DE19507117C1 - Kalorimetrisches Verfahren zur Bestimmung des Zementgehaltes von Frischbeton und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kalorimetrisches Verfahren zur Be­ stimmung des Zementgehaltes von Frischbeton, insbesondere von Transportfrischbeton, wobei die exotherme Reaktion von Salz­ säure mit Kalziumverbindungen des Zementes eine dem Zement­ gehalt des Frischbetons proportionale Wärmemenge erzeugt und diese ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. - Die Festbetoneigenschaften eines Betons werden wesentlich von seinem Zementgehalt bestimmt. Daher sind sowohl die Hersteller von Beton als auch die Abnehmer des Betons an einfachen Maß­ nahmen interessiert, mit denen der Zementgehalt des Frisch­ betons ermittelt werden kann.

Zur Bestimmung der Zusammensetzung von Frischbeton ist ein Auswaschverfahren bekannt (DIN 52 171, Entwurf 1989), mit dem auch der Zementgehalt des Frischbetons ermittelt werden kann. Das bekannte Verfahren arbeitet aufwendig und ist mit langen Bestimmungszeiten belastet. Im allgemeinen müssen zwei Labo­ ranten tätig werden. Die Bestimmungszeit beträgt vier Stunden und mehr. Im laufenden Betonierbetrieb auf Großbaustellen machen Bestimmungszeiten dieser Länge die Bestimmungsergeb­ nisse oft wertlos.

Bei der Bodenverfestigung ist es bekannt (Technische Prüfvor­ schriften für Boden und Fels im Straßenbau, Teil B 11.6, 1988), mit kalorimetrischen Messungen die eingangs beschrie­ bene Reaktionswärme auszunutzen, die ein Maß für den Zement­ gehalt darstellt. Die insoweit bekannten Maßnahmen sind für den laufenden Betonierbetrieb, insbesondere auf Großbau­ stellen, wenig geeignet.

Im übrigen ist ein Verfahren bekannt (GB-A 2 108 660), mit dem die Qualität fester Materialien, insbesondere von Puzzolanen, für die industrielle Verwertbarkeit gemessen werden soll. Mit diesem Verfahren soll u. a. der Kalziumoxidgehalt von Flugasche bestimmt werden. Im Rahmen dieses bekannten Verfahrens wird das zu untersuchende Material in eine saure Lösung von Fluoridionen eingebracht und wird die mit der stattfindenden Reaktion verbundene ansteigende Wärmeentwicklung gemessen. Die Wärmemenge wird dabei als Funktion der Zeit gemessen und mit Hilfe eines graphischen Auftragungsverfahrens oder mit Hilfe eines Computers ausgewertet. Auf die Bestimmung des Zementgehaltes von Beton, insbesondere von Frischbeton, hat dieses Verfahren keine Anwendung gefunden. Im übrigen sind die Messungen nach diesem Verfahren relativ ungenau, da das zu untersuchende feste Material quasi ohne jegliche Vorbehandlung mit der sauren Fluoridlösung zusammengebracht wird. Außerdem sind Fluoride relativ giftig und ist in der sauren Lösung, die nach dem bekannten Verfahren hergestellt wird, die Bildung von hochgiftigem Fluorwasserstoff nicht auszuschließen.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Frischbeton bekannt (GB-PS 1 190 574), bei dem im Rahmen einer nassen Auftrennung zunächst der Zement und andere feinteilige Bestandteile des Betons als Schlamm von den groberen Bestandteilen abgetrennt werden. Anschließend wird der Schlamm entwässert und getrocknet und daraufhin pulveri­ siert. Der Zement wird von den übrigen feinteiligen Bestand­ teilen abgetrennt und die getrockneten Fraktionen werden danach ausgewogen. Dieses bekannte Verfahren ist sehr aufwendig und arbeitet mit sehr langen Bestimmungszeiten. Das Verfahren ist im Rahmen von Laboranalysen anwendbar, eignet dich jedoch für den laufenden Betonierbetrieb, insbesondere auf Großbaustellen, nicht.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Ver­ fahren anzugeben, mit dem im laufenden Betonierbetrieb, insbe­ sondere auf Großbaustellen, kurzzeitig, z. B. mit Bestimmungs­ zeiten, die kleiner sind als eine Stunde, eine sehr genaue Bestimmung des Zementgehaltes durchzuführen. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzu­ geben, mit der das Verfahren leicht und bestimmungssicher durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein kalorimetrisches Verfahren zur Bestimmung des Zementgehaltes von Frischbeton (insbesondere von Transportfrischbeton), wobei durch die exotherme Reaktion von Salzsäure mit Kalziumver­ bindungen des Zementes eine dem Zementgehalt des Frischbetons proportionale Wärmemenge erzeugt und diese ausgewertet wird, mit den folgenden Verfahrensschritten:

