Technische Universität Darmstadt
Institut für Massivbau
Baustoffe, Bauphysik, Bauchemie

Baustoffkreislauf im Massivbau
Teilprojekt G/01

Industrielle Betonherstellung zur Erstellung von Bauwerken unter Verwendung von Beton mit Sekundärzuschlägen aus Bauschutt
(Demonstrationsbauvorhaben)

Zwischenbericht
Stand September 1998

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Peter Grübl
Dipl.-Ing. A. Nealen

BETONHERSTELLUNG

Stand der Arbeiten

Der Rohbau des Bürogebäudes [1] wurde Ende Februar 1998 fertiggestellt. Die letzte Betonlieferung erfolgte am 10.2.98. Insgesamt wurden 461 m³ Beton mit rezykliertem Zuschlag eingebaut.

Mischungszusammensetzung für die Eignungsprüfung

Die eingesetzte Betonmischung ist in Tabelle 1 aufgezeigt. Nach der DAfStb-Richtlinie: Beton mit rezykliertem Zuschlag vom August 1998 [2] dürfen bis zu 33 % des Gesamtzuschlags bei einem B 35 für Innenbauteile ausgetauscht werden. Bei dem Bauobjekt Vilbeler Weg kam ausschließlich Rezyklat zum Einsatz, wobei die Fraktionen > 2 mm aus aufbereitetem Betonsplitt bestehen. Für die Fraktion < 2 mm wurde ein Bauaufsichtlich zugelassener Recyclingsand verwendet. Verwendungszweck und Prüfumfang der Eigenüberwachung ist in der Zustimmung im Einzelfall geregelt.

Für die Laborversuche zur Eignungsprüfung wurden die Zuschlagsfraktionen 2/8 und 8/16 in kernfeuchtem Zustand verwendet (maximale Kernfeuchte, keine Oberflächenfeuchte), um feuchte Wetterbedingungen an der Mischanlage zu simulieren.

Nach einer 24 stündigen Unterwasserlagerung wurde der rezyklierte Zuschlag mattfeucht abgetrocknet. Die Gewichtszunahme wurde ermittelt woraus sich eine Gesamtkernfeuchte von ca. 4,7 M.-% bezogen auf den trockenen Zuschlag ergab, bei einem Rezyklatanteil von 1113 kg/m³ also etwa 52 kg/m³ an Porenwasser (Tabelle 1). Dieser Wert entspricht nach der Definition dem 24 stündigen Saugwasser (w_24h), welcher nach der Richtlinie [2] auf maximal 10 M.-%, bezogen auf den trockenen Zuschlag, begrenzt ist. Der Bauaufsichtlich zugelassene Recyclingsand wies kein ausgeprägtes Saugverhalten auf.

Eine weitergehende Messung der Wasseraufnahme jenseits des 24 Stunden Wertes zeigte keine signifikante Zunahme des Meßergebnisses. Dementsprechend kann der 24 Stunden Wert der Wasseraufnahme als die maximal aufnehmbare Kernfeuchte definiert werden (w_24h = w_a,max).

Wasserdosierung

Die Zugabewassermenge an der Mischanlage (w_d) wurde bei 170 kg/m³ konstant gehalten, unter Berücksichtigung der Sandfeuchte, die kapazitiv erfaßt und in das Dosierprogramm eingespeist wurde. Die vorhandene Kernfeuchte im Betonsplitt an der Mischanlage (w_a,p) variierte aufgrund wechselnder Wetterbedingungen. Bei einer Kernfeuchtesättigung (w_a,p = w_a,max) an feuchten Tagen entspricht der wirksame Wasserzementwert etwa w_wirks/(z+0,4·f) = 170/(310+0,4·40) = 0,52. Bei starkem Regen kann der Betonsplitt > 2 mm nachdem die Poren gesättigt sind zusätzlich noch etwa 2,3 % Oberflächenfeuchte an sich binden, was zu einem freien Wassergehalt von 196 kg/m³ und einem wirksamen Wasserzementwert von w_wirks/(z+0,4·f) = 0,60 führt. Dieser Wert stellt den höchstmöglichen wirksamen Wasserzementwert dar, somit die Betonmischung mit der geringsten Festigkeit. Die Angestrebte Betonfestigkeit b _w28 sollte in diesem Fall bei etwa 40 N/mm² liegen, dies wurde durch die Meßergebnisse bestätigt. Bei allen anderen Wetterbedingungen wird der Anteil des wirksamen Wassergehaltes (w_wirks) in der Mischung reduziert und die Festigkeit erhöht. Die veränderliche Kernfeuchte (w_a,p) führte zu einer Variation des wirksamen Wassergehaltes, der Ausgangskonsistenz, des Ansteifverhaltens (etwas stärkeres Ansteifen bei trockenem Zuschlag) und der Druckfestigkeit. Das Volumen und die Mischungsproportionen wurden ebenfalls vom Saugverhalten des Betonsplitts beeinflußt.

