DE102018206373B3

DE102018206373B3 - Verfahren zur Herstellung von gradiertem Beton, nach dem Verfahren hergestelltes Betonelement und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102018206373B3
Application number: DE102018206373.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Werner Zier; Sandro Weisheit
Original assignee: Materialforschungs und Pruefanstalt An Der Bauhaus Univ Weimar; Materialforschungs- und -Pruefanstalt An Der Bauhaus-Universitat Weimar
Current assignee: Materialforschungs und Pruefanstalt An Der Bauhaus Univ Weimar; Materialforschungs- und -Pruefanstalt An Der Bauhaus-Universitat Weimar
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2038-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Herstellung eines Betonelements (1) mit einem entlang einer Profilrichtung (H) verlaufenden Dichtegradienten. Zement, Wasser, mindestens ein Betonzusatzstoff, mindestens ein Betonzusatzmittel, eine erste Gesteinskörnung und mindestens eine weitere Gesteinskörnung werden zu einem plastischen bis fließfähigen Frischbeton vermischt, der plastische bis fließfähige Frischbeton wird in eine Schalung (2) eingebracht und durch Rütteln verdichtet. Während der Verdichtung entsteht im Bindemittelleim des Frischbetons eine gut fließfähige Konsistenz, die eine Dichtetrennung der Gesteinskörnungen in der Frischbetonmatrix bewirkt. Die erste und mindestens eine weitere mineralische oder organische Gesteinskörnung weisen unterschiedliche Rohdichten (G1, G2, G3) auf. Die Erfindung betrifft ferner ein mit einem solchen Verfahren hergestelltes gradiertes Betonelement (1) und die Verwendung eines solchen gradierten Betonelements (1) als wärmedämmendes und/oder schallabsorbierendes Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gradierten Betonelements mit einem entlang des Profils herbeigeführten Dichtegradienten. Die Erfindung betrifft ferner ein gradiertes Betonelement sowie die Verwendung eines gradierten Betonelements.
Aus dem Stand der Technik sind Verbundelemente aus Beton, auch in Kombination mit anderen Baustoffen, bekannt, die sowohl wärmedämmende als auch lastabtragende Eigenschaften besitzen.
Derartige Verbundelemente können aus mehreren Schichten oder Schalen aufgebaut sein. Das Dokument DE 1601881 U beschreibt ein Bauelement aus Beton, das aus einer tragenden äußeren und einer wärmedämmenden inneren Schicht besteht. In der Patentschrift DE 36 14 367 A1 wird ein dreischaliger Aufbau mit zwei außenliegenden lastabtragenden Betonschichten und einer dazwischen angeordneten Dämmschicht offenbart. Die DE 200 23 338 U1 offenbart ein mehrschaliges Wand- oder Deckenbauelement mit Verbindungselementen zur beabstandeten Verbindung der Betonschalen. Die DE 200 21 381 U1 offenbart ein dreischaliges Betonelement mit außenliegenden Schalen aus Leichtbeton und einer dazwischen angeordneten Dämmschicht aus Polyurethan (PU) - Schaum. In der DE 101 41 265 B4 wird eine modifizierte Verbundplatte für tragende oder nichttragende Bauausführungen mit gleichzeitiger Wärme- und Trittschalldämmung unter Verwendung von verfügbaren Abbauprodukten, Recyclingmaterialien und bekannten, beispielsweise hydraulischen, Bindemitteln beschrieben.
In dem Dokument DE 202 01 124 U1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen plattenförmigen Außenwandelements beschrieben, bei welchem auf eine frisch betonierte Tragschicht aus Beton eine weitere Schicht aus Leichtbeton als Dämmschicht betoniert wird, wobei eine innige Verbindung zwischen beiden Schichten bei der Aushärtung erreicht wird.
In dem Dokument DE 10 2011 102 337 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Betonbauteils angegeben, bei dem mindestens eine Eigenschaft, beispielsweise die Rohdichte und die Wärmedämmfähigkeit, entlang wenigstens einer Raumrichtung kontinuierlich verändert ist, wobei über mindestens zwei Dosiereinrichtungen Material dosiert wird, von denen mindestens eine Dosiereinrichtung zur Abgabe einer veränderlichen Dosierung vorgesehen ist.
Das Dokument DE 10 2007 062 492 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formsteinen, bei deren Herstellung sich ein Dichtegradient herausbildet. Die in Bespielen angegebenen Dichtebereiche für die Gradierung liegen zwischen 1,15 und 1,25 kg/dm³. In diesem Wertebereich sind keine signifikanten funktionalen Eigenschaftsbeeinflussungen zu erwarten, die den Einsatz einzelner Schichten für spezifische Nutzungen (Tragverhalten, Wärmedämmung, Schallabsorption) erlauben. Deshalb findet sich auch kein Hinweis auf eine gezielte Einstellung dieser Funktionen in den Ausführungsbeispielen und Ansprüchen.
