DE102020000572B4 - Verfahren und Gerät zur Untersuchung von Frischbeton mit künstlich eingeführten Luftporen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Untersuchung von Frischbeton mit künstlich eingeführten Luftporen bei welchem eine Betonprobe in einem Behälter (2) aus Edelstahl verdichtet wird, mit einem Deckel (3) verschlossen wird, Deckel (3) und Behälter (2) zu einem Druckbehälter verspannt werden, der Hohlraum zwischen Betonprobe und Deckel (3) blasenfrei mit Wasser ausgefüllt wird, in den verschlossenen Behälter (2) über eine Dosierpumpe (7) zur Bestimmung des Luftgehalts Wasser gepumpt wird, die Dosierpumpe (7) bei Erreichen eines vorgegebenen maximalen Drucks von einem Druckschalter (6) abgeschaltet wird, die Pumpenfördermenge ablesbar ist und der Luftgehalt im verschlossenen Behälter (2) über die Pumpenfördermenge unter Berücksichtigung der Behälterdehnung und des maximalen Drucks nach Boyle-Mariotte berechnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine Dosierpumpe (7) mit kleiner Förderleistung in den Druckbehälter gepumpt wird und dadurch der Druck im Behälter (2) zeitlich gestreckt steigt und die Druckentwicklung über ein Manometer (6) erfasst wird und als Abhängigkeit zur zeitgleichen Fördermenge der Dosierpumpe (7) als Kurve (12) dargestellt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf die Untersuchung von Frischbeton mit künstlich eingeführten Luftporen.
• Beton mit künstlich eingeführten Luftporen ist ein Baustoff, der als Gemisch aus dem Bindemittel Zement, Zusatzstoffen, Wasser, Gesteinskörnungen und Betonzusatzmitteln hergestellt wird. Schon in den 40 er Jahren des vorigen Jahrhunderts war bekannt, dass gezielt eingeführte Luftporen den erhärteten Beton widerstandsfähiger gegen Frost- und Frosttausalzangriff machen. Als Verfahren den Luftgehalt vor dem Einbau des Betons zu bestimmen wurde unter Anwendung des Boyle-Mariotte Gesetzes (Das Boyle-Mariotte-Gesetz besagt, dass der Druck von idealen Gasen bei gleichbleibender Temperatur T (isotherm) und gleichzeitig gleichbleibender Stoffmenge umgekehrt proportional zum Volumen V ist), im Juni 1946 der „Klein-Airmeter“ Klein, Walker „A Method for Direct Measurement of Entrained Air in Concrete“ Journal of ACI Vol 17 N. 6 June 1946 und 1948 von Tremper, Bailey, and Gooding, \V. L., „Washington Method of Determining Air in Fresh Concrete,“ presented at 1948 meeting of the Highway Research Board. Bild 2 S. 212 Figure 1 eine Variante der Anwendung vorgestellt. Beide Methoden werden als „Concrete Pressure Airmeter Typ A“ (Klein) und „Concrete Pressure Airmeter Typ B“ (Tremper) in ASTM C-231 und darauf aufbauende Normen gleichberechtigt international und für Deutschland in DIN EN 12350-7 angewendet, wobei Typ B nach Tremper am häufigsten eingesetzt wird.
• Bottke wies in „Voraussetzungen für zuverlässige Messwerte des Luftgehalts von Frischbeton mit Luftgehaltsprüfern nach dem Druckausgleichsverfahren nach DIN EN 12350 (Pressure air meter, ASTM C231 Typ B“) Betonwerk International Heft 5 Oktober 2016" auf die Ursachen fehlerhafter Messwerte hin und forderte Verbesserungen in Bezug auf die Konstruktion und das Material. Ein Luftgehaltsprüfer auf Basis dieser Verbesserungen ist seither als „Super LP Topf“ im Markt.
• Der Klein-Airmeter wird in Deutschland kaum angewendet. Das Prinzip, den Luftgehalt bei konstantem Druck über das Volumen des eingepressten Wassers zu bestimmen, findet Anwendung im HYDRO_5 Frischbetonprüfer DE 101 05 198 A1 Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Luftporenanteils von Frischbeton Anmeldetag 6.2.2001", jedoch mit der Verbesserung gegenüber dem Klein-Airmeter , dass das eingepresste Wasser nicht volumetrisch sondern über die Masse durch Differenzwiegung bestimmt wird (Bottke, Rainer „HYDRO_5 Prognose der 28 Tage Festigkeit mit Hilfe der Frischbetonrohdichte und Porosität“ 59. Betontage Ulm) und in „JP H10 – 332 685 A“.
• Ein Verfahren zur Bewertung und Zulassung von Luftgehaltsprüfern an einer Standard Betonfahrbahndecken Rezeptur deckte auf, dass alle getesteten Luftgehaltsprüfer auf Basis des Druckausgleichverfahrens (Typ B) verfahrens- und konstruktionsbedingt zu fehlerhaften Messwerten bei Rezepturen für Betonfahrbahndecken führen. Ein ebenfalls getesteter Luftgehaltsprüfer auf Basis der Wassersäule nach Klein in Kombination mit der in „ DE 101 05 198 A1 “ und in „ JP H10 – 332 685 A “ beschriebenen Variante, das eingepresste Wasser über Wiegung zu bestimmen, zeigt deutlich nähere Messwerte am rechnerischen Sollwert und ist damit für die Messung des Luftgehalts am Betonfahrbahndeckenbeton geeigneter. Als nachteilig wurde bei Praxistests auf Baustellen festgestellt, dass die Wiegegenauigkeit im Bereich von +- 1g wegen der Einflüsse aus Witterung und Vibrationen besondere Sorgfalt erfordert.
• Durch die Bestimmung des gesamten Luftgehalts des Frischbetons kann der Widerstand des Betons gegen Frost- und Frosttausalzangriffe noch nicht ausreichend abgeschätzt werden. Dieser hängt von der Verteilung der Poren ab und erfordert einen Mindestanteil sehr kleiner und kleiner Poren. Der Anteil an Makroporen hingegen wirkt sich nachteilig auf die Festigkeit des Betons aus.
• In den frühen 1990 Jahren wurde zur Analyse der Porenverteilung der Air Void Analyser (AVA) durch Danks Beton Teknik (DBT) vorgestellt. Das Verfahren ist sehr empfindlich und nicht adäquat für die Anwendung auf Baustellen.
• In Patent „ US 2014 / 0 096 593 A1 “ System and Method for rapid Measurement of Air Void Distribution of fresh concrete melden Ley und andere Ansprüche auf ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens der Porenverteilung am Frischbeton an und bewerten in „Abschnitt 0006“ den Air Void Analyser als ungeeignet für die Messungen an Baustellen und stellen in „Abschnitt 0010“ fest, dass es an einem Verfahren und Gerät fehlt, dass die Porenverteilung im Frischbeton schneller und genauer bestimmt und stellen in „Figure 1 bis Figure 3" ein Gerät auf Basis eines Luftgehaltprüfers (Typ B) vor. In „Figure 4 und Figure 5“ wird ein Verfahren zur Auswertung der Messwerte dargestellt.
• Luftgehaltsprüfer (Typ B) sind für die Messung der Luftporen von Fahrbahndeckenbeton ungeeignet und genügen konstruktionsbedingt den erhöhten Anforderungen der Ansprüche aus Patent „ US 2014 / 0 096 593 A1 “ unzureichend. Dies dürfte eine Ursache dafür sein, dass Tanesi u.a. „Super Air Meter for Assessing Air-Void System of Fresh Concrete, Conference 94th Transportation Research Board Annual Meeting, At Washington DC Conference Paper Jan, 2015“ berichten, dass kein Zusammenhang zwischen den SAM Werten und der Porenverteilung gefunden wurde. (Zeile 249 bis Zeile 262) Das in „Figure 4 und Figure 5“ beschriebene Verfahren stellt empirisch ermittelte Zusammenhänge dar, deren Allgemeingültigkeit nicht bewiesen wird.
• Es besteht die Aufgabe ein für Baustellen geeignetes Gerät und Verfahren zu finden, mit dem der Luftgehalt am Frischbeton zuverlässig und genau gemessen wird und der Anteil der Mikroporen abgeschätzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfinderisch dadurch gelöst, dass ein Luftgehaltsprüfer auf Basis der Ersterfindung von Klein „Pressure Air Meter Typ A“, aus Metall gem. ASTM C-231 vorzugsweise Edelstahl zum Einsatz kommt. Der Druckbehälter (1) entsteht durch das Verspannen von (3) Deckel aus Akrylglas gem. „ DE 20 2016 000 540 U1 Luftgehaltsprüfer (Druckausgleich) zur Luftgehaltsprüfung im Frischbeton besonders Straßenbeton (Super LP Topf) 2.", und (2) Probenbehälter, beispielhaft durch einen (1) Spannrahmen aus Edelstahl, mit (4) Füllventil, (5) Entlüftungsventil, (6) Druckschalter. Der sich so ergebende Behälter ist dauerhaft widerstandsfähig gegen die aggressive Alkalität der Zementschlämpe der Betonproben und nach dem Verspannen als Druckbehälter für die Anwendung des Boyle-Mariott Gesetzes zur Bestimmung des unbekannten Luftgehalts in der Betonprobe auch bei Druckbelastungen von > 2,00 bar geeignet.
• Die vollständige Erfassung des Luftgehalts der Betonprobe über die Wassersäule bedingt die Erfassung des in den Druckbehälter eingepressten Wassers mit einer Genauigkeit von +- 1 ml oder +-1 g. Diese Genauigkeit kann, wenn das eingepresste Wasser durch Wiegung ermittelt wird, auf Baustellen wegen der Witterungs- und Vibrationseinflüsse nicht zuverlässig erreicht werden. Dieses Problem wird erfinderisch dadurch gelöst, dass das eingepresste Wasser nicht durch Wiegung bestimmt wird.
• Das eingepresste Wasser wird erstmalig bei einem Luftgehaltsprüfer nach Anspruch 1 über eine Dosierpumpe (7) beispielhaft DOSATec HTS 5,00 l/h - 8,00 bar - 160 1/min PVDF/FPM Magnet-Membran-Pumpe zur Dosierung flüssiger Medien mit hoher Genauigkeit, gefördert. Das aus dem (8) Wasserbehälter angesogene und in den Druckbehälter gepresste Wasser ist volumetrisch an der Pumpe ablesbar. Die Dosierpumpe wird über den Druckschalter (6) beispielhaft WIKA PSD-4 0....4bar ausgeschaltet, wenn der eingestellte maximale Druck (beispielhaft 2,500 bar) erreicht ist.
• Zur Berechnung des Luftvolumens muss die Volumenvergrößerung des Druckbehälters bei der maximalen Druckbelastung berücksichtigt werden. Um die Volumenvergrößerung unter maximalem Druck festzustellen, wird der Behälter verspannt und über das (4) Füllventil blasenfrei mit Wasser (20°) gefüllt. Die Luft entweicht über das (5) Lüftungsventil. Nach dem Verschließen des Lüftungsventils wird die Dosierpumpe mittels (10) Druckschlauch mit Schnellkupplung mit dem (4) Füllventil verbunden und der (9) Saugschlauch in den Wasservorratsbehälter gehängt. Die Dosierpumpe wird gestartet und fördert kontinuierlich Wasser, bis der eingestellte maximale Druck erreicht ist und der Druckschalter die Dosierpumpe abschaltet. Die Dosierpumpe zeigt das gepumpte Wasservolumen an, das als Volumenvergrößerung (Dehnung unter Druck) berücksichtigt werden muss. (beispielhaft 25ml)
• Das Luftvolumens im leeren Behälter (beispielhaft für leeren Behälter 6250 ml) kann auf 2 Wegen bestimmt werden.
  Weg 1: Das Gerät wird leer mit Deckel gewogen (Leergewicht beispielhaft 8100g) Dann wird das Gerät über das Füllventil blasenfrei mit Wasser (20°) gefüllt und gewogen. (Wiegung 1 beispielhaft 14350 g). Die Differenz (Wiegung1-Leergewicht) ist das Behältervolumen. (beispielhaft 6250 g^~ 6250 ml)
  Weg 2: Das Behältervolumen nach Boyle-Mariotte. Dazu wird die Dosierpumpe über das Füllventil mit dem Behälter verbunden und bei geschlossenem Entlüftungsventil gestartet. Wenn der maximale Druck (beispielhaft 2,500 bar) erreicht ist, schaltet der Druckschalter die Dosierpumpe ab. Die Dosierpumpe zeigt bei entsprechender Programmierung der digitalen Anzeige das Volumen des eingepressten Wassers als Summe der Kolbenhübe an. (beispielhaft 4489 ml) Zur Berechnung des Luftvolumens nach Boyle-Mariotte wird die Dehnung des Behälters (25ml) abgezogen. Es verbleibt w=4464 ml. Das Luftvolumen berechnet sich, abgeleitet aus Boyle-Mariotte aus $V=w+\frac{w}{\mathrm{2,5}}$

  

  d.h. beispielhaft V = 4464 + 4464/2,5 ^~ 6250 ml.
• Die Ergebnisse aus Weg 1 und Weg 2 sollten nicht mehr als +-2 ml voneinander abweichen.
• Zur Bestimmung des Luftgehalts einer Betonprobe wird die repräsentative Probe in den Probebehälter aus Metall gem. ASTM C-231 vorzugsweise Edelstahl gefüllt und verdichtet. (beispielhaft 30 sec) Probehälter und Deckel werden verspannt und der Hohlraum zwischen Oberfläche Betonprobe und Deckel über das Einfüllventil blasenfrei mit Wasser aufgefüllt. Die Luft entweicht über das Entlüftungsventil. Das Entlüftungsventil wird geschlossen.
• Die Bestimmung der Frischbetondichte erfolgt zweckmäßigerweise, in dem der LP Topf als Betonpyknometer genutzt wird. Aus dem gem. [0013] ermittelten Volumen mit Deckel, Leergewicht, Betongewicht und (Betongewicht + Wasser) wird die Frischbetondichte errechnet. Bottke, Rainer „HYDRO_5 Prognose der 28 Tage Festigkeit mit Hilfe der Frischbetonrohdichte und Porosität“ 59. Betontage Ulm
• Die Bestimmung des Gesamt Luftgehalts der Betonprobe erfolgt, wie unter [0014] beschrieben. Die Aufgabe, den Anteil der Mikroporen abzuschätzen, wird erfinderisch als Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Luftvolumen im Druckbehälter im Gegensatz zum Luftgehaltsprüfer nach Klein und „ DE 101 05 198 A1 “ nicht schlagartig mit dem Prüfdruck belastet wird, sondern dass das Luftvolumen durch zeitlich gestrecktes und zeitlich definiertes Fördern von Wasser in den Druckbehälter verringert wird.
• Der Druckaufbau im Luftpolster erfolgt kontinuierlich und unterliegt der von Boyle-Mariotte beschriebenen Gesetzmäßigkeit. Die Druckentwicklung wird durch ein Manometer erfasst und zur Darstellung als Messkurve weitergegeben und nimmt bei einem Luftpolster mit dem Volumen der in den Poren verteilten Luft den in 2 (11) Standardkurve für ein Luftvolumen von 100 ml dargestellten Verlauf. Als Manometer wird ein Gerät eingesetzt, dass sowohl als Druckschalter dient, den Druck ablesbar darstellt und die Druckentwicklung zur Darstellung als Messkurve weitergibt, (beispielhaft WIKA PSD-4 0...4 bar)
• Der Luftanteil in einer Frischbetonprobe liegt bei Zugabe von Luftporenbildnern fein verteilt als Poren unterschiedlicher Größe vor. Aufgabe ist es den Anteil an Mikroporen beim Frischbeton abzuschätzen. Diese Aufgabe wird als Anspruch 2 erfinderisch über die in der Young-Laplace-Gleichung definierte Tatsache gelöst, dass die Oberflächenspannung der die Pore bildenden Blase von der Größe der Pore abhängt. Je kleiner die Pore ist, je mehr Druck ist erforderlich die Blasenwand zu verformen.
• An Kalibrierbällen gem. „ DE 20 2015 005 554 U1 Kalibrierbälle zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Luftporen Messgeräte für die Betonqualitätskontrolle” kann gezeigt werden, dass die eingeschlossene Luft erst komprimiert wird, wenn der Widerstand der Wandung überwunden ist. Versuche haben bestätigt, dass der Druck zur Überwindung des Widerstands der Wandung deutlich überschritten sein muss, um über die Boyle-Mariotte Gesetzmäßigkeit den Luftinhalt zu bestimmen. Daraus ergibt sich, dass nach dem Einschalten der Pumpe zunächst nur die groben Poren, deren Wandung keinen nennenswerten Widerstand bieten. erfasst werden. Damit liegt die Messkurve so lange über der Standardkurve bis alle Poren erfasst werden. Die Pumpe drückt stetig Wasser in den Behälter, verringert so das Luftvolumen und erhöht somit den Druck bis zum eingestellten maximalen Druck, der zum Abschalten der Pumpe führt.
• Die Messkurve liegt über der Standardkurve beispielhaft (12) und nähert sich um oberen Verlauf der Standardkurve. Am, im Gegensatz zur Standardkurve, sich zwangsläufig ergebenden unstetigen Verlauf der Messkurve ist ablesbar, welcher Volumenanteil den gewünschten kleinen Poren zuzurechnen ist. Im unteren Bereich (13) finden wir den Anteil sehr grober Poren und der obere Bereich (14) den Anteil sehr feiner Poren. Verlauf der Messkurven am Frischbeton und deren Bewertung in Bezug auf den Mikroporenanteil sind Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen.
• 1

  (1)

  Spannrahmen mit Bodenplatte und Spann-Stellfuß

  (2)

  Probenbehälter

  (3)

  Deckel aus Akrylglas gem. „ DE 20 2016 000 540 U1 ”

  (4)

  Füllventil

  (5)

  Entlüftungsventil

  (6)

  Druckschalter mit Manometer

  (7)

  Dosierpumpe

  (8)

  Wasserbehälter

  (9)

  Saugschlauch

  (10)

  Druckschlauch mit Schnellkupplung

• 2

  (11)

  Standardkurve nach Boyle-Mariotte

  (12)

  Beispielhafte Messkurve

  (13)

  Sehr grobe Poren

  (14)

  Sehr feine Poren

Claims (2)

1. Verfahren zur Untersuchung von Frischbeton mit künstlich eingeführten Luftporen bei welchem eine Betonprobe in einem Behälter (2) aus Edelstahl verdichtet wird, mit einem Deckel (3) verschlossen wird, Deckel (3) und Behälter (2) zu einem Druckbehälter verspannt werden, der Hohlraum zwischen Betonprobe und Deckel (3) blasenfrei mit Wasser ausgefüllt wird, in den verschlossenen Behälter (2) über eine Dosierpumpe (7) zur Bestimmung des Luftgehalts Wasser gepumpt wird, die Dosierpumpe (7) bei Erreichen eines vorgegebenen maximalen Drucks von einem Druckschalter (6) abgeschaltet wird, die Pumpenfördermenge ablesbar ist und der Luftgehalt im verschlossenen Behälter (2) über die Pumpenfördermenge unter Berücksichtigung der Behälterdehnung und des maximalen Drucks nach Boyle-Mariotte berechnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine Dosierpumpe (7) mit kleiner Förderleistung in den Druckbehälter gepumpt wird und dadurch der Druck im Behälter (2) zeitlich gestreckt steigt und die Druckentwicklung über ein Manometer (6) erfasst wird und als Abhängigkeit zur zeitgleichen Fördermenge der Dosierpumpe (7) als Kurve (12) dargestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve (12) sich beim maximalen Druck mit der sich aus der nach Boyle-Mariotte rechnerisch ergebenden Standardkurve (11) als Nachweis, dass alle Luftporen erfasst sind, vereinigt und der Verlauf der Kurve (12) in Bezug auf den Anteil von Mikroporen (13) (14) interpretierbar ist.

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