DE102008031852A1 - Stability and density optimizing method for cement stone matrix of concrete, involves determining reference value of compression strength and pore structure based on concrete, and determining minimum water film thickness of specific value - Google Patents

Stability and density optimizing method for cement stone matrix of concrete, involves determining reference value of compression strength and pore structure based on concrete, and determining minimum water film thickness of specific value Download PDF

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Abstract

The method involves determining a reference value of compressive strength and pore structure at a base concrete. A packing density of the base concrete is determined. An output water film thickness is determined on the basis of packing density and granulometry with water content of the base concrete. Another reference value of compression strength and the pore structure are determined based on a concrete according to determined film thickness. A minimum water film thickness in the range of 0.001 and 0.3 micro meter is determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Festigkeit und Dichtigkeit der Zementsteinmatrix eines Betons.The The present invention relates to a method for optimizing the Strength and tightness of the cement stone matrix of a concrete.

Der Baustoff Beton stellt sich im Wesentlichen als ein Dreistoffsystem dar, bestehend aus dem Bindemittel Zement, Wasser und einer Gesteinskörnung. Durch die Reaktion des Zements mit dem Wasser entstehen die festigkeitsbildenden C-S-H-Phasen. Bekannt ist, durch Zugabe von reaktiven Feinstoffen, sogenannten Zusatzstoffen wie Silicastäuben, Flugaschen usw. entweder die Festigkeit des Betons weiter zu steigern, oder bei gleichen Festigkeitswerten Zement einzusparen. Durch die Zugabe solcher reaktiver Feinstoffe wird die Zementsteinmatrix durch ein Reaktionsprodukt aus Wasser und Zement sowie von reaktiven Feinstoffen mit einem Durchmesser < 0,125 mm festigkeitsfördernd beeinflusst.Of the Concrete as a construction material essentially presents itself as a ternary system consisting of the binder cement, water and an aggregate. Due to the reaction of the cement with the water, the strength-forming C-S-H-phases. It is known, by adding reactive fines, so-called additives such as silica dusts, fly ash etc. either to further increase the strength of the concrete, or save cement at the same strength values. By the addition of such reactive fines, the cemented stone matrix is replaced by a Reaction product of water and cement as well as reactive fines with a diameter <0.125 mm strength-promoting influenced.

Bekannt ist ebenfalls, den Diffusions- und Eindringwiderstand eines Betons gegen Gase, Wasser und Beton angreifende Flüssigkeit, wie z. B. sulfathaltige Lösungen oder Säuren dadurch zu erhöhen, dass das Verhältnis zwischen Wasser und Zement (w/z-Wert) vermindert wird. Das heißt, durch eine Verminderung des Wasseranteils kann eine Erhöhung des Diffusions- und Eindringwiderstands gegen Gase, Wasser und andere Beton angreifende Flüssigkeiten erzielt werden.Known is also the diffusion and penetration resistance of a concrete against liquid, water and concrete attacking liquid, such as z. As sulphate-containing solutions or acids characterized to increase that ratio between water and cement (w / c value) is reduced. That is, through a reduction of the water content can be an increase Diffusion and penetration resistance to gases, water and other concrete attacking liquids can be achieved.

Wie bereits an anderer Stelle erörtert ist bekannt, durch die Zugabe von reaktiven Feinstoffen die Festigkeit der Zementsteinmatrix zu erhöhen, mithin die Festigkeit des Betons insgesamt. Bekannt ist in diesem Zusammenhang, den Zement zu immer gleichen Gewichtsteilen durch den reaktiven Zusatzstoff auszutauschen, wobei allerdings immer nur ein ganz bestimmter Anteil des Zusatzstoffes als zementäquivalent angerechnet werden darf. Bei Flugaschen (puzzolanisch reaktive Feinstoffe) dürfen beispielsweise nur 40 Masseprozent der verwendeten Flugasche angerechnet werden, während bei dem hochreaktiven Silicastaub 100 Masseprozent angerechnet werden können.As already discussed elsewhere is known by the Addition of reactive fines the strength of the cement stone matrix To increase, therefore, the strength of the concrete as a whole. It is known in this context, the cement always the same Parts by weight to replace the reactive additive, wherein but only a very specific proportion of the additive may be counted as cement equivalent. When fly ash (pozzolanically reactive fines) may, for example only 40% by mass of the used fly ash are counted, while the highly reactive silica fume 100 percent by mass can be counted.

Nachteilig bei der Verwendung von reaktiven Stoffen, insbesondere Silicatstaub, ist, dass diese reaktiven Stoffe, wenn sie Zement zu 100% ersetzen können, relativ teuer sind. Flugasche ist vergleichsweise billig, es darf jedoch auch nur – wie bereits oben ausgeführt – bis zu 40 Masseprozent der verwendeten Flugasche angerechnet werden.adversely when using reactive substances, in particular silicate dust, is that these reactive substances when they replace cement to 100% can, are relatively expensive. Fly ash is comparatively cheap, but it may only - as stated above - until to 40% by mass of the used fly ash.