Konsistenzschwankung und Konsistenzkorrektur

Nach dem Mischen (t = 10 Min.) hatte der Frischbeton ein Ausbreitmaß zwischen 38 cm und 50 cm je nach vorhandener Gesamtfeuchte des Betonsplitts. Anschließend wurde der Beton mit einer Fahrzeit von ca. 20-30 Minuten zur Baustelle transportiert.

Für den Einbau wurde von der Bauleitung ein Ausbreitmaß von 55 cm gefordert, weshalb eine Konsistenzkorrektur mit Fließmittel auf der Baustelle Durchgeführt wurde. Die erforderliche Menge an Fließmittel wurde bei Ankunft auf der Baustelle anhand der einzustellenden Konsistenzveränderung D a ermittelt (siehe Bild 1). Aufgrund der schwankenden Konsistenz variierte die erforderliche Fließmittelmenge zwischen 5 ml/kgZ und 18 ml/kgZ. Die in Bild 1 dargestellte Dosieranweisung ist in der Richtlinie: Beton mit rezykliertem Zuschlag, Teil 1, Abschnitt 4 im Rahmen der erweiterten Eignungsprüfung gefordert [2]. Die dargestellte Gerade gilt jeweils nur für ein bestimmtes Fließmittelprodukt.

DURCHGEFÜHRTE FESTBETONUNTERSUCHUNGEN

Probenhäufigkeit

Pro Betoniertag und pro 25 m³ Beton wurde eine Serie von drei Würfeln mit 150 mm Kantenlänge sowohl direkt nach dem Mischen (t = 10 Min.) auf der Transportbetonanlage als auch auf der Baustelle nach Fließmitteldosierung und Durchmischung (t = 60 Min.) hergestellt. Eine Auflage der Zustimmung im Einzelfall war, den in der DIN 1084, Teil 3 gefordertem Prüfumfang zu verdoppeln. Bei einer B II Baustelle sind nach DIN 1084, Teil 3 pro Geschoß zwei Serien à drei Würfel herzustellen. Der doppelte Umfang wäre in diesem Fall (fünf Geschosse) 20 Würfelserien. Insgesamt wurden 26 unabhängige Würfelserien hergestellt, auf ihre Druckfestigkeit hin untersucht und statistisch ausgewertet [3].

Druckfestigkeit

Bild 2 zeigt die Dichteverteilung der Druckfestigkeiten bei Annahme einer Standardnormalverteilung sowohl auf der Mischanlage (t = 10 Min.) als auch auf der Baustelle nach Fließmittelzugabe (t = 60 Min.).

Im direkten Vergleich zu den Ergebnissen des letzten Statusseminars im Februar 1998 [4], wo erst 17 Würfelserien ausgewertet waren, wird ersichtlich, daß die Streuung der Meßergebnisse auf der Baustelle geringer geworden ist (Tabelle 2). Die Prüfstreuung innerhalb einer Würfelserie ist mit maximal 2,1 N/mm² von Größt- zu Kleinstwert gering. Die Tatsache, daß die Zusammensetzung und die Trockenrohdichte des Betonsplitts über den gesamten Produktionszeitraum fast konstant waren läßt darauf schließen, daß die Streuung der Meßwerte nicht in erster Linie auf die Qualität des Zuschlags zurückzuführen ist.