Das Dokument DE 20 2007 002 982 U1 beschreibt einen Mauerstein und dessen Herstellung. Der Mauerstein kann rezeptur- und herstellungsbedingt unterschiedliche Dichten aufweisen. Die angestrebte haufwerksporige Struktur kann nur über eine steifere Konsistenz erzeugt werden. Eine signifikante Gradierung über das Profil eines einzelnen Steines ist nach der angegebenen Technologie zur Herstellung nicht zu erwarten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gradiertes Betonelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gradierten Betonelements anzugeben. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, die Verwendung eines gradierten Betonelements anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines gradierten Betonelements erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des gradierten Betonelements wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Hinsichtlich der Verwendung eines gradierten Betonelements wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 15 und 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines gradierten Betonelements mit einem entlang einer Profilrichtung verlaufenden Dichtegradienten werden Zement, Wasser, mindestens ein Betonzusatzstoff, mindestens ein Betonzusatzmittel, eine erste mineralische oder organische Gesteinskörnung und mindestens eine weitere mineralische oder organische Gesteinskörnung zu einem Frischbeton von fließfähiger Konsistenz vermischt. Der Frischbeton kann ferner Füllstoffe, Fasern, Fließmittel, Stabilisierer und Porenbildner enthalten. Die zu vermischenden Materialien können in Reinform oder bereits teilweise vorgemischt bereitgestellt werden.
Der fließfähige Frischbeton wird in eine Schalung eingebracht, anschließend verdichtet und härtet in der Schalung hydraulisch aus.
Der fließfähige Frischbeton wird unmittelbar nach dem Einbringen in die Form durch Vibration verdichtet. Während der Verdichtung kommt es zu einer Verflüssigung des Betons und in der Folge zu einer Dichtetrennung der Gesteinskörnungen im Frischbeton. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine für die statische oder lastabtragende Funktion erforderliche hohe Dichte mindestens in dem zum Schalungsboden gewandten unteren Profilbereich erzielt.
Beispielsweise kann die Verdichtung mittels einer Rüttelplatte erfolgen, auf der die Schalung mit dem eingebrachten Frischbeton gerüttelt wird.
Die Rohdichten der Gesteinskörnungen sind so gewählt, dass auf Grund der unterschiedlichen Auftriebswirkung im Frischbeton während der Verdichtung durch Vibration eine gezielte teilweise Anreicherung der ersten und mindestens einer weiteren Gesteinskörnung in Abhängigkeit von deren Dichte entlang der Profilrichtung mit Vollendung des Verdichtungsprozesses erfolgt. Die Rohdichten der normalen Gesteinskörnungen liegen im Bereich von 2000 kg/m³ bis 3000 kg/m³. Die Rohdichten der leichten Gesteinskörnungen liegen unterhalb von 2000 kg/m³. Die erste Gesteinskörnung weist eine Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ auf. Mindestens eine weitere Gesteinskörnung weist eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ auf.
In vorteilhafter Weise besitzt die Betonrohdichte im ausgehärteten Betonelement infolgedessen eine Gradierung entlang der Profilrichtung, wobei eine hohe Betonrohdichte in einem dem Schalungsboden zugewandten unteren Bereich des Betonelements und eine vergleichsweise niedrigere Betonrohdichte in einem dem Schalungsboden abgewandten oberen Bereich des Betonelements erzielt wird.
Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, mit einem aus einer einzigen Rezeptur hergestellten Frischbeton ein Betonelement mit einer im Bauteilquerschnitt, also der Profilrichtung, abgestuft veränderten Betonrohdichte herzustellen, wobei die Schalung oder die Gussform mit einem Frischbeton in einer Rezeptur und in einer Schicht befüllt werden kann.
Der sich während der Verdichtung des Frischbetons durch Vibration einstellende unterschiedliche Auftrieb der Gesteinskörnungen im Bindemittelleim führt zur Ausbildung eines Dichtegradienten. Dieser bleibt nach dem Aushärten des Frischbetons unabhängig von der Einbaulage des Betonelements erhalten. Eine solche gezielte Einstellung einer Dichtegradierung ist bauphysikalisch den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit nacheinander einzeln aufgebrachten Betonschichten überlegen, bei denen sich die Dichte und davon abhängig weitere bauphysikalische Parameter, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, entlang des Bauteilprofils oder die Schallabsorption auf der Unter- und Oberseite des Betonelements ändern.
In vorteilhafter Weise kann so ein Betonelement hergestellt werden, das entlang des Bauteilquerschnitts einen ersten, statisch belastbaren Bereich mit sehr hoher Dichte und mindestens einen weiteren, leichten Bereich mit vergleichsweise niedrigerer Dichte aufweist, wobei der weitere leichte Bereich wärmedämmend und/oder schallabsorbierend wirkt. Es lassen sich somit Betonelemente in einem Arbeitsgang, die neben der lastabtragenden statischen Funktion weitere Funktionen übernehmen oder verbesserte Eigenschaften aufweisen, herstellen. Der statisch wirksame Bereich kann sowohl unbewehrt als auch bewehrt ausgebildet sein. Als Bewehrung sind die im Betonbau üblichen Baustähle oder auch alternative Bewehrungen aus z. B. Glas, Carbon oder Kunststoff möglich. Zur Herstellung bewehrter Betonelemente wird vor dem Einbringen des Frischbetons nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren Bewehrung in die Schalung eingebracht.