Aus der US 5,527,387 A ist insofern ein Beton bekannt, der eine Zusammensetzung von Anteilen an Zement, Sand, groben Gesteinskörnungen, Wasser, Flugasche, Wasserreduktoren, Luftporenbildnern und Füllstoffen aufweist, um bei Festlegung bestimmter Masseanteile die Betonmischung mit einer bestimmten Druckfestigkeit, Ausbreitmaß und minimalen Kosten herzustellen. Wesentlich hierbei ist, dass wiederum reaktive Stoffe, insbesondere Flugasche und Silicastaub, zum Einsatz kommen.From the US 5,527,387 A In this respect, a concrete is known which has a composition of proportions of cement, sand, coarse aggregates, water, fly ash, water reducers, air entraining agents and fillers in order to produce specific mass fractions the concrete mixture with a certain compressive strength, slump and minimum cost. It is essential here that, in turn, reactive substances, in particular fly ash and silica fume, are used.

Aus der US 2006/0287773 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung von Betonzusammensetzungen mit einem computergestützten Verfahren bekannt, welches eine Vielzahl von Zusammensetzungen errechnet und im Hinblick auf die Festigkeit virtuell testet. Hierbei wird ein sogenannter K-Faktor einführt. Allerdings wird hierbei die Packungsdichte nur zweidimensional berechnet, wobei nicht genau bestimmt werden kann, wie die Hohlräume ausgefüllt werden können. Das Verfahren hat außerdem den Nachteil, das es überaus aufwändig ist.From the US 2006/0287773 A1 For example, a method of optimizing concrete compositions with a computerized method is known which calculates a variety of compositions and tests them virtually in terms of strength. Here, a so-called K factor is introduced. However, in this case the packing density is only calculated two-dimensionally, whereby it can not be determined exactly how the cavities can be filled. The method also has the disadvantage that it is very expensive.

Bei der Entwicklung von ultrahochfestem Beton, UHPC-Beton, hat sich gezeigt, dass die Dichtigkeit und Festigkeit von Zementstein dadurch erhöht werden kann, dass die Packungsdichte des Feinkorns optimiert wird, so dass der zwischen dem Feststoff verbleibende Hohlraum minimiert wird.at The development of ultra-high strength concrete, UHPC concrete, has become demonstrated that the tightness and strength of cement stone thereby can increase that the packing density of the fine grain is optimized so that the remaining between the solid Cavity is minimized.

Außer Acht gelassen wurde in diesem Zusammenhang allerdings der Einfluss der Wasserfilmdicke und der spezifischen Oberfläche auf die zu erreichende Packungsdichte und damit auf die Eigenschaften des Betons.Except In this context, however, the influence was left out the water film thickness and the specific surface area the packing density to be achieved and thus the properties of the concrete.

Um nunmehr die Wasserfilmdicke und die spezifische Oberfläche bei der Herstellung eines Betons zur Optimierung der Festigkeit und Dichtigkeit der Zementsteinmatrix eines solchen Betons zu berücksichtigen, wird das nachstehende Verfahren mit den entsprechenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:

  • 1. Bestimmung der Korngröße des Bindemittels (Zement) eines Ausgangsbetons mit einer Gesteinskörnung;
  • 1a. Bestimmung der Zwischenräume zwischen den Zementkörnern;
  • 1b. Bestimmung der Wasserfilmdicke des Ausgangsbetons durch Bestimmung des Feinstoffgehalts aus der Gesteinskörnung; Bestimmung der Granulometrie des Zements und des Feinstoffs aus der Gesteinskörnung; Bestimmung der Packungsdichte des Ausgangsbetons; Bestimmung der spezifischen Oberfläche des Gemisches aus Zement und Feinstoff der Gesteinskörnung bei vorgegebener Wassermenge;
  • 1c. Bestimmung von Referenzwerten am Ausgangsbeton, wie Druckfestigkeit und Porenstruktur;
  • 2. Rechnerische Bestimmung einer Packungsdichte durch volumengleichen Packungsdichte oberhalb der des Ausgangsbetons liegt;
  • 2a. Bestimmung der Ausgangswasserfilmdicke anhand der Packungsdichte und Granulometrie mit dem Wassergehalt des Ausgangsbetons.
  • 2ab. Bestimmung der Referenzwerte von Druckfestigkeit und Porenstruktur anhand eines Betons gemäß 2a;
  • 2b. Festlegung einer Mindestwasserfilmdicke im Bereich von 0,001 μm und 0,3 μm;
  • 2c. Bestimmung von Referenzwerten für Druckfestigkeit und Porenstruktur aus einem Beton gemäß 2b;
  • 3. Aufstellen einer Funktion anhand der Werte von 2ab. und 2.
  • 4. Durchführung der Schritte 2. bis 3. für jeden gewünschten reduzierten Zementgehalt.
In order to take into account now the water film thickness and the specific surface area in the production of a concrete to optimize the strength and density of the cement paste matrix of such a concrete, the following process with the corresponding process steps is proposed:
  • 1. Determination of the grain size of the binder (cement) of an initial concrete with an aggregate;
  • 1a. Determination of the spaces between the cement grains;
  • 1b. Determination of the water film thickness of the starting concrete by determination of the fines content of the Aggregate; Determination of granulometry of cement and fines from the aggregate; Determination of the packing density of the starting concrete; Determination of the specific surface area of the mixture of cement and fines of the aggregate for a given amount of water;
  • 1c. Determination of reference values on the initial concrete, such as compressive strength and pore structure;
  • 2. Computational determination of a packing density by volume equal packing density is above the Ausgangssbetons;
  • 2a. Determination of the initial water film thickness on the basis of the packing density and granulometry with the water content of the starting concrete.
  • 2ab. Determination of the reference values of compressive strength and pore structure using a concrete according to 2a;
  • 2 B. Establishing a minimum water film thickness in the range of 0.001 μm and 0.3 μm;
  • 2c. Determination of reference values for compressive strength and pore structure from a concrete according to 2b;
  • 3. Establish a function based on the values of 2ab. and 2.
  • 4. Perform steps 2 to 3 for any desired reduced cement content.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass bei der Berechnung der Packungsdichte und der Wasserfilmdicke der Raum um jedes Korn herum, also durch eine Berechnung der dreidimensionalen Hohlräume, Zement durch inerte Feinstoffe ersetzt wird, und zwar in einer Form die es erlaubt, dass die Hohlräume in einem vorgegebenen Volumen zwischen den einzelnen Zementkörnern durch die Zugabe von inerten Feinstoffen ausgefüllt werden, wobei hierbei auch die Wasserfilmdicke vermindert wird. Die Ermittlung der Wasserfilmdicke (Ausgangswasserfilmdicke) anhand der Packungsdichte und der Granolometrie mit dem Wassergehalt des Ausgangsbetons erfolgt nach folgender Formel:

Figure 00050001

dw
Wasserfilmdicke [μm]
Vw
Wasservolumen [dm3]
VH
Volumen Hohlraum [dm3]
PD
rechnerische Packungsdichte nach Schwanda [-]
svf
spezifische Oberfläche der Feststoffe [dm2/dm3]
Vf
Volumen der Feststoffe [dm3]
It is essential in the method according to the invention that in calculating the packing density and the water film thickness, the space around each grain, that is, by calculating the three-dimensional cavities, cement is replaced by inert fines, in a form that allows the cavities be filled in a given volume between the individual cement grains by the addition of inert fines, in which case the water film thickness is reduced. The determination of the water film thickness (initial water film thickness) on the basis of the packing density and the granolometry with the water content of the starting concrete is carried out according to the following formula:
Figure 00050001
d w
Water film thickness [μm]
V w
Water volume [dm 3 ]
V H
Volume cavity [dm 3 ]
PD
mathematical packing density according to Schwanda [-]
s vf
specific surface area of the solids [dm 2 / dm 3 ]
V f
Volume of solids [dm 3 ]

Ein weiteres wesentliches Merkmal hierbei ist, dass die inerten Feinstoffe, die als Füllstoffe vorgesehen sind, mindestens 4,3mal so fein sind wie der Zement, wobei die zementfeinen Feinstoffe bis zu 2mal so grob wie der Zement sind. Durch einen solchen volumengleichen Ersatz des Zements durch solche inerte Feinstoffe unter Berücksichtigung der Wasserfilmdicke und der Packungsdichte können die Eigenschaften des Betons, insbesondere im Hinblick auf seine Druckfestigkeit und Dichtigkeit, trotz einer Zementreduktion entweder gleich gehalten oder sogar verbessert werden.One another essential feature here is that the inert fines, which are provided as fillers, at least 4.3 times as are fine as the cement, with the fine cement fines up to be twice as coarse as the cement. By such a volume equal Replacement of the cement by such inert fines under consideration the water film thickness and the packing density may have the characteristics of the concrete, in particular with regard to its compressive strength and Tightness, despite a cement reduction either kept the same or even improved.

Anhand der Figuren wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.Based of the figures, the invention will be exemplified in more detail below explained.

1 zeigt zu Fall 1 ein Gemisch aus groben Grundkorn und wenigen kleinen Beikörnern; 1 shows in case 1 a mixture of coarse ground grains and a few small grains;

2 zeigt zu Fall 2 ein Gemisch aus feinem Grundkorn und wenigen großen Beikörnern; 2 shows in case 2 a mixture of fine basic grains and a few large grains;

3 zeigt ein Diagramm zur Berechnung der Faktoren des Hohlraumgehaltes für k0 = 0,6; 3 shows a diagram for calculating the factors of void content for k 0 = 0.6;

4 zeigt ein Diagramm über das Verhalten von Zementsteindruckfestigkeit zur Wasserfilmdecke. 4 shows a diagram of the behavior of cement paste resistance to the water film ceiling.

Zur Erläuterung des Verfahrens sei auf Folgendes hingewiesen:
Die Ermittlung der Körngröße des Bindemittels kann z. B. durch den Einsatz eines Laserbeugungsgranulometers erfolgen.
To explain the procedure, the following should be noted:
The determination of the grain size of the binder may, for. B. by using a laser diffraction granulometer.

Die Bestimmung der Zwischenräume zwischen den einzelnen Zementkörnern erfolgt rechnerisch nach Schwanda/Reschke [ Schwanda, F.: Das rechnerische Verfahren zur Bestimmung des Hohlraumes und Zementleimanspruches von Zuschlägen und seine Bedeutung für den Spannbetonbau, Zement und Beton 37, 1966, S. 8–17 ; Reschke T.: Der Einfluss der Granolometrie der Feinstoffe auf die Gefügeentwicklung und die Festigkeit von Beton, Schriftreihe der Zementindustrie, Heft 62/2000, Bau + Technik Verlag, Düsseldorf 2001 ]. Hierbei müssen zunächst die folgenden Parameter festgelegt werden, die für die Bestimmung des Hohlraumgehaltes nach Schwanda von Bedeutung sind:

S, s
Festraum einer Ansammlung von Körnern
H, h
Hohlraum eines Korngemisches im eingerüttelten Zustand
K, k
Hohlraumgehalt eines Einkornstapels
V
aus Festraum und Hohlraum bestehender Gesamtraum einer Ansammlung von Körnern im eingerüttelten Zustand: V = H + S bzw. V = K + S
The determination of the spaces between the individual cement grains is calculated according to Schwanda / Reschke [ Schwanda, F .: The mathematical method for the determination of the cavity and cement paste of aggregates and its importance for prestressed concrete, cement and concrete 37, 1966, p. 8-17 ; Reschke T .: The influence of the granolometry of the fines on the microstructure development and the strength of concrete, series of the cement industry, Issue 62/2000, Bau + Technik Verlag, Dusseldorf 2001 ]. First of all, the following parameters have to be defined, which are important for the determination of void content according to Schwanda:
S, s
Festival room of a collection of grains
H, h
Cavity of a grain mixture in the shaken state
K, k
Void content of a Einkornstapels
V
From the fixed space and cavity existing total space of an accumulation of grains in the shaken state: V = H + S or V = K + S

Die Großbuchstaben S, H, K, V geben den Rauminhalt in der Maßeinheit an. Die Kleinbuchstaben s, h, k, v stellen das Verhältnis zwischen S, H und K und dem Festraum aller Körner, die das Gemisch bzw. den Einkornstapel bilden, dar: s = S:ΣS h = H:ΣS k = K:S The capital letters S, H, K, V indicate the volume in the unit of measure. The lowercase letters s, h, k, v represent the relationship between S, H and K and the solids of all the grains forming the mixture or the Einkornstapel: s = S: ΣS h = H: ΣS k = K: S

Das beschriebene Verfahren beruht auf dem Verhalten von gepackten Partikeln unterschiedlicher Größe. Unterschieden wird zwischen einem Grundkorn und dem betrachteten Beikorn, welches die Hohlräume der Grundkornpackung ausfüllen soll. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Im ersten Fall ist das Partikelvolumen der Beikörner kleiner oder gleich dem Hohlraumvolumen der Grundkornpackung, wodurch sich das Gesamtvolumen der Mischung nicht ändert. Es vermindert sich lediglich der Hohlraum um den Festraum der feinen Beikörner. Dabei wird die grobe Komponente als Grundkorn xs bezeichnet. 1 verdeutlicht diesen Vorgang anschaulich, indem dort ein Gemisch aus grobem Grundkorn und wenigen kleinen Beikörnern dargestellt ist.The method described is based on the behavior of packed particles of different sizes. A distinction is made between a basic grain and the considered Beikorn, which is to fill the cavities of the basic grain package. There are two cases to be distinguished. In the first case, the particle volume of the bees grains is less than or equal to the void volume of the base grain package, whereby the total volume of the mixture does not change. It only reduces the cavity around the fixed space of the fine Beikörner. The coarse component is referred to as the basic grain x s . 1 illustrates this process vividly, in which a mixture of coarse ground grains and a few small grains is shown there.

Für die Berechnung wird wie folgt vorgegangen:

Figure 00080001
The calculation is done as follows:
Figure 00080001

Man beachte, dass sich bei hg,f (Fall 1) der erste von zwei Zeigern (als bezeichnende Angabe in einer Funktion) immer auf das Grundkorn bezieht. Dieser Ansatz bleibt solange richtig, bis die kleineren Körner die Lücken zwischen den groben Körnern ausgefüllt haben, ohne diese auseinander zu drängen.Note that at h g, f (Case 1), the first of two pointers (as a designation in a function) always refers to the fundamental grain. This approach remains valid until the smaller grains have filled in the gaps between the coarse grains without dislodging them.

Wird hingegen die Menge von Sf über diese Grenze hinaus vergrößert, so gilt ein anderer Zusammenhang, zu dessen Darstellung man von der Betrachtung einer nur aus sehr feinen Körnern bestehenden Ansammlung gelangt. Für diesen zweiten Fall (2) ist der Anteil der feinen Komponenten größer als der Hohlraumgehalt der großen, so dass die groben Körner auseinander gedrängt werden und sich das Gesamtvolumen entsprechend erhöht. Der Hohlraumgehalt der Mischung ist dann gleich dem Hohlraumgehalt der feinen Komponente, weshalb in diesem zweiten Fall die feine Komponente als Grundkorn xs bezeichnet wird.If, on the other hand, the set of Sf is increased beyond this limit, another context applies, for the presentation of which one arrives at a collection consisting only of very fine grains. For this second case ( 2 ), the proportion of the fine components is greater than the void content of the large, so that the coarse grains are forced apart and the total volume increases accordingly. The void content of the mixture is then equal to the void content of the fine component, which is why in this second case, the fine component is referred to as the basic grain x s .

Es ergibt sich folgender Ansatz:

Figure 00090001
The result is the following approach:
Figure 00090001

Für die Berechnung des Hohlraumgehaltes von Gemischen aus zwei Körnungen ergeben sich somit zwei Formeln. Gültig ist immer diejenige, die den größeren Wert für h liefert. Ergeben beide Formeln den gleichen Wert, wurde das Mengenverhältnis Sg:Sf gefunden, das den geringsten Hohlraumgehalt aufweist, der sich mit dem gegebenen Korn erzielen lässt.For the calculation of the void content of mixtures of two grains, two formulas are thus obtained. The one that always returns the value for h is always valid. Both formulas give the same value, the ratio S g : S f was found which has the lowest void content that can be achieved with the given grain.

Bisher wurde vorausgesetzt, dass der Durchmesser der groben Körner um sehr viele Male größer ist als der Durchmesser der feinen Körner.So far It was assumed that the diameter of the coarse grains is many times larger than the diameter of fine grains.

Unterschreitet dieses Größenverhältnis jedoch eine gewisse Grenze, so können die feineren Körner nicht mehr ohne weiteres in die Hohlräume zwischen den größeren Körnern verschwinden, sondern müssen sie auseinander drängen. Es existiert also zwischen den oben beschriebenen Fällen 1 und 2 ein Übergangsbereich, in dem die Körner sich gegenseitig behindern und das Grundkorngerüst teilweise auseinander drängen. Infolge dieser Teilchenbehinderung tritt eine Volumenvergrößerung und somit eine Erhöhung des Hohlraumanteils ein, da der hohlraumvermindernde Einfluss des Beikorns abnimmt. Dies ist durch einen Faktor a zu berücksichtigen. Die a-Werte hängen einmal von der Form und Oberflächenbeschaffenheit der Körner ab und außerdem vom Verhältnis des Durchmessers der gröberen Körner zu dem der feineren. Haben beide Körner denselben Durchmesser, so wird a = 0. Der Bereich derjenigen Größenverhältnisse der Komponenten, bei denen sich diese Teilchenbehinderung bemerkbar macht, wird daher Reichweite der Teilchenbehinderung w genannt. Die Reichweite w hängt ab vom Verhältnis des Grundkorns xs zu einer Grenzkorngröße xw, bei der gerade keine Teilchenbehinderung mehr eintritt. Durch die Reichweite der Teilchenbehinderung wird der Einfluss der Kornform bzw. des Größenverhältnisses berücksichtigt. Berechnet wird die mögliche Vergrößerung des Gesamtvolumens der Partikelmischung.However, if this size ratio falls below a certain limit, the finer grains can no longer readily disappear into the voids between the larger grains, but must crowd them apart. Thus, between the cases 1 and 2 described above, there is a transition region in which the grains obstruct each other and partially force the basic grain framework apart. As a result of this particle obstruction occurs an increase in volume and thus an increase in the void content, since the värmmutomindernde influence of Beikorns decreases. This is to be considered by a factor a. The a-values depend once upon the shape and surface finish of the grains and also on the ratio of the diameter of the coarser grains to that of the finer ones. If both grains have the same diameter, then a = 0. The range of those proportions of the components, in which this particle obstruction is noticeable, is therefore called the range of particle disability w. The range w depends on the ratio of the basic grain x s to a limit grain size x w , at which no particulate hindrance occurs anymore. Due to the range of the particle hindrance, the influence of the grain shape or the size ratio is taken into account. Calculated is the possible increase in the total volume of the particle mixture.

Es werden also neben der Korngrößenverteilung Parameterwerte benötigt, um die Einflüsse der Kornform und Oberflächenrauhigkeit der Partikel sowie die Reichweite der Teilchenbehinderung zu berücksichtigen. Diese Beschreibung der Materialart wird über den Parameter k0, welcher den Hohlraumanteil der Einkornschüttung angibt sowie über die Reichweite der Teilchenbehinderung w0 vorgenommen.In addition to the particle size distribution, parameter values are needed to take into account the influences of the particle shape and surface roughness of the particles as well as the range of particle hindrance. This description of the type of material is made via the parameter k 0 , which indicates the void fraction of the single-grain bed and the range of the particle obstruction w 0 .

Der Hohlraumanteil wird nach folgender Formel ermittelt:

Figure 00110001
mit:

k0:
Hohlraumanteil Einkornschüttung
ε:
Hohlraumgehalt [Vol.-%]
D:
Packungsdichte
The void fraction is determined according to the following formula:
Figure 00110001
With:
k 0 :
Void content of single-grain bed
ε:
Voids content [vol.%]
D:
packing density

Mit der Reichweite der Teilchenbehinderung wird das Größenverhältnis des Grundkorns zu einem Grenzkorn bestimmt. Dieser Wert kann über folgende Beziehung abgeschätzt werden:

Figure 00110002
mit:

w:
Reichweite der Teilchenbehinderung
xw:
Grenzkorngröße
xs:
Grundkorngröße
With the range of the particle obstruction, the size ratio of the basic grain is determined to a marginal grain. This value can be estimated by the following relationship:
Figure 00110002
With:
w:
Range of particle obstruction
x w :
Grain size limit
x s:
Basic grain size

Ein geringer Wert für die Teilchenbehinderung w ergibt sich für ein kleines Verhältnis zwischen den Korngruppen, womit eine Teilchenbehinderung in Form eines Auseinanderdrängens stattfindet.One low value for the particle obstruction w results for a small ratio between the grain groups, whereby a particle obstruction in the form of a divergence takes place.

Durch den Hohlraumgehalt der Einkornschüttung k0 und die Reichweite der Teilchenbehinderung w kann man die verschiedenen Körnungen nach ihrer Art ziffernmäßig so kennzeichnen, dass der Hohlraumgehalt eines jeden beliebigen Gemisches mit einer genügenden Genauigkeit berechnet werden kann. Die beiden Parameter k0 und w werden durch einfache Versuche bestimmt. Sie lassen sich bei einiger Erfahrung aber auch für die meisten Zwecke hinreichend genau abschätzen.By the void content of the Einkornschüttung k 0 and the range of the particle disability w, one can characterize the different grains by number according to their type so that the void content of any mixture can be calculated with sufficient accuracy. The two parameters k 0 and w are determined by simple experiments. They can be estimated with some experience but also for most purposes with sufficient accuracy.