• 1.1) aus dem zu untersuchenden Frischbeton wird eine normierte Frischbetonprobe entnommen,
• 1.2) die Frischbetonprobe wird mit einer normierten Wassermenge gewaschen und dabei in eine Fraktion von unter X mm Korngröße sowie in eine Fraktion von über X mm Korngröße getrennt, wobei die Was­ sermenge in der Fraktion von unter X mm Korngröße verbleibt und aus der Fraktion von unter X mm Korngröße und der Wassermenge eine Mischung mit einer vorgegebenen Ausgleichstemperatur gebildet wird,
• 1.3) in einem Salzsäurebehälter wird eine auf die normierte Frischbetonprobe abgestimmte Salzsäure­ menge bereitgestellt und deren Temperatur wird gemessen,
• 1.4) die in 1.3) genannte Mischung wird in einem Rühr­ topf intensiv gerührt und die Salzsäure aus dem Salzsäurebehälter wird dabei in den Rührtopf eingeführt sowie durch die Rührung gleichmäßig verteilt, eventuell entstehende Gase werden abge­ führt,
• 1.5) bei dem Rührvorgang gemäß 1.4) wird der Tempera­ turanstieg gemessen und der Höchstwert der Tem­ peratur der Mischung gemäß 1.4) wird registriert,

wobei in einem Rechner mit entsprechendem Programm aus der Ausgleichstemperatur gemäß 1.2) und der gemäß 1.3) gemessenen Temperatur der Salzsäure, unter Berücksichtigung der Mengen und der Wärmekapazitäten, eine Starttemperatur ermittelt und die Differenz zwischen dieser Starttemperatur und dem Höchst­ wert der Temperatur der Mischung gemäß 1.5) als Maß für den Zementgehalt der normierten Frischbetonprobe ausgewertet wird. Die Auswertung wird zweckmäßigerweise mit Hilfe von massemäßig den normierten Frischbetonproben entsprechenden Kalibrier­ proben, die definierte Zementgehalte definierter Zemente aufweisen, durch Vergleich vorgenommen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die waschende Trennung gemäß Merkmal 1.2) eine Mischung gewonnen wird, in der der Zement der Frischbetonprobe bereits sehr vollständig und gleichverteilt enthalten ist. Das gilt insbesondere dann, wenn mit einem Trennschnitt der Korngröße von 3 mm gearbeitet wird. Der Trennschnitt ist jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich in weiten Grenzen wählbar. Wird in diese Mischung mit gleich­ verteiltem Zement die Salzsäure gleichmäßig verteilt einge­ mischt, so ergeben sich sehr genaue Höchstwerte für die Temperatur der Mischung gemäß 1.4) und mit den weiteren Maß­ nahmen der Lehre der Erfindung kann der Zementgehalt der Frischbetonmischung in kurzer Zeit mit großer Genauigkeit ermittelt werden. Das Programm, mit dem der Rechner arbeitet, erarbeitet der Fachmann mit den üblichen Regeln, wobei die Chemie und die Physik der Zusammenhänge genutzt wird. Die Wassermenge läßt sich unschwer durch Versuche ermitteln und wird zumeist (in bezug auf die Reaktion der Salzsäure mit den Kalziumverbindungen des Zementes) in erheblichem Maße über­ stöchiometrisch festgelegt. Der Waschvorgang, mit dem die Trennung durchgeführt wird, wird bei der Festlegung der Wassermenge berücksichtigt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens mit einem Rührtopf, einem Rühr­ topfeinsatz mit Siebboden und Siebbodenlöchern von X mm Durchmesser, einem Rührtopfdeckel mit aufgesetztem Salzsäure­ behälter sowie aufgesetztem Ausdehnungsgefäß für entstehende Reaktionsgase und einem Widerstandsthermometer mit Anzeige­ einrichtung, wobei der Rührtopf zugleich als Behälter für das Einwaschen der Fraktion von unter X mm Korngröße aus dem Rühr­ topfeinsatz in den Rührtopf verwendet wird und der Rührtopf­ einsatz vor dem Aufsetzen des Rührtopfdeckels entfernt wird. Nach bevorzugter Ausführungsform ist dem Rührtopf ein Magnet­ rührgerät zugeordnet, auf das der Rührtopf aufsetzbar ist, wobei der im Rührtopf anzuordnende oder angeordnete Magnet­ rührstab mit einem Rührkreuz verbunden ist, damit beim Rühr­ vorgang eine innige Durchmischung erfolgt und die Gleich­ verteilung erreicht bzw. aufrechterhalten wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 Aggregate der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Fraktions­ trennung der Frischbetonprobe und