Dabei ist es ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass keine zusätzliche Verbindung zwischen verschiedenen Bereichen notwendig ist, da sich diese Bereiche durch die Verdichtung aus einer Frischbetonmischung heraus bilden und gemeinsam aushärten. Zudem kann der Frischbeton nach einer einzigen Rezeptur hergestellt werden, was eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses von Betonelementen mit integrierter Wärmedämmung und/oder Schallabsorption ermöglicht.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Betonelements wird als Betonzusatzmittel ein Fließmittel zugemischt. Mit dem Fließmittel kann die Entmischung von Gesteinskörnungen mit unterschiedlichem Auftrieb erleichtert und somit die Herausbildung eines gewünschten Dichtegradienten reguliert werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Betonelements wird als Betonzusatzmittel ein Luftporenbildner zugemischt. Mit dem Luftporenbildner kann die Dichte im Bindemittelleim zusätzlich herabgesetzt werden und nach der Verdichtung ein besonders großer Dichtegradient erzielt werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Betonelements werden mineralische Gesteinskörnungen in verschiedenen Korngrößen und unterschiedlichen Dichten, Bindemittel und Zusatzmittel zu einem fließfähigen Frischbeton vermischt. In vorteilhafter Weise kann der Dichtegradient durch Zumischen mineralischer Gesteinskörnungen mit unterschiedlicher Kornrohdichte verstärkt werden, wenn Gesteinskörnungen mit unterschiedlicher Kornrohdichte zugleich unterschiedliche Korngrößen aufweisen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine leichte mineralische Gesteinskörnung aus Blähton oder einer anderen leichten mineralischen oder leichten organischen Körnung von 2 mm bis 32 mm, bevorzugt mit einer Körnung von 8 mm bis 16 mm, zur Betonherstellung eingesetzt. In dieser Ausführungsform des Verfahrens kann die Gesteinskörnung als organische Gesteinskörnung ausgebildet sein. Beispielsweise können als organische Gesteinskörnung Kunststoffkugeln bzw. -granulate oder natürliche Körnungen aus Holzschnitzeln bzw. -pellets zugesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine dichte mineralische Gesteinskörnung mit einer Körnung bis 32 mm, bevorzugt mit einer Körnung von 4 mm bis 16 mm, zur Betonherstellung eingesetzt. Eine solche Gesteinskörnung wird als normale Gesteinskörnung bezeichnet.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist eine erste Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ und eine zweite Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ auf, wobei die erste Gesteinskörnung eine andere Korngröße aufweist als die zweite Gesteinskörnung. Durch die unterschiedliche Korngröße wird eine unterschiedliche Beweglichkeit der ersten und der zweiten Gesteinskörnung erzielt. Dadurch kann die bei der Verdichtung erzielte Entmischung und somit der herausgebildete Dichtegradient gesteuert werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist die erste Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von 2000 kg/m³ und eine Korngröße von zwischen 2 mm und 32 mm, bevorzugt von zwischen 8 mm und 16 mm, auf.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist die erste Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ und mindestens eine weitere Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ auf, wobei die mindestens eine weitere Gesteinskörnung eine Korngröße von höchstens 32 mm, bevorzugt von zwischen 4 mm und 16 mm, aufweist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die erste Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von höchsten 1800 kg/m³ und mindestens eine weitere Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ auf. Dadurch wird bei einer Verdichtung durch Vibration eine ausreichende Entmischung erzielt und somit ein ausreichend großer Dichtegradient herausgebildet.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weisen eine erste und eine zweite Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ und mindestens eine weitere Gesteinskörnung eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ auf, wobei die erste und die zweite Gesteinskörnung unterschiedliche Kornrohdichten aufweisen. Dadurch kann ein mehrstufiger Dichtegradient in einem gradierten Betonteil herausgebildet werden.
Die Erfindung umfasst auch ein gradiertes Betonelement, das mit einem der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Ein solches Betonelement kann als flächig ausgedehntes Plattenelement ausgebildet sein, bei welchem der Dichtegradient entlang des Plattenprofils, also senkrecht zur Flächenausdehnung, verläuft. Ein solches gradiertes Betonelement kann aber auch beliebig geformt sein, wobei der Dichtegradient herstellungsbedingt senkrecht zur Einbausituation des Frischbetons verläuft. Beispielsweise kann ein solches gradiertes Betonelement als Betonsturzelement ausgebildet sein, bei dem der Dichtegradient entlang der Profilrichtung oder Breitenrichtung verläuft.