Der Hohlraumanteil feiner Einzelfraktionen wird erfahrungsgemäß mit k0 = 0,82 (45 Vol.-% Hohlraum) angenommen, die Reichweite der Teilchenbehinderung mit w = 2. Der dem Modell zugrunde gelegte mathematische Zusammenhang zwischen k0, w, dem Korngrößenverhältnis von Grundkorn xs zum jeweiligen Beikorn xi und dem Faktor as,i als Funktion der vorgenannten Größen, ist beispielhaft für die Parameter k0 = 0,6 in 3 dargestellt. Der größenmäßige Zusammenhang zwischen den Parametern und dem Faktor as,i wurde durch Versuche nach Schwanda ermittelt und nach Reschke in 3 für k0 = 0,6 verallgemeinert.The void fraction of fine individual fractions is assumed to be k 0 = 0.82 (45 vol.% Void), the range of particle disability w = 2. The math used in the model matic relationship between k 0 , w, the grain size ratio of basic grain x s to the respective Beikorn x i and the factor a s, i as a function of the aforementioned variables, is exemplary of the parameters k 0 = 0.6 in 3 shown. The correlation between the parameters and the factor a s, i was determined by experiments in Schwanda and according to Reschke in 3 generalized for k 0 = 0.6.

Basierend auf die in 3 dargestellten Zusammenhänge, wurde der Hohlraumanteil der jeweiligen Grundkornklasse hs ermittelt. Dieser ergibt sich, indem der Hohlraumgehalt des Grundkorns k0 um die entsprechenden Festraumanteile des Beikorns aller anderen Kornklassen si, unter Berücksichtigung des jeweils gültigen Faktors as,i, verringert wird. hs = k0 – Σas,i·si mit:

hs
Hohlraumanteil Grundkornklasse
k0
Hohlraumanteil Einkornschüttung
as,i
Faktor a (Teilchenbehinderung) der Kornklasse i
si
Festraumanteil Kornklasse i am Gesamtfestraum
Based on the in 3 shown correlations, the void fraction of the respective basic grain class h s was determined. This is obtained by reducing the void content of the basic grain k 0 by the corresponding solids content of the pickle of all other grain classes s i , taking into account the respective valid factor a s, i . H s = k 0 - Σa s, i · s i With:
h s
Void fraction basic grain class
k 0
Void content of single-grain bed
a s, i
Factor a (particle disability) of the grain class i
s i
Festraumanteil grain class i in the total festival room

Der Reihe nach wurde nun jede Kornklasse einmal als Grundkorn betrachtet. Die Kornklasse, die den größten Hohlraumanteil des Grundkorns hs,max liefert, ist für die Berechnung der Packungsdichte D (oder auch Dichtigkeitsgrad D) der gesamten Partikelschüttung maßgebend:

Figure 00130001
In turn, each grain class was considered once as a basic grain. The class of grain which delivers the largest void fraction of the basic grain h s, max is decisive for the calculation of the packing density D (or also the degree of density D) of the total particle bedding:
Figure 00130001

Die anderen berechneten Hohlraumanteile hs,max gelten für Gemische, in denen die von einzelnen Korngruppen eingenommenen Räume einander überschneiden.The other calculated cavity fractions h s, max apply to mixtures in which the spaces occupied by individual grain groups intersect each other.

Das Modell nach Schwanda wird dadurch eingeschränkt, dass die Parameter k0 und w nur einen konstanten Wert innerhalb der Berechnung annehmen können. Der unterschiedlichen Beschaffenheit der Einzelfraktionen eines Partikelgemisches kann damit nur ungenügend Rechnung getragen werden.The model according to Schwanda is limited by the fact that the parameters k 0 and w can only assume a constant value within the calculation. The different nature of the individual fractions of a particle mixture can thus be insufficiently taken into account.

Die Bestimmung der Wasserfilmdicke erfolgt durch die Berechnung nach Krell der bekannten Formel:

Figure 00130002

dw
Wasserfilmdicke [μm]
Vw
Wasservolumen [dm3]
VH
Volumen Hohlraum [dm3]
PD
rechnerische Packungsdichte nach Schwanda [-]
svf
spezifische Oberfläche der Feststoffe [dm2/dm3]
Vf
Volumen der Feststoffe [dm3]
The determination of the water film thickness is made by the calculation according to Krell of the known formula:
Figure 00130002
d w
Water film thickness [μm]
V w
Water volume [dm 3 ]
V H
Volume cavity [dm 3 ]
PD
mathematical packing density according to Schwanda [-]
s vf
specific surface area of the solids [dm 2 / dm 3 ]
V f
Volume of solids [dm 3 ]

Des Weiteren ist die Granulometrie des Zements und des Feinstoffs aus der Gesteinskörnung zu bestimmen. Dies geschieht in dem der Anteil des Feinstoffs aus der Gesteinskörnung abgesiebt und danach die Korngrößenverteilung z. B. mittels Laserbeugungsmessung (mit Laserbeugungsgranulometer) bestimmt wird.Of Further, the granulometry of cement and fines is out to determine the aggregate. This happens in the the proportion of fines from the aggregate sieved and then the grain size distribution z. B. by means Laser diffraction measurement (with laser diffraction granulometer) is determined.

Die Bestimmung der Packungsdichte des Ausgangsbetons erfolgt wiederum nach Schwanda nach dem bereits abgehandelten Formelmechanismus. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche des Gemisches aus Zement und Feinstoff erfolgt messtechnisch nach BET, Blaine oder anderen Methoden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Teilchen kugelförmig sind. Für die rechnerische Bestimmung der Packungsdichte wird auf die oben abgehandelten Berechnungsmodi nach Schwanda verwiesen.The Determination of the packing density of the starting concrete takes place again to Schwanda after the already negotiated formula mechanism. The determination of the specific surface of the mixture from cement and fine material is measured by BET, Blaine or other methods. It is assumed that the Particles are spherical. For the mathematical Determination of the packing density is based on the above-discussed calculation modes referred to Schwanda.

Die Bestimmung der Ausgangswasserfilmdicke anhand der Packungsdichte und Granulometrie erfolgt nach Krell wie oben dargelegt.The Determination of the initial water film thickness based on the packing density and Granulometrie done according to Krell as stated above.

Für die Frage, wie viel an Zement durch inerte Feststoffe bei verminderter Wasserfilmdicke ersetzt werden kann, wird auf die 4 verwiesen.For the question of how much of cement is replaced by inert solids with reduced water film thickness will be on the 4 directed.

Hierbei werden mit vorher festgelegten Wasserfilmdicken im Bereich 0,001 bis 2,0 μm Prüfkörper mit ebenfalls vorher festgelegten Feinstoffgehalten hergestellt. An diesen Prüfkörpern erfolgt die Bestimmung der Druckfestigkeit. Diese Wertepaare bilden die Grundlage für Kurven, die linear oder nicht linear sein können, je nachdem bei welcher zu Grunde liegender Abhängigkeit die höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Anhand dieses Verfahrens kann die Wasserfilmdicke bestimmt werden, mit der bei entsprechendem Austausch des Zements durch einen inerten Feinstoff mindestens die gleiche Festigkeit oder Dichtigkeit erreicht werden kann.in this connection be with pre-determined water film thicknesses in the range 0.001 up to 2.0 μm specimens with also previously established fines levels. On these specimens the determination of the compressive strength takes place. These value pairs form the basis for curves that are linear or nonlinear depending on which underlying Dependence the higher accuracy can be achieved can. This method can be used to determine the water film thickness be replaced with the corresponding replacement of the cement by a inert fines have at least the same strength or impermeability can be achieved.

Die Werte aus der Wasserfilmdicke können mit Hilfe der folgenden Gleichung in einen w/z-Wert (Wasserzementwert) umgerechnet werden.The Values from the water film thickness can be determined by the following Equation into a w / z value (water cement value) are converted.

Anhand dieser Werte kann eine übliche Mischungsrezeptur ausgearbeitet werden.

Figure 00150001

dw
Wasserfilmdicke [μm]
svF
spez. Oberfläche des Feinstoffs [dm2/dm3]
VF
Feinstoffvolumen [dm3]
PDF
rechn. Packungsdichte nach Schwanda [-]
aZ
volumetrischer Anteil des Zements [-]
ρz
Reindichte des Zements [kg/dm3]
On the basis of these values, a customary mixture formulation can be worked out.
Figure 00150001
d w
Water film thickness [μm]
s vF
spec. Surface of fines [dm 2 / dm 3 ]
V F
Fine matter volume [dm 3 ]
PD F
rechn. Packing density according to Schwanda [-]
a Z
volumetric proportion of cement [-]
ρ z
Pure density of cement [kg / dm 3 ]

Anhand von Beispielen wird nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Komponente Einheit Ausgangswasserzementwert w/z0 0,35 0,40 0,50 0,60 Gesteinskörnung kg/m3 1965 eingeschl. Luft [dm3] dm3/m3 15,0 Herkömmlicher Beton – ohne Packungsdichteoptimierung w/z-Wert, effektiv - 0,35 0,40 0,50 0,60 Zementgehalt kg/m3 438,9 408,6 358,9 320,0 Wassergehalt kg/m3 153,6 163,4 179,5 192,0 rechn. Wasserfilmdicke μm 1,21 0,84 0,66 0,30 Druckfestigkeit nach 28d N/mm2 66,0 60,0 50,0 40,0 Kapillarporengehalt Vol.-% 3,0 4,2 6,8 10,5 Packungsdichteoptimierter Beton, OHNE Anpassung der Wasserfilmdicke w/z-Wert, effektiv - 0,44 0,50 0,63 0,75 Zementgehalt kg/m3 351,2 326,9 287,1 256,0 Quarzmehl, packungswirksam kg/m3 75,1 69,9 61,4 54,7 Wassergehalt kg/m3 153,6 163,4 179,5 192,0 rechn. Wasserfilmdicke μm 0,66 0,47 0,38 0,19 Druckfestigkeit nach 28d N/mm2 bitte ergänzen bitte ergänzen bitte ergänzen bitte ergänzen Kapillarporengehalt Vol.-% bitte ergänzen bitte ergänzen bitte ergänzen bitte ergänzen Packungsdichteoptimierter Beton, MIT Anpassung der Wasserfilmdicke w/z-Wert, effektiv - 0,35 0,40 0,50 0,60 Zementgehalt kg/m3 392,0 367,6 326,9 294,3 Quarzmehl, packungswirksam kg/m3 83,8 78,6 69,9 62,9 Wassergehalt kg/m3 137,2 147,0 163,5 176,6 rechn. Wasserfilmdicke μm 0,47 0,32 0,25 0,09 Druckfestigkeit nach 28d N/mm2 76,0 72,0 60,0 50,0 Kapillarporengehalt Vol.-% 2,1 2,6 4,2 5,8 The method according to the invention will now be explained in greater detail on the basis of examples. component unit Output water cement value w / z 0 0.35 0.40 0.50 0.60 aggregate kg / m 3 1965 eingeschl. Air [dm 3 ] dm 3 / m 3 15.0 Conventional concrete - without packing density optimization w / z value, effective - 0.35 0.40 0.50 0.60 cement content kg / m 3 438.9 408.6 358.9 320.0 water content kg / m 3 153.6 163.4 179.5 192.0 rechn. Water film thickness microns 1.21 0.84 0.66 0.30 Compressive strength after 28d N / mm 2 66.0 60.0 50.0 40.0 Kapillarporengehalt Vol .-% 3.0 4.2 6.8 10.5 Packing density optimized concrete, WITHOUT adaptation of the water film thickness w / z value, effective - 0.44 0.50 0.63 0.75 cement content kg / m 3 351.2 326.9 287.1 256.0 Quartz flour, pack-effective kg / m 3 75.1 69.9 61.4 54.7 water content kg / m 3 153.6 163.4 179.5 192.0 rechn. Water film thickness microns 0.66 0.47 0.38 0.19 Compressive strength after 28d N / mm 2 please complete please complete please complete please complete Kapillarporengehalt Vol .-% please complete please complete please complete please complete Packing density optimized concrete, WITH adjustment of water film thickness w / z value, effective - 0.35 0.40 0.50 0.60 cement content kg / m 3 392.0 367.6 326.9 294.3 Quartz flour, pack-effective kg / m 3 83.8 78.6 69.9 62.9 water content kg / m 3 137.2 147.0 163.5 176.6 rechn. Water film thickness microns 0.47 0.32 0.25 0.09 Compressive strength after 28d N / mm 2 76.0 72.0 60.0 50.0 Kapillarporengehalt Vol .-% 2.1 2.6 4.2 5.8

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Claims (3)

Verfahren zur Optimierung von Festigkeit und Dichtigkeit der Zementsteinmatrix eines Betons mit den folgenden Verfahrensschritten: gekennzeichnet durch folgende Schritte: 1. Bestimmung der Korngröße des Bindemittels (Zement) eines Ausgangsbetons mit einer Gesteinskörnung; 1a. Bestimmung der Zwischenräume zwischen den Zementkörnern; 1b. Bestimmung der Wasserfilmdicke des Ausgangsbetons durch Bestimmung des Feinstoffgehalts aus der Gesteinskörnung; Bestimmung der Granulometrie des Zements und des Feinstoffs aus der Gesteinskörnung; Bestimmung der Packungsdichte des Ausgangsbetons; Bestimmung der spezifischen Oberfläche des Gemisches aus Zement und Feinstoff der Gesteinskörnung bei vorgegebener Wassermenge; 1c. Bestimmung von Referenzwerten am Ausgangsbeton, wie Druckfestigkeit und Porenstruktur; 2. Rechnerische Bestimmung einer Packungsdichte durch volumengleichen Packungsdichte oberhalb der des Ausgangsbetons liegt; 2a. Bestimmung der Ausgangswasserfilmdicke anhand der Packungsdichte und Granulometrie mit dem Wassergehalt des Ausgangsbetons; 2ab. Bestimmung der Referenzwerte von Druckfestigkeit und Porenstruktur anhand eines Betons gemäß 2a; 2b. Festlegung einer Mindestwasserfilmdicke im Bereich von 0,001 μm und 0,3 μm; 2c. Bestimmung von Referenzwerten für Druckfestigkeit und Porenstruktur aus einem Beton gemäß 2b; 3. Aufstellen einer Funktion anhand der Werte von 2ab. und 2. 4. Durchführung der Schritte 2. bis 3. für jeden gewünschten reduzierten Zementgehalt.Method of optimizing strength and Tightness of the cementitious stone matrix of a concrete with the following Steps: marked by following steps: 1. Determination of the particle size of the binder (cement) an initial concrete with an aggregate; 1a. Determination of the spaces between the cement grains; 1b. Determination of the water film thickness of the starting concrete by determination the fines content of the aggregate; determination granulometry of cement and fines from the aggregate; determination the packing density of the starting ketone; Determination of the specific Surface of the mixture of cement and fines of the aggregate for a given amount of water; 1c. Determination of reference values at the starting concrete, such as compressive strength and pore structure; Second Computational determination of a packing density by volume equal Packing density is above that of the starting concrete; 2a. determination the initial water film thickness based on the packing density and granulometry with the water content of the starting ketone; 2ab. Determination of Reference values of compressive strength and pore structure based on a Concrete according to 2a; 2 B. Definition of a minimum water film thickness in the range of 0.001 μm and 0.3 μm; 2c. determination Reference values for compressive strength and pore structure from a concrete according to 2b; 3. Setting up a Function based on the values of 2ab. and 2. 4. Implementation of steps 2 to 3 for any desired reduced Cement content. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inerten Feinstoffe mindestens 4,3mal so fein sind wie der Zement.Method according to claim 1, characterized in that that the inert fines are at least 4.3 times as fine as the Cement. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zementfeinen Feinstoffe bis zu 2mal so groß sind wie der Zement.Method according to claim 1, characterized in that that the cement fine fines are up to twice as large like the cement.
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