Der Großteil der Streuung steht in direktem Zusammenhang mit der variierenden Kernfeuchte (w_a,p) des Betonsplitts. Der unterschiedliche wirksame Wassergehalt (w_wirks) im Zementmörtel beeinflußt die Konsistenz, welche, zu einem festen Zeitpunkt gemessen, ein Maß für die erreichbare Druckfestigkeit der jeweiligen Mischung ist. Diese Korrelation wird aus Bild 3 ersichtlich. Obwohl die Kernfeuchte des Betonsplitts bei der Wasser- und Zuschlagsdosierung nicht Berücksichtigt wurde, beträgt die Standardabweichung der Meßergebnisse lediglich 3,01-4,23 N/mm² (Tabelle 2). Diese Werte werden in [5] als ‘sehr gut’ bezeichnet.

Analog zur Korrelation zwischen Druckfestigkeit und Ausbreitmaß, zeigt der Zusammenhang zwischen erforderlicher FM-Zugabe und Druckfestigkeit eine ähnliche Korrelation auf: Je höher die erreichte Druckfestigkeit, desto niedriger das Ausbreitmaß nach 30 Minuten und desto mehr Fließmittel erforderlich, um ein gefordertes Ausbreitmaß von 55 cm zu erreichen (siehe Bild 4).

ZUSAMMENFASSUNG

Das Demonstrationsbauvorhaben Vilbeler Weg zeigt, daß das vorgestellte Produktionskonzept anwendbar ist, wenn qualitativ hochwertiger Betonsplitt eingesetzt wird. Um einen Beton herstellen zu können, dessen Qualität dieselbe ist, wie die von Beton mit natürlichem Zuschlag, müssen einige Parameter und Grenzen Berücksichtigung finden:

• Da die Wasseraufnahme des verwendeten Betonsplitts aufgrund seiner hohen Rohdichte relativ gering war, war es immer möglich die gewünschte Konsistenz durch FM-Zugabe einzustellen. Dies wäre bei rezykliertem Zuschlag mit geringerer Rohdichte und höherem Wasseraufnahmevermögen nicht möglich. Die Konsistenzdifferenz zwischen trockenem und kernfeuchtegesättigtem Zuschlag könnte nicht allein mit Fließmittel kompensiert werden.
• Der je nach Wetterbedingungen unterschiedliche wirksame Wasserzementwert führte zu einer stärkeren Streuung der Druckfestigkeitsergebnisse. Analog zu Punkt 1 würde ein rezyklierter Zuschlag mit einer größeren Wasseraufnahme die Berücksichtigung der Kernfeuchte bei der Zuschlag- und Wasserdosierung erforderlich machen, um einen konstanten wirksamen Wasserzementwert zu erhalten und somit die Streuung der Druckfestigkeit zu minimieren.
• Das Volumen und die Mischungsproportionen des hergestellten Betons variierten ebenfalls infolge unterschiedlicher Mengen absorbierten Wassers. Diese Tatsache fiel vor allem bei großen Abrufmengen ins Gewicht und muß dementsprechend bei der Einwaage Berücksichtigung finden, um die Liefermenge zu garantieren.

Die Differenz des freien Wassergehaltes (w_wirks) pro m³ Beton zwischen trockenem und kernfeuchtegesättigtem Zuschlag beträgt:

mit:

Um die erfolgreiche Anwendung des vorgestellten Produktionskonzepts gewährleisten zu können, sollte also das w_wirks  auf einen Wert von maximal w_wirks = 53 kg/m³ begrenzt werden. Wird dieser Wert von der aufgestellten Mischung überschritten, so müssen Korrekturmaßnahmen getroffen werden, wie oben beschrieben, um eine konstante Qualität zu erhalten. Untersuchungen hinsichtlich Alternativen Produktionskonzepten, welche auf Betonmischungen mit w_wirks,max > 53 kg/m³ anwendbar sind, sind in Bearbeitung.

LITERATUR