In einer Ausführungsform weist ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Betonelement entlang einer Profilrichtung einen Dichteunterschied von mindestens 500 kg/m³ auf. Diese Ausführungsform kann eine besonders gute Wärmedämmung und/oder eine besonders gute Schalldämpfung bei großer statischer Belastbarkeit aufweisen.
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines gradierten Betonelements, das mit einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird, als wärmedämmendes Bauteil. Beispielsweise kann ein solches Betonelement als Wandelement, als Bodenelement oder als Deckenelement zur Außendämmung eines Bauwerks eingesetzt werden, wobei der Bereich geringer Betonrohdichte nach innen oder außen weisen kann. In vorteilhafter Weise werden durch den Dichtegradienten Diskontinuitäten im Temperaturverlauf, die bauphysikalisch nachteilig sind, innerhalb des Bauteils vermieden.
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines gradierten Betonelements, das mit einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird, als schallabsorbierendes Bauteil. Beispielsweise kann ein solches Betonelement als Wandelement, als Bodenelement oder als Deckenelement zur Verminderung der Übertragung von Außenschall, Trittschall oder anderer Schallquellen innerhalb eines Bauwerks oder an dem Verkehr zugänglichen Straßen eingesetzt werden. In vorteilhafter Weise entfällt dabei die Notwendigkeit, zusätzliche schallabsorbierende Schichten, Beläge oder Bauteile auf tragende Bauteile aufzubringen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung vorgestellt und anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Die Zeichnungen zeigen:

1A schematisch vier Segmente eines Betonelements,
1B den Dichteverlauf entlang von vier Segmenten eines Betonelements,
2A schematisch drei Segmente eines Betonelements,
2B den Dichteverlauf entlang von drei Segmenten eines Betonelements,
3A schematisch fünf Segmente eines Betonelements,
3B den Dichteverlauf entlang von fünf Segmenten eines Betonelements,
4 schematischer Querschnitt durch ein Betonelement vor dem Verdichten des Frischbetons sowie
5 schematischen Querschnitt durch ein Betonelement nach dem Verdichten und Aushärten des Frischbetons.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Beispiel 1

Ausgangsstoffe für die Betonherstellung in einem ersten Ausführungsbeispiel, bezogen auf einen Kubikmeter daraus hergestellten Frischbetons:

	Masseanteil in kg/m³
Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5 R	302
Flugasche	34
Metakaolin	34
Sand Korngröße 0-2 mm - Dichte 2,62 g/cm³	262
Kies Korngröße 4-8 mm - Dichte 2,62 g/cm³	262
Kies Korngröße 8-16 mm - Dichte 2,62 g/cm³	105
Blähton Korngröße 8-16 mm - Dichte 0,58 g/cm³	182
Fließmittel	3,6
Luftporenbildner	0,2
Wasser	126

Die Ausgangsstoffe ohne den Blähton, ohne Wasser und Zusatzmittel wurden 30 Sekunden trocken gemischt, anschließend das Wasser und der Luftporenbildner über einen Zeitraum von 30 Sekunden während des Mischens zugegeben und weitere 30 Sekunden unter Zugabe des Fließmittels gemeinsam gemischt. Danach erfolgte über 60 Sekunden die weitere Mischung. Nach einer Ruhezeit von 30 Sekunden wurde das Gemenge weitere 180 Sekunden durchgemischt. Es erfolgte dann das Einbringen des Blähtons der Korngröße 8-16 mm in das Gemenge und eine Durchmischung über 30 Sekunden.
Unmittelbar nach der Herstellung wurde der Frischbeton in eine Schalung 2 eingebracht, wie in 4 näher dargestellt, und in dieser auf einem Rütteltisch (Frequenz: 50 Hz, Schwingweite: 0,2 mm, Beschleunigung: 9 m/s² - Parameter ohne Auflast) über eine Zeitdauer von 30 Sekunden verdichtet.
Es entstand ein Betonelement 1 mit einer Höhe H von 20 Zentimetern, wie in 1 A schematisch dargestellt. Nach einer Verfestigungsdauer von 28 Tagen wurde das Betonelement 1 entlang der Höhe H in vier anstoßende Segmente 1.1 bis 1.4 von jeweils etwa vier Zentimetern Höhe zersägt, wobei das erste, obere Segment 1.1 am während der Verdichtung oben liegenden Ende des Betonteils 1 und das letzte, untere Segment 1.4 am während der Verdichtung unten liegenden Ende des Betonteils 1 entnommen wurde. Anschließend wurden die entnommenen Segmente 1.1 bis 1.4 bei 60 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Die an diesen Proben bestimmten Dichten D sind in 1B dargestellt.
Entlang der Höhe H des Betonelements 1 ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine minimale Dichte D von 1821 kg/m³ im oberen Segment 1.1 und eine maximale Dichte D von 2642 kg/m³ im unteren Segment 1.4. Somit ist in dem Betonelement 1 ein Dichtegradient erzielt, wie in 1B dargestellt.
