„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.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Aktueller Stand der Forschung
1.2.1 Überblick
1.2.2 Experimentelle Methoden und numerische Verfahren
1.2.3 Materialverhalten
1.2.4 Bemessungsmodelle für Temperaturzwang
2. HYDRATATIONSKINETIK
2.1 Einleitung
2.2 Ausgangsstoffe und Hydratationsprodukte
2.3 Chemische Vorgänge während der Hydratation
2.3.1 Ausgangsstoff Zementklinker
2.3.2 Hydratationsphasen und Hydratationschemie
2.3.3 Strukturänderung
2.3.4 Einfluss von Zusatzmitteln auf die Hydratationskinetik
2.4 Hydratationswärme
2.4.1 Allgemeines
2.4.2 Bestimmung der Hydratationswärme
2.4.3 Größe der Hydratationswärme von Zement
2.4.4 Hydratationsgrad
2.5 Ansätze für den Hydratationsfortschritt
2.5.1 Empirische Ansätze
2.5.2 Wirksames Betonalter
2.6 Vergleich und Wertung der Ansätze für den zeitlichen Verlauf der Hydratation
2.6.1 Allgemeines
2.6.2 Vergleich der Reifefunktion
2.6.3 Vergleich der Ansatzfunktionen für den Hydratationsfortschritt
3. THERMODYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN HYDRATISIERENDEN BETONS
3.1 Allgemeines
3.2 Thermische Werkstoffeigenschaften
3.2.1 Wärmeleitzahl
3.2.2 Spezifische Wärmekapazität
3.3 Hydratationsabhängigkeit der elastischen Werkstoffeigenschaften
3.3.1 Spannungs-Dehnungs-Beziehung
3.3.2 Temperatur-Spannungs-Verlauf
3.3.3 Temperaturdehnzahl
3.3.4 Elastizitätsmodul und Querdehnzahl
3.3.5 Festigkeitsentwicklung
3.3.6 Lastunabhängige Dehnungen: Quellen und Schwinden
3.3.7 Schwinden nach EC2
3.4 Hydratationsabhängigkeit der bruchmechanischen Werkstoffeigenschaften
3.4.1 Einaxiale Druckfestigkeit
3.4.2 Einaxiale Zugfestigkeit
4. MESSTECHNISCHE PRÜFVERFAHREN
4.1 Allgemeines
4.2 Prüfverfahren und Versuchseinrichtungen
4.2.1 Isothermes Prüfverfahren
4.2.2 Adiabatisches Prüfverfahren
4.2.3 Teiladiabatisches Prüfverfahren
4.2.3.1 Messprinzip und Prüfgerät
4.2.3.4 Ermittlung der Temperatur des frischen und des erhärtenden Betons
5. KRIECHEN TEMPERATUR- UND ZWANGBEANSPRUCHTER BAUTEILE
5.1 Allgemeines
5.2 Kriechkomponenten
5.2.1 Kriechanteile
5.2.1 Zeitabhängige Verformung bei konstanter Spannung
5.3 Einflussfaktoren auf die Größe und den Verlauf der Kriechverformung
5.3.1 Einfluss von Zementart, –menge und Mahlfeinheit
5.3.2 Einfluss des W/Z-Wertes
5.3.3 Einfluss der Zuschlagsart
5.3.4 Einfluss des Belastungsalters
5.3.5 Einfluss des Belastungsalters und der Belastungsdauer auf das Kriechen bei normalen und erhöhten Temperaturen
5.3.6 Einfluss des Belastungsgrades
5.3.7 Einfluss der Belastungsdauer
5.3.8 Einfluss unterschiedlicher Feuchtebedingungen
5.4 Funktionen zur Beschreibung des zeitlichen Kriechverlaufes
5.4.1 Kriechzahl
5.4.2 Kriechfunktionen
5.4.3 Kriechfunktion nach EC2
5.5 Kriechmodelle in Abhängigkeit vom Hydratationsgrad
5.5.1 Allgemeines
5.5.2 Ansatz nach Laube
5.5.3 Ansatz von Gutsch
5.5.4 Vergleich der Modelle von Laube und Gutsch
5.5.5 Kriecheinflussberechnung (FEM) durch Einwirkung einer Hydratationswärmequelle
6. MESSKONZEPT UND AUSSAGEN ZUM STANDORT
6.1 Allgemeines
6.2 Art der Messungen - Messgeber
7. AUSWERTUNG DER MESSERGEBNISSE UND MODELLDARSTELLUNG
7.1 Autogenes Schwinden
7.2 Verformungen des sehr jungen Betons
7.3 Modelldefinition und Kalibrierung an bestehende Messergebnisse
7.4 Auswirkungen der Temperatur auf den Dehnungsverlauf
7.5 2. Modell – Japanisches Institut für Technologie
7.6 Weitere Beispiele verschiedener Schwindmessungen
8. ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung & Themen
Die Studienarbeit untersucht die Temperatur- und Dehnungsentwicklung von Ortbetonpfählen während der Hydratationsphase. Ziel ist es, den Einfluss von Hydratationswärme, Kriechdehnungen und Schwindprozessen auf den Spannungszustand in massiven Bauteilen zu analysieren und ein Modell zur Vorhersage dieser mechanischen Zustandsgrößen zu entwickeln bzw. bestehende Ansätze kritisch zu bewerten.