Fig. 2 Aggregate der Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei den Maßnahmen zur Bestimmung des Höchstwertes der Temperatur der Mischung.

In den Figuren erkennt man zunächst einen Rührtopf 1, einen Rührtopfeisatz 2 mit Siebboden 3 und Siebbodenlöchern von im Ausführungsbeispiel 3 mm Durchmesser, einen Rührtopfdeckel 4 mit aufgesetztem Salzsäurebehälter 5 und aufgesetztem Aus­ dehnungsgefäß 6 für entstehende Reaktionsgase sowie ein Wider­ standsthermometer 7 mit Anzeigeeinrichtung 8. Der Rührtopf 1 wird zugleich als Behälter für das Einwaschen der Fraktion von unter 3 mm Korngröße aus dem Rührtopfeinsatz 2 in den Rührtopf 1 verwendet. Insoweit wird auf die Fig. 1 verwiesen. Wird der Rührtopfeinsatz 2 entfernt, so kann der schon beschriebene Rührtopfdeckel 4 aufgesetzt werden. Insoweit wird auf die Fig. 2 verwiesen. Man erkennt dort auch, daß dem Rührtopf 1 ein Magnetrührgerät 9 zugeordnet ist, auf das der Rührtopf 1 auf­ setzbar ist, wobei der im Rührtopf 1 anzuordnende oder angeordnete Magnetrührstab 10 mit einem Rührkreuz 11 verbunden ist. - Ein Ausführungsbeispiel erläutert weitere Einzelheiten:

Aus einer zu untersuchenden Frischbetoncharge wird eine Teil­ menge von etwa 20 kg entnommen. Sie wird als repräsentativ für die Zusammensetzung der Frischbetoncharge angesehen. Aus dieser Teilmenge werden zwei Frischbetonproben von je 2.000 g abgewogen, um die im folgenden beschriebene Bestimmung des Zementgehaltes der Frischbetoncharge durchzuführen und die gefundenen Werte ggf. zu mitteln.

Die erste Frischbetonprobe wird auf den Siebboden 3 mit 3 mm Rundlochung des Rührtopfeinsatzes 2 eingegeben und in den Rührtopf 1 eingesetzt. Eine Wassermenge von 1.500 g wird bereitgestellt. Etwa zwei Drittel dieser Wassermenge werden über die Frischbetonprobe gegossen, die sich in dem Rührtopf­ einsatz 2 befindet. Der Rührtopfeinsatz 2 wird z. B. drehend bewegt. Es werden alle Bestandteile der Frischbetonprobe unter 3 mm Korngröße in den Rührtopf 1 gespült. Das bewirkt nicht nur in bezug auf die Körnung eine Trennung, sondern außerdem eine Gleichverteilung des Zements in der Mischung, die sich im Rührtopf 1 ansammelt. Auf dem Siebboden 3 des Rührtopfein­ satzes 2 verbleiben die Rückstände mit über 3 mm Korngröße.

Diese werden mit der Restmenge der bereitgestellten Wasser­ menge nachgewaschen, ggf. nach Anheben des Rührtopfeinsatzes 2. Die Rückstände der Korngrößen von mehr als 3 mm auf dem Siebboden 3 werden getrocknet und gewogen. Durch Subtrahieren der trockenen Anteile mit Korngröße von über 3 mm von der Masse der Betonprobe erhält man den Mörtelgehalt der Betonprobe (alle flüssigen und alle festen Bestandteile unter 3 mm).

Der Rührtopf 1 mit dem Gemisch aus Wasser und den Bestand­ teilen unter 3 mm wird auf ein Magnetrührgerät 9 gestellt. In den Rührtopf 1 werden der Magnetrührstab 10 und das damit verbundene Rührkreuz 11 eingelegt. Das Rührkreuz 11 ist an seinen Enden so geformt, daß auf den Rührtopfboden absinkende bzw. an die Rührtopfwandung getriebene feste Bestandteile der Probe beim Rühren verwirbelt werden. Der Rührtopf 1 wird mit einem Rührtopfdeckel 4, an dessen unterem Rand ein Dichtungs­ ring angebracht ist, dicht verschlossen. An der Unterseite des Rührtopfdeckels 4 sind ein Leitblech 12 und ein elektrisches Widerstandsthermometer 7 so angebracht, daß sie in das Wasser Probe-Gemisch hineinreichen. Das Widerstandsthermometer 7 ist mit einem z. B. digitalen Anzeigegerät 8, das z. B. eine Meß­ unsicherheit von 0,1 K aufweist, verbunden. Das Wasser Probe- Gemisch wird durch das vom Magnetrührgerät 9 angetriebene Rührkreuz 11 mit konstanter Rührgeschwindigkeit im Bereich von 100 bis 300 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise bei etwa 170 Umdrehungen pro Minute, gerührt. Nach zwei Minuten haben sich ggf. unterschiedliche Temperaturen der Ausgangsstoffe und des Rührtopfes 1 ausgeglichen. Die jetzt am Anzeigegerät 8 an­ gezeigte Ausgleichstemperatur ist zu notieren.

Bei geschlossenem Ablaßventil 15 werden 1.150 g konzentrierte technische Salzsäure in den Salzsäurebehälter 5 gefüllt. Die Temperatur der Salzsäure wird mit einem Thermometer auf 0,1 K genau gemessen und notiert. Der Salzsäurebehälter 5 wird mit dem Rührtopfdeckel 4 verschlossen. Danach wird das Ablaßventil 15 des Salzsäurebehälters 5 geöffnet, damit die Salzsäure mit konstanter Geschwindigkeit in den Rührtopf 1 einläuft. Das Leitblech 12 bewirkt, daß die Salzsäure in kurzer Zeit im Wasser Probe-Gemisch gleichmäßig verteilt wird. Durch die Reaktion der Salzsäure mit dem Zement wird Reaktionswärme frei, die das im Rührtopf 1 befindliche Gemisch erwärmt. Der Temperaturanstieg wird mit dem Anzeigegerät 8 registriert und der Höchstwert gespeichert. Er ist für die Auswertung zu notieren.

Bei der Reaktion eventuell entstehende Gase können über eine weitere Öffnung 16 im Rührtopfdeckel 4, in das Ausdehnungs­ gefäß 6 entweichen und aus diesem über einen an dessen Ober­ seite angebrachten Schlauch 17 abgeleitet werden. Somit kann im Rührtopf 1 kein schädlicher Überdruck auftreten. Das Aus­ dehnungsgefäß 6 ist an seinem unteren Ende trichterförmig ausgebildet, damit von den Gasen mitgerissene Bestandteile der Probe in das Rührgefäß 1 zurücktropfen können.

Nach Abheben des Rührtopfdeckels 4 ist das Gemisch im Rührtopf 1 durch Zugabe von weiterem Zement zu neutralisieren und zu entsorgen.

Mit der zweiten 2.000 g-Betonprobe werden die gleichen Schritte durchgeführt um eine Mittelwertbildung zu ermög­ lichen.

Mit einem Excel-Programm wird aus der Ausgleichstemperatur des Wasser Probe-Gemisches und der Temperatur der Salzsäure unter Berücksichtigung der Mengen und Wärmekapazitäten die Start­ temperatur errechnet. Um aus der Differenz zwischen Starttem­ peratur und Höchsttemperatur der beiden zusammengehörenden Proben auf den Zementgehalt schließen zu können, ist die Korrelation zwischen dem Zementgehalt und der Temperaturdif­ ferenz an exakt abgewogenen, als Kalibrierproben bezeichneten Betonproben zu ermitteln. Diese Kalibrierproben haben eine Masse von 2.000 g und bis auf den Zementgehalt die gleiche Betonzusammensetzung wie der zu prüfende Beton. Ihr Zement­ gehalt variiert jedoch, in Stufen von 3% gestaffelt, zwischen -9% bis +6% des Soll-Zementgehaltes. Bei dieser Kalibrierung sind die gleichen Verfahrensschritte auszuführen, wie es zuvor beschrieben wurde.

Es versteht sich, daß das Rührkreuz 11 auch mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebes, auf dessen Achse das Rührkreuz 11 aufgesetzt ist, angetrieben werden kann. Wo die Bauteile der Vorrichtung mit der Säure in Kontakt kommen, bestehen sie aus geeigneten, korrosionsfesten Werkstoffen.

Claims (6)

1. Kalorimetrisches Verfahren zur Bestimmung des Zement­ gehaltes von Frischbeton, insbesondere von Transportfrisch­ beton, wobei durch die exotherme Reaktion von Salzsäure mit Kalziumverbindungen des Zementes eine dem Zementgehalt des Frischbetons proportionale Wärmemenge erzeugt und diese ausgewertet wird, mit den folgenden Verfahrensschritten:

• 1.1) aus dem zu untersuchenden Frischbeton wird eine normierte Frischbetonprobe entnommen,
• 1.2) die Frischbetonprobe wird mit einer normierten Wassermenge gewaschen und dabei in eine Fraktion von unter X mm Korngröße sowie in eine Fraktion von über X mm Korngröße getrennt, wobei die Wassermenge in der Fraktion von unter X mm Korn­ größe verbleibt und aus der Fraktion von unter X mm Korngröße und der Wassermenge eine Mischung mit einer vorgegebenen Ausgleichstemperatur ge­ bildet wird,
• 1.3) in einem Salzsäurebehälter wird eine auf die normierte Frischbetonprobe abgestimmte Salzsäure­ menge bereitgestellt und deren Temperatur wird gemessen,
• 1.4) die in 1.2) genannte Mischung wird in einem Rühr­ topf intensiv gerührt und die Salzsäure aus dem Salzsäurebehälter wird dabei in den Rührtopf ein­ geführt sowie durch die Rührung gleichmäßig ver­ teilt, eventuell entstehende Gase werden abge­ führt,
• 1.5) bei dem Rührvorgang gemäß 1.4) wird der Tempera­ turanstieg gemessen und der Höchstwert der Tem­ peratur der Mischung gemäß 1.4) wird registriert,

wobei in einem Rechner mit entsprechendem Programm aus der Ausgleichstemperatur gemäß 1.2) und der gemäß 1.3) gemessenen Temperatur der Salzsäure, unter Berücksichtigung der Mengen und der Wärmekapazitäten, eine Starttemperatur ermittelt und die Differenz zwischen dieser Starttemperatur und dem Höchst­ wert der Temperatur der Mischung gemäß 1.5) als Maß für den Zementgehalt der normierten Frischbetonprobe ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auswertung mit Hilfe von massemäßig den normierten Frischbetonproben entsprechenden Kalibrierproben, die definierte Zementgehalte definierten Zementes aufweisen, vorgenommen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mit einem Trennschnitt der Korngröße von 3 mm gearbeitet wird.

4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, - mit
einem Rührtopf,
einem Rührtopfeinsatz mit Siebboden und Siebboden­ löchern von X mm Durchmesser,
einem Rührtopfdeckel mit aufgesetztem Salzsäure­ behälter und aufgesetztem Ausdehnungsgefäß für entstehende Reaktionsgase und
einem Widerstandsthermometer mit Anzeigeeinrich­ tung,
wobei der Rührtopf zugleich als Behälter für das Einwaschen der Fraktion von unter X mm Korngröße aus dem Rührtopfeinsatz in den Rührtopf verwendet wird und der Rührtopfeinsatz vor dem Aufsetzen des Rührtopfdeckels entfernt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei dem Rührtopf ein Magnetrührgerät zugeordnet ist, auf das der Rührtopf aufsetzbar ist, und wobei der im Rührtopf anzuordnende oder angeordnete Magnetrührstab mit einem Rührkreuz verbunden ist.