Beispiel 2

Ausgangsstoffe für die Betonherstellung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bezogen auf einen Kubikmeter daraus hergestellten Frischbetons:

	Masseanteil in kg/m³
Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5 R	310
Flugasche	34
Metakaolin	34
Sand Korngröße 0-2 mm - Dichte 2,62 g/cm³	262
Kies Korngröße 4-8 mm - Dichte 2,62 g/cm³	262
Kies Korngröße 8-16 mm - Dichte 2,62 g/cm³	105
Blähton Korngröße 8-16 mm - Dichte 0,58 g/cm³	182
Fließmittel	5,3
Luftporenbildner	0,2
Wasser	120

Die Ausgangsstoffe ohne den Blähton, ohne Wasser und Zusatzmittel wurden 30 Sekunden trocken gemischt, anschließend das Wasser und der Luftporenbildner über einen Zeitraum von 30 Sekunden während des Mischens zugegeben und weitere 30 Sekunden unter Zugabe des Fließmittels gemeinsam gemischt. Danach erfolgte über 60 Sekunden die weitere Mischung. Nach einer Ruhezeit von 30 Sekunden wurde das Gemenge weitere 180 Sekunden durchgemischt. Es erfolgte dann das Einbringen des Blähtons der Korngröße 8-16 mm in das Gemenge und eine Durchmischung über 30 Sekunden. Unmittelbar nach der Herstellung wurde der Frischbeton in eine Schalung 2 eingebracht, wie in 4 näher dargestellt, und in dieser auf einem Rütteltisch (Frequenz: 50 Hz, Schwingweite: 0,2 mm, Beschleunigung: 9 m/s² - Parameter ohne Auflast) über eine Zeitdauer von 60 Sekunden verdichtet.
Es entstand ein Betonelement 1' mit einer Höhe H von 20 Zentimetern, wie in 2A schematisch dargestellt. Nach einer Verfestigungsdauer von 28 Tagen wurde das Betonelement 1' entlang der Höhe H in drei anstoßende Segmente 1'.1 bis 1'.3 von etwa fünf Zentimetern Höhe zersägt, wobei das erste, obere Segment 1.1 entsprechend einem oberen Bereich B1 am während der Verdichtung oben liegenden Ende des Betonteils 1' und das letzte, untere Segment 1.3 entsprechend einem unteren Bereich B3 am während der Verdichtung unten liegenden Ende des Betonteils 1' herausgesägt und entnommen wurde. Das mittlere Segment 1.2 wurde in einem mittleren Bereich B2 zwischen dem oberen Bereich B1 und dem unteren Bereich B3 liegend entnommen. Anschließend wurden die entnommenen Segmente 1'.1 bis 1'.3 bei 60 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Die an diesen Proben bestimmten Dichten D sind in 2B dargestellt.
Entlang der Höhe H des Betonelements 1' ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine minimale Dichte von 1078 kg/m³ im oberen Segment 1'.1 und eine maximale Dichte D von 2999 kg/m³ im unteren Segment 1'.3, wie in 2B dargestellt.
Beispiel 3

Ausgangsstoffe für die Betonherstellung in einem dritten Ausführungsbeispiel, bezogen auf einen Kubikmeter daraus hergestellten Frischbetons:

	Masseanteil in kg/m³
Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5 R	269
Flugasche	30
Metakaolin	30
Sand Korngröße 0-2 mm - Dichte 2,62 g/cm³	201
Kies Korngröße 4-8 mm - Dichte 2,62 g/cm³	257
Kies Korngröße 8-16 mm - Dichte 2,62 g/cm³	103
Blähton Korngröße 6-8 mm - Dichte 0,58 g/cm³	74
Blähton Korngröße 6-8 mm - Dichte 1,49 g/cm³	188
Fließmittel	4,6
Luftporenbildner	0,2
Wasser	104

Die Ausgangsstoffe ohne die Blähtone, ohne Wasser und Zusatzmittel wurden 30 Sekunden trocken gemischt, anschließend das Wasser und der Luftporenbildner über einen Zeitraum von 30 Sekunden während des Mischens zugegeben und weitere 30 Sekunden unter Zugabe des Fließmittels gemeinsam gemischt. Danach erfolgte über 60 Sekunden die weitere Mischung. Nach einer Ruhezeit von 30 Sekunden wurde das Gemenge weitere 180 Sekunden durchgemischt. Es erfolgte dann das Einbringen der beiden Blähtone der Korngröße 6-8 mm in das Gemenge und eine Durchmischung über 30 Sekunden.
Unmittelbar nach der Herstellung wurde der Frischbeton in eine Schalung 2 eingebracht, wie in 4 näher dargestellt, und in dieser auf einem Rütteltisch (Frequenz: 50 Hz, Schwingweite: 0,2 mm, Beschleunigung: 9 m/s² - Parameter ohne Auflast) über eine Zeitdauer von 45 Sekunden verdichtet.
Es entstand ein Betonelement 1'' mit einer Höhe H von 20 Zentimetern, wie in 3A schematisch dargestellt. Nach einer Verfestigungsdauer von 28 Tagen wurde das Betonelement 1'' entlang der Höhe H in fünf anstoßende Segmente 1''.1 bis 1.5'' von jeweils etwa 3,5 cm Höhe zersägt, wobei das erste, obere Segment 1''.1 am während der Verdichtung oben liegenden Ende des Betonteils 1 und das letzte, untere Segment 1''.5 am während der Verdichtung unten liegenden Ende des Betonteils 1'' entnommen wurde. Anschließend wurden die entnommenen Segmente 1''.1 bis 1''.5 bei 60 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Die an diesen Proben bestimmten Dichten D sind in 3B dargestellt.
Entlang der Höhe H des Betonelements 1'' ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine minimale Dichte D von 1053 kg/m³ im oberen Segment 1''.1 und eine maximale Dichte D von 2125 kg/m³ im unteren Segment 1''.5, wie in 3B dargestellt.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Frischbeton 1 unmittelbar nach dem Einfüllen in eine Schalung 2, die beispielsweise als Rahmenschalung 2 mit einem Schalungsboden 2.1 und einem Schalungsrahmen 2.2 ausgeführt sein kann. Die Schalung 2 ist so angeordnet, dass das Betonelement 1 liegend gefertigt wird, so dass die Profilrichtung H des Betonelements 1 in vertikale Richtung, also senkrecht zum Schalungsboden 2.1, weist.
Der Frischbeton ist beim Einfüllen in die Form von fließfähiger Konsistenz. Zuvor wird der Frischbeton durch gleichmäßiges Vermischen der Betonausgangstoffe, zu diesen gehören Bindemittel, Gesteinskörnungen unterschiedlicher Dichte, Füllstoffe unterschiedlicher Arten, Fasern, Fließmittel, Stabilisierer und Porenbildner, mit Wasser hergestellt. Als Bindemittel kommen Zemente oder Mischungen aus mehreren Zementen zum Einsatz.
Aus dem Stand der Technik sind Betonzusatzmittel bekannt, die flüssig oder in Pulverform sind und in geringen Konzentrationen dem Frischbeton zugesetzt werden. Als Betonzusatzmittel können beispielsweise Fließmittel, Stabilisierer oder Luftporenbildner eingesetzt werden. Die mineralischen Materialien umfassen die bindemittelmatrixbildenden Zemente und vorzugsweise pulverförmige Betonzusatzstoffe, wie Mikrosilika, thermisch aktivierte Tone und /oder Flugaschen, sowie mehrere mineralische Materialien in jeweils unterschiedlichen Gesteinskörnungen G1, G2, G3 und/oder ein mineralisches Material in mehreren unterschiedlichen Gesteinskörnungen G1, G2, G3. Die Gesteinskörnungen G1, G2, G3 weisen unterschiedliche Kornrohdichten auf, wobei mindestens eine sehr leichte Gesteinskörnung G1 eine sehr geringe Kornrohdichte aufweist, eine leichte Gesteinskörnung G2 eine geringe Kornrohdichte aufweist und eine normale Gesteinskörnung G3 eine hohe Kornrohdichte aufweist. Die sehr geringe Kornrohdichte der sehr leichten Gesteinskörnung G1 ist geringer als die geringe Kornrohdichte der leichten Gesteinskörnung G2. Die geringe Kornrohdichte der leichten Gesteinskörnung G2 ist geringer als die hohe Kornrohdichte der normalen Gesteinskörnung G3.
Die unterschiedlichen Kornrohdichten der Gesteinskörnungen G1, G2, G3 können durch unterschiedliche Porositäten und/oder durch unterschiedliche mineralische Bestandteile bewirkt sein. Im fließfähigen Frischbeton sind die Körner der Gesteinskörnungen G1, G2, G3 zunächst homogen verteilt.
Das Verdichten des Betons nach dem Einfüllen des Frischbetons durch Vibration bewirkt eine weitere Verflüssigung des Bindemittelleimes und in deren Folge ein allmähliches Aufsteigen mindestens einer sehr leichten Gesteinskörnung G1 und/oder ein allmähliches Absinken von mindestens einer normalen Gesteinskörnung G3 mit vergleichsweise höherer Kornrohdichte. Wie in 5 schematisch gezeigt, kommt es zu einer Gradierung der Körner der Gesteinskörnungen G1, G2, G3 entlang der in vertikaler Richtung angeordneten Profilrichtung H des Betonteils 1, wobei sich die normale Gesteinskörnung G3 bevorzugt in einem unteren Bereich B3 nahe am Schalungsboden 2.1, die leichte Gesteinskörnung G2 bevorzugt in einem darüber liegenden mittleren Bereich B2 und die sehr leichte Gesteinskörnung G1 bevorzugt in einem oberen Bereich B1 sammelt. Hierbei wird normalerweise keine vollständige Auftrennung nach Dichteklassen erfolgen, es werden also beispielsweise vereinzelte Körner sehr leichter Gesteinskörnung G1 im mittleren Bereich B2 und/oder vereinzelte Körner leichter Gesteinskörnung G2 im oberen Bereich B1 abgelagert sein.
Die Beweglichkeit der Körner und somit der Grad des Auftriebs der Gesteinskörnungen G1, G2, G3 entlang der Profilrichtung H im Bindemittelleim ist mittels der Unterschiede der Kornrohdichten der Gesteinskörnungen G1, G2, G3 und/oder mittels unterschiedlicher Korngrößen und Kornformen für die Gesteinskörnungen G1, G2, G3 steuerbar.
Im Ergebnis des unterschiedlichen Auftriebs von Gesteinskörnungen verschiedener Dichte im durch den Eintrag von Verdichtungsenergie durch Vibration verflüssigten Bindemittelleim entsteht ein Betonelement 1 mit einer im Bauteilquerschnitt, also entlang der Profilrichtung H, gradierten Betonrohdichte. Dieser Dichtegradient bleibt nach dem Aushärten des Frischbetons unabhängig von der Einbaulage des Betonelements 1 erhalten. Eine solche graduelle oder kontinuierliche Dichteänderung ist bauphysikalisch den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit getrennt aufgebrachten Betonschichten oder zufällig eingestellten geringen Dichtegradienten überlegen. Die angestrebte Gradierung kann nicht über eine Verdichtung des Frischbetons durch Pressen oder Stampfen erzielt werden. Erdfeuchte oder sehr steife Frischbetone sind für die Herstellung gradierter Betone nicht geeignet.
In vorteilhafter Weise kann so ein Betonelement 1 hergestellt werden, das entlang des Bauteilquerschnitts einen ersten, statisch belastbaren Bereich B3 mit sehr hoher Dichte beziehungsweise sehr geringer Porosität und mindestens einen weiteren, leichten Bereich B1 mit vergleichsweise niedrigerer Dichte beziehungsweise höherer Porosität aufweist, wobei der weitere leichte Bereich wärmedämmend und/oder schallabsorbierend wirkt. Es lassen sich somit Betonelemente 1 herstellen, die neben der lastabtragenden statischen Funktion weitere Funktionen übernehmen oder verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Dabei ist es ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass keine zusätzliche Verbindung zwischen verschiedenen Bereichen B1, B2, B3 notwendig ist, da sich diese Bereiche B1, B2, B3 durch die Verdichtungsarbeit aus einer Frischbetonmischung ausbilden und zeitgleich gemeinsam aushärten. Zudem kann der Frischbeton nach einer einzigen Rezeptur hergestellt werden, was eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses von Betonelementen 1 mit integrierter Wärmedämmung ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Betonelement
1.1 bis 1.4: Segment
1'.1 bis 1'.3: Segment
1''.1 bis 1".5: Segment
2: Schalung
2.1: Schalungsboden
2.2: Schalungsrahmen
B1: oberer Bereich
B2: mittlerer Bereich
B3: unterer Bereich
D: Dichte
H: Profilrichtung, Höhe
G1: sehr leichte Gesteinskörnung
G2: leichte Gesteinskörnung
G3: normale Gesteinskörnung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gradierten Betonelements (1) mit einer entlang einer Profilrichtung (H) verlaufenden Dichtegradierung, dadurch gekennzeichnet, dass - Zement, Wasser, mindestens ein Betonzusatzstoff, mindestens ein Betonzusatzmittel, eine erste Gesteinskörnung (G1, G2) und mindestens eine weitere Gesteinskörnung (G3) zu einem weichen bis fließfähigen Frischbeton vermischt werden, wobei die erste Gesteinskörnung (G1, G2) eine Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ und mindestens eine weitere Gesteinskörnung (G3) eine Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ aufweisen, - der fließfähige Frischbeton in eine Schalung (2) oder in eine Gussform eingebracht und - unmittelbar nach dem Einbringen durch Vibration verdichtet wird, wobei die Vibration und die Rohdichte der Gesteinskörnungen (G1, G2, G3) so gewählt werden, dass es zu einer Verflüssigung des Frischbetons sowie einer Dichtetrennung der Gesteinskörnungen (G1, G2, G3) im Frischbeton derart kommt, dass der hydraulisch ausgehärtete Beton entlang der Profilrichtung (H) einen Dichteunterschied von mindestens 500 kg/m³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Betonzusatzmittel ein Fließmittel zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Betonzusatzmittel ein Luftporenbildner zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gesteinskörnung (G1, G2) mit einer Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ eine andere Korngröße aufweist als eine weitere Gesteinskörnung (G3) mit einer Kornrohdichte von über 2000 kg/m³.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gesteinskörnung (G1, G2) mit einer Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³ eine Korngröße von zwischen 2 mm und 32 mm, bevorzugt eine Korngröße von zwischen 8 mm und 16 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere mineralische Gesteinskörnung (G3) mit einer Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ eine Korngröße von höchstens 32 mm, bevorzugt eine Korngröße von zwischen 4 mm und 16 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gesteinskörnung (G1) eine Kornrohdichte von höchstens 1800 kg/m³aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gesteinskörnung (G1) eine erste Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³aufweist und eine zweite Gesteinskörnung (G2) eine von der ersten Kornrohdichte abweichende zweite Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³aufweist und mindestens eine weitere Gesteinskörnung (G3) eine weitere Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - Zement, der mindestens eine Betonzusatzstoff und die mindestens eine weitere Gesteinskörnung (G3) mit einer Kornrohdichte von über 2000 kg/m³ trocken gemischt werden, - anschließend Wasser und das mindestens eine Betonzusatzmittel zugegeben und zu einem Gemenge vermischt werden, - anschließend das Gemenge weiter durchgemischt wird, ruht und danach nochmals durchgemischt wird, - anschließend in das Gemenge mindestens die erste Gesteinskörnung (G1) mit einer Kornrohdichte von höchstens 2000 kg/m³eingebracht und zu einem Frischbeton durchmischt werden, - der Frischbeton in eine Schalung (2) eingebracht wird und - der Frischbeton in der Schalung (2) durch Vibration verdichtet wird und hydraulisch aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf einen Kubikmeter Frischbeton - 302 kg Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5R, 34 kg Flugasche, 34 kg Metakaolin, 262 kg Sand (G3) mit einer Korngröße kleiner als 2 mm, 262 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 4 bis 8 mm, 262 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm trocken gemischt werden, - anschließend 126 kg Wasser und 0,2 kg Luftporenbildner zugegeben und vermischt werden, - anschließend 3,6 kg Fließmittel zugegeben und vermischt werden, - anschließend das Gemenge weiter durchgemischt wird, ruht und danach nochmals durchgemischt wird, - anschließend in das Gemenge 182 kg Blähton (G1) mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm und einer Kornrohdichte von 580 kg/m³ eingebracht und zu einem Frischbeton durchmischt werden, - der Frischbeton in eine Schalung (2) eingebracht wird und - der Frischbeton in der Schalung (2) durch Rütteln über 30 Sekunden mit einer Frequenz von 50 Hertz bei einer Schwingweite von 0,2 mm und einer auflastfreien Beschleunigung von 9 m/s² verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf einen Kubikmeter Frischbeton - 310 kg Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5R, 34 kg Flugasche, 34 kg Metakaolin, 262 kg Sand (G3) mit einer Korngröße kleiner als 2 mm, 262 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 4 bis 8 mm, 262 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm trocken gemischt werden, - anschließend 120 kg Wasser und 0,2 kg Luftporenbildner zugegeben und vermischt werden, - anschließend 5,3 kg Fließmittel zugegeben und vermischt werden, - anschließend das Gemenge weiter durchgemischt wird, ruht und danach nochmals durchgemischt wird, - anschließend in das Gemenge 182 kg Blähton (G1) mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm und einer Kornrohdichte von 580 kg/m³ eingebracht und zu einem Frischbeton durchmischt werden, - der Frischbeton in eine Schalung (2) eingebracht wird und - der Frischbeton in der Schalung (2) durch Rütteln über 60 Sekunden mit einer Frequenz von 50 Hertz bei einer Schwingweite von 0,2 mm und einer auflastfreien Beschleunigung von 9 m/s² verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf einen Kubikmeter Frischbeton - 269 kg Zement CEM II/A-M(S-LL)52,5R, 30 kg Flugasche, 30 kg Metakaolin, 201 kg Sand (G3) mit einer Korngröße kleiner als 2 mm, 257 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 4 bis 8 mm, 103 kg Kies (G3) mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm trocken gemischt werden, - anschließend 104 kg Wasser und 0,2 kg Luftporenbildner zugegeben und vermischt werden, - anschließend 4,6 kg Fließmittel zugegeben und vermischt werden, - anschließend das Gemenge weiter durchgemischt wird, ruht und danach nochmals durchgemischt wird, - anschließend in das Gemenge 74 kg Blähton (G1) mit einer Korngröße von 6 bis 8 mm und einer Kornrohdichte von 580 kg/m³ sowie 188 kg Blähton (G2) mit einer Korngröße von 6 bis 8 mm und einer Kornrohdichte von 1490 kg/m³ eingebracht und zu einem Frischbeton durchmischt werden, - der Frischbeton in eine Schalung (2) eingebracht wird und - der Frischbeton in der Schalung (2) durch Rütteln über 45 Sekunden mit einer Frequenz von 50 Hertz bei einer Schwingweite von 0,2 mm und einer auflastfreien Beschleunigung von 9 m/s² verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Frischbetons Bewehrungsmaterial in die Schalung (2) eingelegt wird.
Betonelement (1), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Profilrichtung (H) ein Dichteunterschied von mindestens 500 kg/m³ vorhanden ist.
Verwendung eines Betonelements (1) nach Anspruch 14 als wärmedämmendes Bauteil.
Verwendung eines Betonelements (1) nach Anspruch 14 als schallabsorbierendes Bauteil.