- Hydratationskinetik und Wärmefreisetzung in Zementen
- Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf das Materialverhalten
- Modellierung von Kriechvorgängen und Schwinden (autogenes vs. Austrocknungsschwinden)
- Experimentelle Messmethoden (Schwingsaiten-Messgeber) in situ
- Analyse und Kalibrierung numerischer Berechnungsmodelle anhand von Messergebnissen
Auszug aus dem Buch
2.3.2 Hydratationsphasen und Hydratationschemie
Portlandzement enthält als Hauptbestandteile etwa 50-70% C3S, 10-20% C2S, 5-10% C3A, einige Prozent C4AF 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.
Erste Phase: C3A-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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Problemstellung der Rissbildung in massiven Betonbauteilen infolge Hydratation und den aktuellen Stand der Forschung.
2. HYDRATATIONSKINETIK: Erläutert die chemischen Grundlagen, die Entstehung von Hydratationswärme sowie verschiedene mathematische Ansätze zur Modellierung des Hydratationsfortschritts.
3. THERMODYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN HYDRATISIERENDEN BETONS: Analysiert thermische und elastische Werkstoffeigenschaften, insbesondere in Abhängigkeit vom Hydratationsgrad sowie Phänomene wie Quellen und Schwinden.
4. MESSTECHNISCHE PRÜFVERFAHREN: Stellt experimentelle Methoden zur Bestimmung der Hydratationswärme vor und vergleicht isotherme, adiabatische und teiladiabatische Verfahren.
5. KRIECHEN TEMPERATUR- UND ZWANGBEANSPRUCHTER BAUTEILE: Untersucht das viskoelastische Verhalten, Kriechkomponenten und Einflussfaktoren auf die Kriechverformung bei jungen und erhärtenden Betonen.
6. MESSKONZEPT UND AUSSAGEN ZUM STANDORT: Beschreibt das spezifische Messkonzept für die Doppelsparschleuse Hohenwarthe und die eingesetzten Messgeber zur Überwachung der Pfähle.
7. AUSWERTUNG DER MESSERGEBNISSE UND MODELLDARSTELLUNG: Präsentiert die Analyse der in-situ gemessenen autogenen Schwind- und Dehnungswerte und die Kalibrierung der gewählten Berechnungsmodelle.
8. ZUSAMMENFASSUNG: Bietet eine kritische Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse und Empfehlungen für zukünftige Berechnungsansätze im Massenbetonbau.
Schlüsselwörter
Hydratation, Betonpfähle, Zement, Hydratationswärme, Rissrisiko, Kriechverhalten, Schwinden, Druckfestigkeit, E-Modul, Temperaturspannung, Messtechnik, Hydratationsgrad, Temperaturzwang, Baustoffkunde.
Häufig gestellte Fragen
Worum es in der Arbeit grundsätzlich geht?
Die Arbeit behandelt die Untersuchung des thermischen und mechanischen Verhaltens von Ortbetonpfählen während der kritischen Hydratationsphase, um Rissbildungen bei massiven Bauteilen zu verstehen und zu minimieren.
Was die zentralen Themenfelder sind?
Die Schwerpunkte liegen auf der Hydratationskinetik, den thermodynamischen Stoffeigenschaften des jungen Betons, dem viskoelastischen Kriechverhalten sowie der praktischen Anwendung von in-situ Messtechnik und numerischen Modellen.
Was das primäre Ziel oder die Forschungsfrage ist?
Das Ziel ist die Analyse der Temperatur- und Dehnungsentwicklung, um fundierte Aussagen über die Rissgefährdung zu treffen und ein zuverlässiges Modell zur Bemessung in der Planungsphase zu stützen.
Welche wissenschaftliche Methode verwendet wird?
Es werden eine tiefgehende Literaturrecherche, die Auswertung experimenteller Labordaten zur Hydratationswärme sowie die Analyse und Kalibrierung in-situ gewonnener Messdaten von Gründungspfählen kombiniert.
Was im Hauptteil behandelt wird?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen der Betontechnologie, die detaillierte Beschreibung messtechnischer Verfahren zur Erfassung der Wärmeentwicklung sowie die spezifische Auswertung von Messdaten zum autogenen Schwinden und Kriechverhalten.
Welche Schlüsselwörter die Arbeit charakterisieren?
Zentrale Begriffe sind Hydratationswärme, Betonpfähle, Kriechverhalten, autogenes Schwinden, Temperaturspannung, Festigkeitsentwicklung und numerische Modellanpassung.
Wie beeinflusst die Frischbetontemperatur den Hydratationsverlauf laut Dokument?
Eine Verringerung der Frischbetontemperatur führt allgemein zu einem späteren Einsetzen der Hydratationswärmeentwicklung, wobei jedoch bei tieferen Temperaturen der erreichte Endwert der Temperaturerhöhung höher ausfallen kann.
Warum ist der Einsatz von Messgebern bei der Schleuse Hohenwarthe relevant?
Die kombinierte Pfahl-Plattengründung der Schleuse ist hohen zyklischen Belastungen ausgesetzt, weshalb genaue Kenntnisse über den Dehnungs- und Temperaturverlauf zur Überwachung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit erforderlich sind.
- Quote paper
- Stefan Burghardt (Author), 2002, Temperatur- und Dehnungsentwicklung bei der Hydratation von Ortbetonpfählen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/5960
