge nicht auf die Zementmasse, sondern auf das Betonvolumen bezogen. Eine Umrechnung mit dem Zementgehalt Z erfolgt dann mit:

[ ] [ ] [ ]

− ⋅ − = − ³ Zement kg kJ Q Beton m kg Z Beton m kJ Q / (Gl. 2.2)

Z

Von Czernin [10] sind sowohl die Beiwerte a bis d für verschiedene Altersstufen entsprechend Tab. 2.1 als auch die Hydratationswärme und die Gewichtsanteile der einzelnen Klinkerphasen angegeben (s. Tab 2.2 und Bild 2.14).

Bei vollständiger Hydratation wird aus Zement (Portlandzement) bei isothermer Lagerung eine Wärmemenge zwischen 375 bis 525 kJ/kg frei. Druckfestigkeit und Hydratationswärme stehen dabei in einem engen Zusammenhang, wie an Bild 2.15 zu erkennen ist.

Tab. 2.1 Beiwerte a-d zur Berechnung der gesamten Wärmemenge nach [10]

Tab. 2.2 Hydratationswärme und Anteil der Klinkerphasen im Portlandzementklinker [10]

Aus der Differenz zwischen entstehender und abfließender Hydratationswärme lässt sich nun die Höchsttemperatur im Bauteil bestimmen, wodurch ein teiladiabatischer Temperaturverlauf „entsteht“. Da die Temperaturentwicklung von vielen Faktoren abhängig ist, (u. a. chemische Zusammensetzung des Zementes, Mahlfeinheit, W/Z-Wert, Bauteildicke, Zementgehalt, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Betons, Frischbetontemperatur, Kühlungsmaßnahmen) muss eine genaue Vorhersage, selbst unter Verwendung verfeinerter Rechenmodelle, mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sein.

2.4 Hydratationswärme 13

Unter adiabatisch gemessenen Verhältnissen lässt sich eine höhere Hydratationswärme als unter isothermen ermitteln. Schon nach zwei bis drei Tagen entwickelt ein Zement unter adiabatischen Bedingungen die Wärmemenge, welche bei isothermen Verhältnissen erst im Verlauf von etwa 7 Tagen freigesetzt wird. Bild 2.15/16 zeigt die freiwerdende Hydratationswärme verschiedener Zemente unter adiabatischen Bedingungen bis zu 7 Tagen.

Bild 2.14 Hydratationswärmeentwicklung der einzelnen Klinkerphasen und der Hochofenschlacke [26, 53]

Bild 2.15 Hydratationswärme verschiedener Zemente in Abhängigkeit von der erreichten Druckfestigkeit nach Spohn [20]

Bild 2.16 Hydratationswärme (adiab.) verschiedener Zementarten [65]

2.4.4 Hydratationsgrad

Es hat sich gezeigt, dass aufgrund der verschiedenen Ausgangsbedingungen die Zeit kein geeigneter Parameter zur Klassifizierung des Hydratationsfortschrittes ist. In der Literatur wur- den deshalb viele Vorschläge zur Definition eines dimensionslosen Beiwertes gemacht, der

2.5 Ansätze für den Hydratationsfortschritt 14

als Hydratationsgrad α bezeichnet wird. Die gebräuchlichste Definition ist das Verhältnis der

bis zum betrachteten Zeitpunkt t freigesetzten Hydratationswärmemenge zur gesamten Hydratationswärmemenge bei vollständig abgeschlossener Hydratation.

Folgende Definitionen von α sind in der Literatur ebenfalls gebräuchlich:

Erst nach mehreren Jahren wird theoretisch ein Hydratationsgrad von α = 1 erreicht; bei sehr massiven Bauteilen eventuell erst nach Jahrzehnten. Im Allgemeinen kann der Hydratationsprozess aber schon früher als abgeschlossen gelten. Während die Wärmeproduktion bereits nach wenigen Tagen fast abgeschlossen ist, verändern sich die mechanischen Parameter wie E-Modul und Zug- bzw. Druckfestigkeit noch über einen wesentlich längeren Zeitraum hinweg. Bild 2.17 veranschaulicht diese Entwicklung unter frühem Zwang.

Bild 2.17 Entwicklung von Temperatur, Zugfestigkeit, Zwangspannung und Rissrisiko bei frühem Zwang [45]

2.5 Ansätze für den Hydratationsfortschritt

2.5.1 Empirische Ansätze

Liegen experimentelle Ergebnisse zur Hydratationswärmeentwicklung nicht vor, so muss ein rechnerischer Ansatz für den Ablauf der Hydratation als Berechnungsgrundlage formuliert werden. Für die Umsetzung in ein Rechenprogramm wären mathematische Funktionen notwendig und eine analytische Herleitung ausschließlich aus der Chemie ist bei einem struktu- rell derart inhomogenen Baustoff wie Beton auf absehbare Zeit nicht möglich.

2.5 Ansätze für den Hydratationsfortschritt 15

Aus unzähligen Versuchsergebnissen wurden empirische Formeln abgeleitet, die aber oft aufgrund ihrer Komplexität den Eindruck mathematischer Exaktheit vortäuschen. Von verschiedenen Autoren wurden mathematisch vollkommen unterschiedliche Ansätze angegeben, die graphisch aufgetragen häufig einen sehr ähnlichen Kurvenverlauf repräsentieren.

2.5.2 Wirksames Betonalter

Damit die unterschiedlichen Hydratationsbedingungen eine einheitliche Bezugsgröße erhalten,

wurde das fiktive wirksame Betonalter W

Diese Größe ist so definiert, dass ein isotherm ablaufender Prozess bei ϑ = konst. = 20°C nach der realen Zeit t = W

t ≠ . Es wird die Zeitachse so verzerrt, dass die Bedingungen liebige Prozess nach der Zeit t

W

eines äquivalenten isothermen Referenzprozesses bei 20°C gelten (s. Bild 2.18).

τ nach Gutsch [16] Bild 2.18 Wärmefreisetzung Q und wirksames Betonalter W

τ wird im Allgemeinen als Integral einer temperaturabhängigen Reifefunktion ( ) ϑ über die g

W

reale Zeit t definiert; am häufigsten werden die Reifefunktionen nach Saul und Freiesleben verwendet.

Saul: