DE2145003A1

DE2145003A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von guetewerten von mischungen, insbesondere von beton

Info

Publication number: DE2145003A1
Application number: DE19712145003
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl Ing Umek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-09-09
Filing date: 1971-09-09
Publication date: 1973-03-22
Also published as: DE2145003B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Gütewerten von Mischungens insbesondere von Beton Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Gütewerten von Mischungen, insbesondere der Betonkomponenten des Betons und sonstigen Mischungen von Zuschlagstoffen mit beliebigen Bindemitteln.
Es ist in der Betontechnologie bekannt, daß beispielsweise die Betongüte durch eine große Anzahl von Faktoren oder Einflußwerten gegeben ist. Diese Einflußwerte muß man jedoch in zwei grundsätzlich gesonderte Gruppen teilen.
Primäre Einflußwerte sind durch Güte und Menge sämtlicher Betonkomponenten gegeben und können nach Zusammensetzung und Mischung nicht mehr geändert werden. Dazu gehören Güte und enge des Bindemittels, Güte und Menge des Zuschlagstoffes und des Wassers. Bei der Komponente Wasser ist selbstverständlich die absolute enge, somit sowohl das Wasser aus Eigenfe@chtigkeit der Zuschlagstoffe, als auch das zÇusatzwasser in t2ec nung zu stellen. bs kann vorausgesetzt werden, dal bei der Betonzubereitung immer einwandfreies, von betonfeindlichen Beimengungen freies nasser verwendet werden kann.
Zur Bestimmung der Betongüte kommt somit nur die absolute vJassermenge und nicht dessen Güte in Frage.
Einer nach Menge und Güte festliegenden Mischung der drei Komponenten Zement-Zuschlagstoff-Wasser ist immer eine ganz bestimmte Frischbetonkonsistenz (-Steifheit) zugeordnet. Diese Konsistenz, unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Kornzusammensetzung, Kornform und Oberflächenbeschaffenheit des Zuschlagstoffes als auch der Mahifeinheit und der chemischen Konstitution des Zementes, bedingt weiter die Verarbeitbarkeit und die Verdichtungswilligkeit des Frischbetons.
Durch die oben angeführten primären Einflußwerte ist somit die Betongüte in obig bestimmten Grenzen genau bestimmt und kann ohne eine Änderung der Mengen und Güten nicht mehr geändert werden.
Die Dichte des fertig verdichteten Betons ist weiterhin eiuentscheidender, jedoch nur teilweise primärer Gütewert des Betons. Einer nach Güte und Menge festliegenden Frischbetonmischung ist eine ganz bestimmte Verarbeitungswilligkeit zugeordnet, während die Dichte selbst, von Art und Größe der Verdichtungsarbeit abhängt und somit nicht der Mischung selbst eigen ist.
Die Güte des Betons bestimmen jedoch noch zahlreiche sekundäre Einflüsse, wie Nachbehandlung, Alter, Lagerung, Temperatur und, in bezug auf die beispielsweise durch Druckfestigkeit ermittelten Gütewerte, sogar Form und Größe des Versuchskörpers, der Versuchsanordnung, Steigerungsgeschwindigkeit der Belastung usw.
Andererseits ist die Beton0te durch Normendruckfestigkeit noch lange nicht eindeutig festgelegt. Für gewisse Betontypen können beispielsweise Biegezugfestigkeit, Schwund, Kriechen , Wasserundurchlässigkeit und Taufrostwechselwiderstand entscheideS mitzuberücksichtigen sein.
Steht der Betonfachmaun vor der frage, eine optimale Betonzusammensetzung zu errechnen oder experimentell festzulegen, muß er sämtliche Einflußwerte in Bezug auf die gewünschte oder geforderte Betongüte berücksichtigen und sie numerisch derart in Rechnung stellen, daß die gewünschte Betongute komplex gesehen auf die wirtschaftlichste Weise sicher gegeben ist.
Beider sind in der Fachliteratur sowohl für eine derartige exakte Berechnung als auch für eine experimentelle Ermittlung zu wenig zahlenmäßige Einflußwerte vorhanden.
Die Zementgüte beispielsweise ist durch die tatsächliche Normendruckfestigkeit des Zement es und gleichzeitig durch seinen prozentuellen Wasserzusatz für Normensteife, mittels des Vicat-Gerätes ermittelt, genügend genau zahlenmäßig festgelegt. Weniger genau ist das Verhältnis Zementgüte-Betongüte gegeben. Zahlreiche, durch na@@hafte Forscher ermittelte Werte, geben dieses Verhältnis als eine Exponentialfunktion, die sich jedoch sehr nahe einer Geraden nähert.
Zum Zweck der Vorbestimmung der Betongüte bei gegebener Zementgüte wird jedoch mit der Annahme, daß Zementgüte und Betongüte linear-proportional sind, nur ein so geringer Fehler gemacht, daß die Differenzen innerhalb der Prüfgenauigkeit der Betongüte liegen. Das Verhältnis Zementgüte-Betongüte liegt somit zahlenmäßig fest und kann in jede diesbezügliche Rechnung eingesetzt werden.
Unter Ausscheidung von Wasser, das betonfeindliche Substanzen, Säuren, Laugen, Fette und sonstige organische Beimengungen enthält, ist der Einfluß der absoluten Wassermenge durch den Wasserzementfaktor des Betons gegeben. Der Einfluß des Wasserzementwertes auf die Güte des Betons ist durch eine Anzahl von allgemein anerkannten Wissenschaftlern genügend genau und bei praktischer Auswertung sehr weit übereinstimmend festgestellt worden. Er entspricht einer einfachen Exponentialfunktion.
Ganz anders verhält es sich mit dem Einfluß des Zuschlagstoffes auf die Güte des Betons. Hier fehlt vor allem eine exakte Bestimmung der Gütewerte des Zuschlagstoffes und darüberhinaus der Einfluß solcher Gütewerte des Zuschlagstoffes auf die Güte des Betons.
Normenbestimmungen aller Länder charakterisieren die Güte des Zuschlagstoffes ausschließlich nach Sieblinien undbezeichnen Zuschlagstoffe, die innerhalb gewisser Sieblinien liegen, als "sehr gut" und in weiteren Grenzen als "noch brauchbar". Mit Begriffen "sehr gut" oder "noch brauchbar" kann natürlich keine Rechnung gestellt werden. Der Abramsche "feinenesse-modulus" und die daraus abgeleitete Feinheitsziffer nach Summe gestatten auch mittels der durch Hummel gegebenen Funktion zwischen Feinheitsziffer und Druckfestigkeit, keine brauchbare numerische Ermittlung des Einflusses des Zuschlagstoffes auf die Güte des Betons.
Demgegenüber haben neuere Forschungen von Versuchsanstalten in verschiedenen Ländern erwiesen, daß ein beliebiger Zuschlagstoff gütemäßig durch die Summe der Kornoberflächen und durch seinen Wasseranspruch gegeben ist. Es versteht sich von selbst, daß Zuschlagstoffe von mineralogisch und petrografisch unbrauchbarer Beschaffenheit oder mit-betonfeindlichen Beimengungen oder Eigenschaften nicht verwendet werden.
Schon eine einfache physikalische tberlegung zeigt eindeutig, daß die spezifische Oberfläche und der spezifische Wasseranspruch somit die Summe der Gesamtoberfläche und der Wasseranspruch, auf Gewichtseinheit bezogen, die tatsächlichen Gütewerte des Zuschlagstoffes darstellen.
In einem Beton höherer Güteklasse muß die Oberfläche jeglichen Zuschlagstoffkornes und Körnchens von einem Zementleimfilm gleichmäßig und gänzlich überzogen sein. Je größer somit die Gesamtsumme der Oberflächen, desto größer die Zementleimmenge.
Für eine gewünschte und durch die Einbauweise gegebene Konsistenz des Betons, muß eine ganz genau entsprechende Steifheit des Zementleimes vorhanden sein. Die Steifheit des Zementleimes ist bei einer gegebenen Zementmenge ausschließlich durch den Wasseranspruch aller Feststoffteilchen im Frischbeton, somit dem Wasseranspruch sowohl des Zementes als des gesamten Zuschlagstoffes gegeben.
Da der Gewichts-Quotient Wasser-Zement weitgehend die Güte des Betons bestimmt, ist natürlicherweise der Zuschlagstoff der beste, der bei einer einwandfreien Kornzusammensetzung die größte Dichte des Mineralskelettes gestattet, unter Berücksichtigung eines zweckmäßig zulässigen Größtkorndurchmessers, wenn er gleichzeitig den geringsten Wasseranspruch aufweist. Es ist selbstverständlich wesentlich, daß alle oben angeführten Forderungen gleichzeitig erfüllt sind.
Ein Zuschlagstoff mit einem Größtkorndurchmesser, der im gegebenen Fall beispielsweise durch Dichte der Stahlbewiruag oder die erforderliche Kleinstdimension des zu erstellenden Betonkörpers nicht mehr einbaufähig ist, muß von vornherein ausgeschlossen bleiben. Da die mechanischen Festigkeiten des Zuschlagstoffmaterials immer bedeutend höher liegen müssen als die des Zementleimes, ist es selbstverständlich, daß nur das dichteste Mineralskelett im verfestigten Beton die größten Fertigkeiten des Betons ergeben kann, wozu eine einwandfreie Kornzusammensetzung des Zuschlagstoffes unerläßlich ist. Für einen optimalen Zuschlagstoff sollten unter diesen Bedingungen gleichzeitig die geringste spezifische Oberfläche und der geringste Wasseranspruch vorhanden sin. Da diese Forderungen teilweise konträr liegen, ist es für die Betontechnologie wesentlich, die durch Kornzusammensetzung und Größtkorn bedingten Gütewerte: spezifische Fläche und Wasseranspruch möglichst genau zu ermitteln.
Der Begriff spezifische Oberfläche" bedarf wohl keiner weiteren Erklärung, was jedoch beim Wass ranspruch unumgänglich ist.
Aus der Sieblinie eines Zuschlagstoffes kann die spezifische Oberfläche unter gewissen Voraussetzungen der Grundform der Zuschlagstoffkörner leicht errechnet werden. Kugelform vorausgesetzt erhält man: p1 p2 pn =6/# #+ + ............# wenn d1 d2 dn F= Summe der Kornoberflächen für eine Gewichtseinheit, t= Rohgewichte des Mineralstoffes, p1 bis Pn = der prozentuelle Anteil an Gewichtseinheit einer Kornstufe mit dem beigeordneten Mitteldurchmesser p1 bis Pn sind.
Es ist daraus sofort ersichtlich, daß durch die willkürliche Annahme, beispielsweise der Kugelform, weder die tatsächliche Kornform noch die Oberflächenrauhigkeit berücksichtigt sind. Der errechnete Wert ist somit nur über experimentell ermittelte Korrektionswerte brauchbar.
Ferner ergeben sich bedeutende Ungenauigkeiten schon wegen des Prüfverfahrens, Kornstufen unter Durchmesser 0,1 mm sind nur schwer und langwierig genau zu sieben. Da diese Mikroanteile im Zuschlagstoff, so gering sie prozentual auch sein mögen, sehr wesentlich das Resultat beeinflussen, wird ein richtiges Ergebnis nur bei genauester Laborarbeit und einwandfreien Prüfgeräten zu erwarten sein. Solche Voraussetzungen sind in Betrieben und Baustellen selten gegeben.
Ein weiterer nicht übersehbarer Fehler entsteht auch durch die Anordnung des Siebsatzes. Die Kornstufe 0,2 bis 0,5 mm kann beispielsweise Partikel von 0,2 bis 0,5 in linearer Verteilung enthalten. Ebenso gut ist es möglich, daß die tatsächliche Körnung hauptsächlich nahe an 0,7 oder nahe an 0,5 heranreicht. Die Errechnung erfolgt jedoch unter der Annahme dmittel (do,2 + dz,5) :2. Die möglichen Differenzen liegen im Rahmen - 30 und + 75% vom ermittelten Wert, sind somit untragbar groß. Eine experimentelle Ermittlung der tatsächlichen spezifischen Fläche, die gleichzeitig Form und Oberflächenbeschaffenheit einschließt, wäre somit Vorbedingung einer wirklich brauchbaren Funktion zwischen der spezifischen Oberfläche des Zuschlagstoffes und der Normendckfestigkeit des Betons.
Der Begriff "Wasseranspruch" muß daher zunächst definiert werden, da er in der Fachliteratur niemals präzis gegeben wurde.
Die Normalkonsistenz des Zementleims ist durch einen prozentualen Zusatz an Wasser zum Gewicht des Zementes gegeben und wird mittels des Vicat-Gerätes ermittelt. Zur Normensteife des Zementleimes sind, abhängig von der Mahlfeinheit des Zementes und seiner chemischen Konstitution, etwa 25 bis 30 Gewichtprozent Wasser erfordeSich. Bei Normensteifheit ist der Zementleim somit wassergesättigt, was aus Hohlraumgehalt, spezifischem Gewicht des Zementes und seinem Rüttelgewicht leicht festgestellt werden kann. Die Zementpartikelchen sind darin etwa gleichmäßig dicht verteilt und die Hohlräume zwischen den Körnchen sind vollständig mit Wasser ausgefüllt. Die innere Reibung eines solchen Zementkörnchen-Wassergemenges bestimmt die Konsistenz des Zementleimes.
Wird nun in einen solchen Zementleim ein starrer, oberflächentrockener Festkörper eingebracht, treten zwei physikalische Gegebenheiten in Erscheinung. Der oberflächentrockene Festkörper überzieht seine Oberfläche mit einem Wasserfilm.
Das dazu benötigte Wasser kann naturgemäß nur dem Zementleim entzogen werden. Es ist aus den Grundlagen der physik bekannt, daß die Adhäsion einer Flüssigkeit an einem Festkörper um so größer it;t, je dünner der Flüssigkeitsfilm ist. Der Festkörper entnimmt somit dem zementleim solange Wasser, bis ein Gleichgewicht der Flüssigkeitsadhäsion an den Zementkörnchen und an der Oberfläche des Festkörpers geschaffen ist. Der Zementleim muB sich dadurch naturgemäß versteifen.
Weiterhin verursacht der in den Zementleim eingebrachte Festkörper den sogenannten "Effekt der iiand". Die bisher im Raum des Zementleimsektors gleichmäßig verteilten Zementpartikel müssen an der Oberfläche des Festkörpers auseinanderrücken, da ein Zementkorn die Oberfläche des Festkörpers nur in einem oder einigen wenigen Punkten berühren kann. Dieser Verminderung der Dichte der Zementkörper an der Oberfläche des Festkörpers entspricht natürlich eine Verdichtung im übrigen Zementleim und somit eine Versteifung.
bin Zuschlagstoff enthält natürlich eine enge Feststoffkörper und -körperchen. In den Zementleim eingebracht verdichten sie diesen meist so beträchtlich, daß keine Einbaumöglichkeit des Frischbetons mehr besteht. Um den Frischbeton einbaufähig und verdichtungswillig zu erhalten, muß Wasser zugesetzt werden. Die Wassermenge, die für eine bestimmte enge eines Zuschlagstoffes benötigt wird, um den vorhandenen Zementleim in gleicher Steifheit zu halten, ist der Wasseranspruch dieses Zuschlagstoffes. Auf eine Gewichtseinheit dieses Zuschlagstoffes bezogen, erhalten wir seinen spezifischen Wasseranspruch.
Der Wasseranspruch eines Zuschlagstoffes hangt jedoch nicht nur von der Summe seiner Oberflächen ab, sondern gleichzeitig von seiner Oberflächenbeschaffenheit und seiner Dich@e-Es ist ferner bekannt und experimentell bewiesen, daß die Dicke des Flüssigkeitsfilms des aftwassers mit dem Durchmesser des Festkorns abnimmt, jedoch nicht linear, sondern in rtiadratwurz elpotenz.
Der Wasseranspruch einer Gewichtseinheit eines Zuschlagstoffes wird in der bestehenden Fachliteratur meist aus der Sieblinie mit einer Gleichung ermittelt, die etwa folgender Forma entspricht: , worin Ja = der Wasseranspruch auf Gewichtseinheit, K = ein Festwert, gleichzeitig konsistenzbestimmend, und P1 = Pn = die prozentualen Anteile der einzelnen Kornstufen, durch die Mittelwerte der Durchmesser d1 bis dn gegeben, sind.
Es ist leicht einzusehen, daß eine Änderung der Grundformel etwa in: nichts wesentliches ändert.
Die Funktion der Dichte des Zuschlagstoffes und die Oberflächenbeschaffenheit sind in solchen Formeln nicht eingeschlossen und sind uneinschließbar.
Es steht somit fest, daß über mathematische Berechnung weder die spezifische Oberfläche noch der spezifische Wasseranspruch eines Zuschlagstoffes wirklich genau zu ermitteln sind. Im übrigen ist die spezifische Oberfläche eines Zuschlagstoffes von seiner Dichte unabhängig, sein spezifischer Wasseranspruch jedoch nicht. Der Wasseranspruch Wa als Funktion der spezifischen Fläche F oder umgekehrt ist somit nicht gegeben. Wird jedoch noch die Dichte t? γ" als Variable eingesetzt, wäre eine mathematische Lösung des Verhältnisses F = f (Wa, γ) nur dann möglich, wenn der Zuschlagstoff nur aus drei Korngrößen bestünde, was erwiesenermaßen nie zutrifft. Im allgemeinen gibt: F w f (Wa,γ). Einer ermittelten spezifischen Oberfläche entspricht nicht nur ein einziger spezifischer \Wasseranspruch und umgekehrt. Für die praktische Vorbestimmung der @engen und Güten der Betonkomponenten zwecks Erreichung einer festgelegten komplex aufzufassenden Betongüte, kann jedoch in den meisten Fällen von der bewußt ungenauen Voraussetzung ausgegangen werden, daß F = f (Wa,γ) wäre. Es soll ferner gezeigt werden, daß eine möglichst genaue Festlegung van Wa1, für die Genauigkeit des Resultates weit entscheidender ist als die genaue Ermittlung der spezifischen Oberfläche "F. Der Einfluß eines beliebigen Zuschlagstoffes auf die Betongüte ist somit mit drei Gütewerten des Zuschlagstoffes gegeben, und zwar durch: seinen spezifischen Wasseranspruch "Wa", seine spezifische Oberfläche "F" und die Dichte seines Mineralskelettes "γ" im fertig verdichteten Beton.
Der Wasseranspruch wird durch den Wasserzementfaktor des Betons genügend genau zum Ausdruck gebracht. Die Dichte des Mineralskelettes "t" ist abhängig von der Zementleimmenge, der Kornzusammensetzung des Zuschlagstoffes als auch der eingesetzten Verdichtungsarbeit bei der Erstellung des Betons. Dieser komplexe Einfluß kann somit bestens durch die Dichte des fertig eingebrachten Betons berücksichtigt werden. Es wäre damit partiell B - f (g) oder: Die Betongüte wird durch die Dichte des Betons beeinflußt.
Es verbleibt somit der Einfluß der spezifischen Oberfläche F und wir wollen diesen Einfluß mit (F) bezeichnen und ihn l'festigkeitsbildenden Werte nennen.
Die Frischbetondichte ist nur teilweise ein primärer Einflußwert. Sie ist nicht einer bestimmten Mischung der Betonkomponenten eigen und wird weitgehend von der eingesetzten Art und Höhe der Verdichtungsarbeit bestimmt. Bei Vorberechnung der Betongüte muß deshalb dieser Einflußwert nach praktischer Erfahrung und gemäß der verfügbaren Verdichtungsgeräte eingesetzt werden. Zu einer möglichst genauen Einsetzung ist jedoch die Kenntnis der Verdichtungswilligkeit des Zuschlagstoffes von entscheidender Bedeutung und muß somit ermittelt werden.
Aus sehr zahlreichen Experimenten konnte der Erfinder ermitteln, daß die Funktion B = f (F) einer sehr komplizierten Exponentialgleichung entspricht. Man kann diese Exponentialgleichung jedoch mit sehr guter Annäherung durch eine Cosinusoide ersetzen, selbstverständlich in begrenztem Bereich. Dieser Bereich ist jedoch genügend weit, um alle in der Betonverarbeitung verwendbaren Zuschlagstoffe einzuschließen. Der mathematische Ausdruck für den Einfluß der gesamten Oberflächen eines Zuschlagstoffes in einer Menge, die einen Raummeter fertig verdichteten Betons ausmacht, ist auf diese Weise durch die Gleichung gegeben: F-1000 (F) = 0,65 + 0,35 cos # #° 100 Der Einflußwert (F), festigkeitsbildender lehrt genannt, ist somit mit einem Dezimalbruch gegeben und wird bei der Berechnung der Betongüte als Multiplikator verwendet.
Die Summe der Gesamtoberflächen eines Zuschlagstoffes für einen m3 Beton höherer Güteklassen liegt etwa zwischen 3000 bis 7000 m2 und ist selbstverständlich wesentlich bedingt von dem zulässigen Größtkorndurchmesser und der Kornabstufung. Der jeweils zugehörige festigkeitsbildende Wert wäre somit: F = 3000 m2 ... (B) = 0,976 F = 7000 m2 ... (F) = 0,825.
Die Vergrößerung von F beträgt, wie ersichtlich, 133 %, die Verringerung von (F) jedoch nur 15,5 %. Der festigkeitsbildende Wert ist somit bei Ermittlung der Betongüte nicht zu vernachlässigen, keinesfalls ist er jedoch ein entscheidender Wert.
Anders steht es mit dem Wasseranspruch: Da die absolute Wassermenge in 1 m3 fertig verdichteten Beton mit der Formel W = Wa + Wz gegeben ist und der Quotient W : Z den entscheidenden Wasserzementfaktor darstellt, ist der Wasseranspruch der entscheidende Gütewert jedes Zuschlagstoffes.
Die rechnungsmäßigen Gütewerte (B) und Wa sind aus der Sieblinie durch partielle Summierung leicht, wenn auch zeitraubend zu berechnen. Abgesehen daton, daß die rechnungsmäßigen Ermittlungen nur Näherungswerte ergeben, die verhältnismäßig weit, wie oben erläutert, von den tatsächlichen Gütewerten abweichen, ist es absolut unzulässig, Wa aus F zu errechnen. Der Fehler wäre bedeutend geringer, wenn Wa aus der Sieblinie errechnet und F bzw. (F) unter der Annahme Wa -f (FE ermittelt wurde, obwohl es feststeht, daß Wa h f (F) ist.
Aus eingangs erläuterten Gründen sind jedoch beide Rechnungswerte Näherungswerte und können nur durch experimentelle Korrektionsfaktoren brauchbar gemacht werden.
Eine experimentelle Festlegung der Oberflächensummen eines Zuschlagstoffes ist aus der Hydraulik bekannt. Es gibt eine Anzahl von Formeln, die die Ermittlung der spezifischen Oberfläche eines Kiessandgemenges durch die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers bei genau ermittelter Gefälledifferenz durch einen geometrisch mit Höhe und Querschnittfläche gegebenen Versuchskörper aus dem zu untersuchenden Kies-Sandgemenge gestatten. Dabei ist es unerläßlich, die Temperatur des durchfließenden Wassers, die die Viscosität bestimmt und das Porenvolumen des Prüfkörpers vorher genau zu ermitteln.
Es ist selbstverständlich, daß ein so kompliziertes Versuchsverfahren zwar zur wissenschaftlichen Arbeit in Großlabors verwendet werden kann, für die Betontechnologie jedoch zumindest zu umständlich wäre. Außerdem dürfte nicht vernachlässigt werden, daß halle Ermittlungen sämtlicher Forscher hinsichtlich der benötigten Festwerte hauptsächlich dazu dienen sollten, die Durchflußgeschwindigkeiten durch Sandkiesgemenge von vorher ermittelten Kornzusammensetzungen zu bestimmen und nicht umgekehrt. Die Ermittlung der F-Werte nach den Methoden der Hydraulik unterliegt deshalb großen Streuungen und ist für Zwecke der Betontechnologie nur bedingt brauchbar. Es dürfte jedoch in Kornaufbau, Oberflächenbeschaffenheit und Dichte eines Sand-Kiesgemenges selbst liegen, daß kaum ein anderer experimenteller Weg beschritten werden könnte. Die auf diese Weise ermittelten Oberflächenwerte kommen den tatsächlichen Werten trotzdem und naturgemäß näher als die rechnungsmäßigen Ermittlungen aus den Sieblinien.
Man kann somit besagte Verfahren zum Zwecke der Brmittlung des festigkeitsbildenden Wertes eines beliebigen Zuschlagstoffes verwenden, wenn gleichzeitig ein entsprechendes Gerät und eine verfeinerte Prüfmethode es gestatten, die unerläßlichen Festwerte durch Prüfungsserien mit den verschiedensten Sandkiesgemengen, mit unterschiedlicher mineralogischer und petrografischer Beschaffenheit, schrittweise zu verbessern.
Es wäre jedoch grundlegend falsch, aus so ermittelten spezifischen Oberflächen den weit entscheidenderen Wasseranspruch ermitteln zu wollen.
Der Wasseranspruch, der in der Fachliteratur noch nicht allgemein anerkannt definiert wurde und erst eingangs definiert werden mußte, ist auch aus den verschiedensten Ermittlungsmethoden der Frischbetonkonsistenz im Prinzip unermittelbar. Die Frischbetonkonsistenz bedingen so zahlreiche Einflußwerte, daß der Wasseranspruch daraus nicht mit entsprechender Genauigkeit festgestellt werden kann, wodurch die bewußt unzulängliche Rechenmethode eindeutig besser geeignet wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf Grund der bekannten und gegebenenfalls neu zu erstellenden wissenschaftlichen Ergebnisse der Forschung, ein Prüfverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine möglichst genaue und schnelle Ermittlung der Gütewerte des Zuschlagstoffes Wa und F gestattet, wobei F vorzugsweise schon als festigkeitsbildender inert (F) auszudrücken ist. Für praktische Zwecke, somit in den Betriebslabors, kann bei ermitteltem Wa dann sogar F als Funktion von Wa gegeben werden, obwohl es feststeht, daß Wa = f (F) ist. Die Vorrichtung soll eine unabhängige Ermittlung von Wa und F für einen beliebigen Zuschlagstoff ermöglichen.
In Lösung dieser Aufgabe mußte für die Ermittlung des tUasseranspruches auf experimentelle Weise ein völlig neuer Weg beschritten werden. Es ist einleuchtend, daß das Haftwasser an einem einzelnen Zuschlagstoffkorn, etwa mit einem Featwert multipliziert, dem Wasseranspruch dieses Zuschlagstoffkornes entspricht. Wenn es möglich wäre, bei einem Zuschlagstoff, somit einem Haufwerk von Festkörnern nicht nur verschiedenster Durchmesser, sondern gleichfalls sehr unterschiedlicher Kornform und Oberflächenbeschaffenheit, einzeln zu prüfen, würde die Summe des Haftwassers an allen Einzelkörnern weitgehend genau dem Wasseranspruch des gesamten Zuschlagstoffes entsprechen.
In einem Zuschlagstoff berühren sich jedoch die Einzelkörner und an den Berührungsstellen bilden die Wasserfilme, die die Adhäsion an den Festkörnern festhält, Menisken, wodurch die Ermittlung des Haftwassers im ganzen Haufwerk wesentlich gestört wird. Darüberhinaus muß ein für einen guten Beton brauchbarer Zuschlagstoff köriiungsmäßig so zusammengesetzt sein, daß die Hohlräume, die die gröberen Zuschlagstoffkörner naturgemäß bilden, von kleineren Zuschlagstoffpartikeln ausgefüllt sind. Das Mineralskelett des Zuschlagstoffes, wenn es dicht ist, wie dies bei einem guten Zuschlagstoff sein muß, wird durch die Enge der Hohlräume eine bedeutende Kapilarwirkung erfahren.
Wird somit ein Zuschlagstoff mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchsetzt und nachträglich durch bloße Schwerkraft entwässert, so ist das verbleibende Wasser im Zuschlagstoff sehr weit von der Summe des Haftwassers entfernt, die man ungestört an Einzelkörnern ermitteln würde.
Der Einfluß der gegenseitigen Berührungspunkte der Zuschlagstoffpartikel und der damit verbundenen Meniskusbildung der Flüssigkeit ist selbstverständlich auch mitbestimmend für den tatsächlichen vasseranpruch nach obiger Definition. Erfindungsgemäß ist somit dieser Einfluß immer gleichzuhalten und überdies hinaus den Einfluß der Kapilarität weitgehend zu beseitigen. Der dazu gewählte Vorgang muß natürlich reproduktiv sein und bei Wiffierholung des Versuches -alles gleichbleibend - immer dieselbe Menge Haftwasser ermitteln. Unter diesen Bedingungen muß die Funktion Wa = f gelten. Mit anderen Worten: Der Wasseranspruch eines Zuschlagstoffes mit gegebener Kornzusammensetzung, Kornform und Oberflächenbeschaffenheit ist eine Funktion der Dichte "t" und der Intensität und Dauer der S&ugwirkung "S", die bei der Entwässerung des Zuschlagstoffes eingesetzt wird. Wird nun ein beliebiger Zuschlagstoff immer gleichmäßig verdichtet, danach mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, durchflutet und darauf abgesaugt, muß bei gleichbleibender Intensität und Dauer der Saugwirkung immer die gleiche und dem zu prüfenden Zuschlagstoff zugeordnete Wassermenge im Haufwerk des Zuschlagstoffes verbleiben. Es ist ferner undenkbar, daß das so ermittelte Haftwasser nicht in einer fixen Relation zu dem Wasseranspruch per definitionen steht. Es besteht somit die Relation WH = kia oder: das Haftwasser erbt den Wasseranspruch, multipliziert mit einem Festwert.
Die zur vollkommenen Absaugung notwendige Dauer der Saugleistung ist abhängig sowohl von der Kornzusammensetzung und Dichte des Zuschlagstoffes, als auch von dem Volumen und der Höhe des Prüfkörpers. Bei einer gegebenen Intensität der Saugleistung entfällt jedoch der Einfluß der Dauer der Saugeinwirkung, vorausgesetzt, die Zeit der Saugeinwirkung war so ausreichend, daß sich zwischen der Saugwirkung und der Mächtigung des Flüssigkeitsfilms über den Zuschlagstoffkörnern ein Gleichgewichtszustand ausbilden konnte.
Wird nämlich ein Material mit verschieden großen Festpartikeln, die mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchflutet sind, mit einer gewissen Intensität abgesaugt oder vakuumiert, so wird zunächst das Wasser in den Zwischenräumen und das Kapilarwasser entfernt. Später vermindert sich allmählich die Mächtigkeit der Wasserfilme unter gleichzeitiger Verkleinerung der Radien der Menisken. Mit Verminderung der Mächtigkeit der Flüssigkeitsfilme vergrößert sich jedoch proportional die Adhäsionskraft, bis diese so groß wird, daß durch weiteren Einfluß der Saugwirkung kein Wasser mehr entfernt werden kann und die Dauer des Vakuumierens keinen Sinfluß mehr nimmt. Selbstverständlich kann jedoch mehr Wasser (Flüssigkeit) entzogen werden, wenn die Vacuumstufe oder die Höhe des Unterdruckes gesteigert wird. Bei gleichbleibendem Unterdruck kann somit eine Saugdauer eingesetzt werden, die auch in dem dichtesten und feinstgekörntem Zuschlagstoff ein Gleichgewicht zwischen Adhäsionskraft und Saugwirkung im ganzen Prüfkörper herstellt wodurch die Dauer der Saugwirkung für das Resultat nicht mehr bestimmend wird. Es ist nicht schwer, durch ein entsprechendes Gerät den Unterdruck immer er gleichbleibend zu belassen. WirXhalten somit die Relation WH = kWa unabhängig von der Dauer der Saugeinwirkung, wenn die Dauer der Saugleistung genügend lang bemessen war.
Um das unter Saugwirkung ermittelte Haftwasser bei einem bestimmten Zuschlagstoff immer gleich zu halten, genügt es somit, die Dichte des Mineralskelettes und die Höhe des Unterdruckes gleich zu halten, und zwar bei einer für alle praktisch als Betonzuschlag möglichen Kornzusammensetzungen erforderliche Dauer der Saugwirkung. Bei Steigerung und bei Verminderung der Höhe des Unterdruckes ändert sich in der Relation WH = kWa der Festwert "k". "k" wird kleiner als 1, wenn WH kleiner als Wa wird und liegt über 1, wenn WH größer als Wa wird. Es ist somit möglich, eine ganz bestimmte Stufe des Unterdruckes anzuwenden, bei der k = 1 wird. Die für k = 1 zugeordnete Vakuumstufe muß natürlich empiriert ermittelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Prüfgerät, Fig. 2 eine Sperrplatte im Schnitt und Fig. 3 einen Wasserbehälter im Schnitt.
Fig. 1 zeigt das Prüfgerät im Schnitt in schematischer Darstellung. Es ist 1 ein Prüfgerät aus belieb-igem, zweckentsprechendem Material, vorzugsweise aus Plexi- oder Acrylglas. Die geometrische Form des Srüfgefi3es ist hier ein Kreiszylinder, kann jedoch verschieden sein. Das Prüfgefäß 1 hat oben und unten verstärkte Ränder 10. Lahe dem oberen Rand hat das Prüfgefäß einen überlauf 26. Den Boden des Prüfgefäßes bildet eine Fußplatte 2, die am Prüfgefäß befestigt ist. Die Art der Befestigung ist unwesentlich, es ist jedoch notwendig, daß die Fußplatte 2 das Prüfgefäß wasserdicht abschließt und sich trotzdem entfernen läßt. In der Fußplatte 2 aus zweckentsprechendem Material, beispielsweise edelstahl, ist eine vorteilhaft mittige Öffnung 3 angebracht, die genau mit der Bohrung 3a einer darunter angeordneten Rüttelplatte 12 übereinstimmt.
In der Öffnung 3 der Fußplatte 2 ist ein Sieb 3b befestigt. Dieses Sieb ist dreiteilig und besteht aus einem grobgelochten Sieb unten, einem Feinsieb mittig und einem Schutzsieb oben. Der Unterteil des Siebes 3b ist tragender Teil. Das mittige Feinsieb, beispielsweise mit einer llaschenweite von 50 Mikron, verhindert den Durchgang auch der feinsten Partikel des Prüfstoffes. Der Oberteil des Siebes ist zweckentsprechend gelocht, beispielsweise mit einem Durchmesser von 1 mm, und verhindert die Beschädigung des Feinsiebes.
In der Grundplatte 2 ist eine weitere Öffnung 18 auf dieselbe Weise durch ein dreischichtiges Sieb für den Zuschlagstoff geschlossen. Die Öffnung 18 ermöglicht über eine Bohrung 19 und einen Sperrhahn 20 den Anschluß eines Piezometers 37 (Fig. 3).
Das Prüfgefäß 1 samt Grundplatte 2 kann über die Ränder 10 und mittels Schrauben 11 wasserdicht an der Rüttelplatte 12 festgeschraubt werden.
Die Rüttelplatte 12 aus beliebigem, zweckentsprechendem Material, beispielsweise Leichtmetall, hat eine durchlaufende waagerechte Bohrung 17, in welche die Bohrung 3a der Rüttelplatte einmündet. An die Bohrung 17 ist ein Zuleitungsrohr 13 mit einem Sperrhahn 14 angeschlossen, und das Zuleitungsrohr 13 ist mittels eines nicht dargetellten Schlauches mit einem Wasserbehälter 30, Fig. 3, verbunden, und zwar über ein Anschlußrohr 33 des Wasserbehälters, das mit einem Sperrhahn 36 ausgerüstet ist. Vorteilhaft mittig gegenüber dem Anschlußrohr 13 liegt an der Bohrung 17 ein Rohr 15 mit Sperrhahn 16 für den Anschluß einer nicht dargestellten Saugpumpe. Zweckmäßigerweise wird hier eine Saugpumpe mit kontinuierlicher Saugwirkung, beispielsweise eine Rotations- oder Wasserstrahlpumpe, verwendet.
Die Rüttelplatte 12 hat mehrere, beispielsweise vier abwärts gerichtete Zapfen 21, an denen Schwingfedern- oder Puffer 22 befestigt sind, die ihrerseits an Stützen 23 des Grundgestells 24 befestigt sind, An der Rüttelplatte 12 ist ein zweckentsprechender Rüttler 25 befestigt, der seine Schwingungen über Rüttelplatte 12 und Fußplatte 2 dem Prüfgut überträgt. Die Befestigungen zwischen Rüttler 25, Rüttelplatte 12 und Fußplatte 2 sind rüttelsteif. Die Schwingungen sind dagegen gegen das Grundgestell 24 über die Schwingpuffer 22 größtenteils aufgehoben.
Auf den oberen Rand 10 des Prüfgefäßes 1 ist, beispielsweise mittels Bajonettenanschluß, eine Führungsstütze 6 angebracht. In den Führungslagern 7 der Führungsstütze läuft eine lotrechte Achse 5, welche eine Deckplatte 4 im Prüfgerät mit einer Auflast 8 verbindet. Führungsstütze 6 und Führungslager 7 sind aus beliebigem Material gefertigt, beispielsweise und vorteilhaft aus Leichtmetallguß, und die Deckplatte 4 ist zweckentsprechend aus Plexi- oder Acrylglas gefertigt. Die Deckplatte ist fein gelocht, um den Luftaustritt zu erleichtern. Führungsringe 7 an der Stütze 6 gewährleisten ein genau lotrechtes Absenken der Achse 5 und somit eine Vertikalverschiebung der Deckplatte 4. An der Achse 5 befindet sich eine Teilung 9 mit Nonius 9a, mit deren Hilfe das Volumen des Prüfgefäßes 1 in jeder Lage der Deckplatte 4 sofort ablesbar ist. Die Auflast 8 hat ein Gewicht, das der optimal möglichen Verdichtung des Zuschlagstoffes bei gegebener Rüttelleistung entspricht, und ermöglicht somit bestmögliche und immer gleiche Verdichtung beim Abrütteln.
In Fig. 3 ist der zugehörige Wasserbehälter 30 dargestellt, der zweckmäßig ebenfalls aus durchsichtigem, plastischem Material hergestellt ist und oben eine Öffnung mit einem angesetzten kurzen Öffnungsröhrchen 31 hat. Der Durchmesser des Öffnungsröhrchens 31 ist klein, damit die aus dem vollen Behälter 30 ausfließende Wassermenge möglichst genau festgestellt werden kann. Im Wasserbehälter 30 ist ein oben stark verbreitertes Abflußrohr 35 befestigt. Dieses Abflußrohr durchstößt den Wasserbehälter 30 unten und kann mit einem Sperrhahn 36 wasserdicht verschlossen werden. An das untere Ende 34 des Abflußrohres kann zur weiteren Ableitung des überfließenden Wassers ein Gumischlauch o. dgl. angebracht werden.
Am unteren Ende des Wasser-(Flüssigkeits-)Behälters 30 sind außerdem zwei weitere Anschlußröhrchen 32 und 33 mit Sperrhähnen 36 angebracht, von denen eins für die Zuleitung von Flüssigkeit beispielsweise aus dem Wasserleitungsnetz, dient, während das zweite für die Zuleitung der Flüssigkeit in das Prüfgefäß 1 über das Rohr 13, Sperrhahn 14, Bohrung 17 und Sieb 3b bestimmt ist. Die Verbindung des Wasserbehälters 30 mit dem Prüfgerät 1 erfolgt vorteilhaft durch einen fexiblen Schlauch mit Aussteifungsspirale, damit ein Eindrücken oder Verengen des Schlauches verhindert wird und sich somit nicht Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Wassermenge ergeben. Der Schlauch muß an den Anschlußstellen 33 und 13 absolut wasserdicht sein.
An dem Wasserbehälter 30 ist außen ein Steigröhrchen 37 befestigt. Wird dieses Röhrchen mittels eines Schlauches über die Bohrung 19, Ventil 20 und Sieb 18 an das Prüfgerät 1 angeschlossen, so steigt die in das Prüfgerät einströmende Flüssigkeit im Steigrohr 37 so hoch, als dies der Druckhöhe an der Bodenfläche des Prüfgerätes entspricht. Das Steigrohr 37 ist somit ein Piezometer zur Ermittlung der Druckhöhe des einströmenden Wassers (Flüssigkeit), gemessen an der Bodenplatte 2 des Prüfgerätes 1.
Der Wasserbehälter 30 kann zweckentsprechend an einer and oder einem Ständer mittels einer Stellvorrichtung so befestigt werden, daß er vertikal verstellt und immer auf die gewünschte Druckhöhe der Flüssigkeit, gemessen über das Piezometer 37, ausgerichtet werden kann.
Zur Vervollständigung des gesamten Prüfsatzes gehören eine genügend genaue Waage, eine Stoppuhr und ein Gerät zur Trocknung des Zuschlagstoffes. Diese Geräte können eine herkömmliche Ausführungsart, wie in dem Labor gebräuchlich, haben oder speziell für den Prüfsatz konstruiert werden.
Für den Prüfvorgang nach Erfindung ist dies unwesentlich, weshalb diese Zusatzgeräte weder dargestellt noch beschrieben sind. Vorteilhaft verwendet man jedoch für die Oberflächentrocknung des zu prüfenden Zuschlagstoffes ein Gefäß mit Rotstrahlern und mit eingebautem Rührwerk. Als Waage ist eine elektronische Tafelwaage günstig.
Man kann durch Lösen der Schrauben 11 das Prüfgefäß 1, Bodenplatte 2 und den ganzen Aufbau 5, 6 und 8 entfernen und stattdessen beispielsweise eine Form für Normenwürfel 20 x 20 x 20 cm, den Aufbau 20 x 20 x 40 cm eines Gerätes zur Prüfung des Verdichtungsmaßes nach Walz oder auch eines Powers- oder We-Be-Gerätes zur Ermittlung der Frischbetonsteifheit befestigen. Durch diese einfachen Zusätze kann der Prüfvorgang nach Erfindung sehr zweckmäßig mit bereits bekannten Pflifmethoden ergänzt und kontrolliert werden.
Auf diese Weise wird aus dem Spezialprüfgerät zur Ermittlung des festigkeitsbildenden wertes des Zuschlagstoffes und seines Wasseranspruches ein Universal-Betonprüfgerät mit der weitesten Verwendungsmöglichkeit für bekannte und neue Prüfverfahren und einer numerischen Aufachlüsselung sämtlicher Einflußwerte der Betonkomponenten auf den Beton.
Darüberhinaus werden für die gewerbliche und industrielle Verwertung des F@ischbetons sehr maßgebl che Ermittlungen ermöglicht. Worden durch das Gerät @@e zahlenmäßigen Einflußwerte ermittelt, ist es selbstverständlich zweckmäßig, diese Ergebnisse mittels Spezialtabellen, Grafiken oder Spezialrechenstab auf die einf@chste Weise auszuwerten.
Durch ein entsprechendes Grafikon (oder Tabelle) ergeben beispielsweise die an der Abszisse aufgetragenen Werte für die ermittelte spezifische Oberfläche sofort den zugehörigen festigkeitsbildenden Wert. Ähnlich ist es mit dem Verhältnis: Wasseranspruch - Zementmenge oder Hohlraumgehalt - kritische Zementleimmenge. Mittels eines Spezialrechenstabes, der neben den gebräuchlichen Teilungsreihen Spezialteilungen erhält, können sämtliche Werte mit einem einzigen Hilfsmittel sofort mühelos und sehr gering anfällig für Fehler ausgewertet werden.
Versuchsanordnung Der zu untersuchende Zuschlagstoff wird bis zur vollständigen Qberfl$chentrockenheit getrocknet. Eine Trocknung der Mineralsubstanz wäre unrichtig und würde zu falschen Ergebnissen führen. Zur Trocknung ist ein Gerät mit eingebauten Rotstrahlern und Rührwerk zweckmäßig.
Vom oberflächentrockenen Zuschlagstoff wird eine immer gleichbleibende Menge, beispielsweise 10kg, genau abgewogen und in das Prüfgerät 1 lose eingebracht. An der Teilung 9 und Nonius 9a wird sofort das Volumen Vo des lose geschütteten Zuschlagstoffes ermittelt. Aus Gewicht und Volumen Vo ist das Raumgewicht und das Porenvolumen des lose geschütteten Zuschlagstoffes gegeben, wenn das Feststoffraumgewk1it; der Mineralsubstanz bekannt ist.
Der Zuschlagstoff wird nun abgerüttelt, bis am Nonius 9a keine Setzung mehr ablesbar ist. Die dazu notwendige Zeit to ist ein wichtiger Hinweis für die Verdichtungswilligkeit des Zuschlagstoffes und ist ein wichtiger Hinweis bei der Wahl der praktisch erreichbaren Frischbetondichte. Über das Volumen V1, ablesbar am Nonius 9a, werden die Werte Raumgewichte und Hohlraumvolumen des eingerüttelten Zuschlagstoffes ermittelt, wodurch gleichzeitig die minimale Zementleimmenge gegeben ist.
Nun wird der Wasserbehälter 30, Fig. 3, bei geöffnetem Abflußrohr 33 und gesperrtem Rohr 34 über die Zuleitung 32 bis Oberkante 31 mit Wasser (Flüssigkeit) gefüllt, worauf der Sperrhahn 36 geschlossen wird. Auf diese Weise sind selbstverständlich auch das Abfallrohr 35 bis Sperrhahn 36 und auch der Zuleitungsschlauch bis Anschluß 13 und Sperrhahn 14 gefüllt. Im Prüfgefäß 1 bleiben die Sperrhähne 14, 16 und 20 vorläufig gesperrt. Der berlauf 26 wurde vor dem Füllen entfernt und durch einen Stöpsel, der genau bis zur Innenwand des Gefabes 1 verläuft, ersetzt. Nach Einrüttlung liegt die Deckplatte 4 unter der Überlauföffnung 26. Wird nun der Einlaufhahn 14 geöffnet, strömt Wasser (Flüssigkeit) in das ganze System ein. Es füllt zunächst die Bohrung 17 und steigt dann allmählich durch den Prüfstoff bis zur Unterkante der durchsichtigen Deckplatte 4. Der moment der gänzlichen Durchflutung ist leicht feststellbar, da in dem Augenblick, in dem das Wasser die Unterseite der Deckplatte berührt, die Deckplatte erglänzt. Genau in diesem Augenblick wird darauf der Sperrhahn 14 geschlossen, und gleich wird auch der Sperrhahn 36 des Ausflußrohres 33 geschlossen.
Durch die Füllung der Hohlräume des Zuschlagstoffes und der Bohrung 17 ist der Wasserspiegel im tXasserbehälter 30 abgesunken. Wird nun der Wasserbehälter wieder bis Oberkante 31 gefüllt, so ist das Volumen der Nachfüllung gleich dem Volumen der Bohrung 17 und dem gesamten Hohlraumvolumen-des eingerüttelten Zuschlagstoffes. Durch Abstrich des immer gleichbleibenden Volumens der Bohrung 17 wird daraus das Hohlraumvolumen des zu prüfenden eingerüttelten Zuschlagstoffes ermittelt. Die Nachfüllung erfolgt aus Mensurgläsern oder aus einem Wassergefäß, welches vor und nach Nachfüllung gewogen wird. Auf diese Weise wird das Hohlraumvolumen des Zuschlagstoffes sehr genau ermittelt und damit auch das Fest-Raumgewicht der Mineralsubstanz.
Jetzt wird der Stöpsel bei 26 ausgeschraubt und das Ablaufrohr 26 eingeschraubt. Das Piezometer 37 wird an 19 mittels Schlauch angeschlossen und der Sperrhahn 20 geöffnet. Der Aufbau 4, 5, 6 und 8 wird entfernt und der Wasserbehälter 30 wird in eine Höhe gebracht, die der gewünschten und später in Rechnung zu setzenden Fallhöhe entspricht.
Werden nun die Sperrhähne 36 des Auflaufes 33, des Überlaufes 34 und des Einlaufes 32 geöffnet, wobei vorhergehend schon die Sperrhähne 14 und 20 geöffnet wurden, stellt sich bei zufließendem Wasser aus dem Wasserleitungsnetz über einlauf 32 und nach überlauf in 26 und 35 ein ständiger Wasserspiegel ein. Im i-iezometer 37 ist selbstverständlich der Wasserspiegel um den Reibungswiderstand tiefer. wird nun der slasserbehalter höhenmäßig so verschoben (z.B. mittels Zahnstange und Zahnrad), daß die @asserspiegel im Prüfgefäß 1 und im Piezometer 37 die @schte @@hendifferenz aufweisen (beispielsweise 500 oder 1000 mm), wird der Zuschlagstoff bei festliegendem Höhenunterschied und gleichbleibender Höhe und Fläche des Prüfstoffes im Prüfgerät durchflutet. Der sogenannte hydraulische Gradient der Durchflutung ist gegeben und durchweg gleichblelbend.
Wird nun da@ über 26 ablaufende Was er gemessen (oder gewogen) und @@t der S@oppuhr die t bestimmt, in der eine bestimmte Wassermenge über 26, beispielsweise in eine Lensur, eingelaufen ist @ sind alle Daten für die Ermittlung der Summe der Oberflä@hen des Früfgutes gegeben.
Aus der Menge des durchfl@eßenden Wassers in Zeiteinheit, der Dichte des eingerüttelten Zuschlagstoffes und des hydraulischen Gradienten kann man mittels verschiedener Formeln, gegeben, von namhaften Hydraulikern, verhältnismäßig leicht die Summe der Oberflächen des Prüfstoffes ermitteln.
Die Hydrauliker interessierte selbstverständlich hauptsächlich die Permeabilität von Sand-Kiesgemengen und weniger die spezifische Oberfläche. Die bekannten Permeabilimeter-Durchflu@geschwindigkeitsmesser weichen deswegen wesentlich won dem Prüfgerät nach Erfindung ab.
Selbstverständlich si@d auch alle Formeln unbrauchbar (Dasey, Slickter, Terz@@@i, und Rose), die die spezifische Fläche durch den Diameter einer stellvertretenden Korngröße ersetzen. Durch praktische Versuche konnten die genan@@en Ermittlunge@ @@ der F@r@el nach Kozeny: 1,5 x 104 # 3 F@ = oder der auf Grundlage von Rose @ @ 2 K K (1 -g) experimentel entwickelten Formel: 10(1,36 + 5,15#) F@ = s K erhalten werden. Darin sind Fs die spezifische Oberfläche, K die Permeabilität und γ das Porenvolumen als Dezimalbruch aller im cgs-System.
Die Versuche der Hydrauliker wurden bei gleichblei bender Wassertemperatur von t = 100 G durchgeführt. Ändert sich die Wassertemperatur, ändert sich entsprechend die Viskosität der Flüssigkeit und die Änderung muß nach bekannter Formel von Poiseulle: + 0,0337 #t + 0,00022 (# t)2 berücksichtigt werden.
wenn somit µ. bei 100 C ermittelt wurde, wäre für 15O C gleichµ 15 =µ 10 x 1,174, wobei µ 15 die Viskosität bei 15° C und µ 10 die Viskosität bei 10° C ist.
Wie daraus ersichtlich, ändert sich die Viskosität des Wassers schon bei 5° C Unterschied um etwa 17 /o. Die bei 150 C ermittelten Werte müssen deshalb mit dem Faktor 1,174 dividiert werden.
Bei der Ermittlung der spezifischen Oberflächen ist somit eine genaue Messung der Temperatur des durchströmenden Wassers unerläßlich.
Es steht somit fest: die spezifische Oberfläche eines beliebigen Sand-Kies- oder Sand-Splitt-Gemenges ist experimentell feststellbar, und zwar mit entsprechender Genauigkeit, um damit den festigkeitsbilden Wert des Zuschlagstoffes in brauchbaren Grenzen zu halten, wenn bekannte und von Hydraulikern verwendete Pnifmethoden verfeinert und das Prüfgerät wesentlich verbessert wird.
Eine Gegenüberstellung des erfindungsgemäßen Prüfgerätes nach obiger Beschreibung und der bekannten Permeabilimeter würde zu weit führen.
Um die Neuartigkeit des PrüfSerätes nach Erfindung und der erfindungsgemäßen Prüfmethoden zu beweisen, ist es jedoch unerläßlich, anzuführen, daß sämtliche bekannt te Permeabilimeter aus einem oberen vJasserbehalter, einem Prüfzylinder für das Prüfgut und einem l-lateren Wasserbehälter bestehen. Gemessen wird die Wassermenge, die aus dem oberen Wasserbehälter in Zeiteinheit in den unteren Behälter einläuft. Das Porenvolumen wird über Gewicht des Prüfgutes und durch das Volumen des Prüfzylinders festgestellt und-in Rechnung gestellt. Die Durchflußmenge bei optimaler Verdichtung für einen bestimmten Zuschlagstoff, ein immer gleichbleibender Wert, kann somit nicht ermittelt werden. Die so ermittelten spezifischen Oberflächen streuen deshalb in s3hr weiten Grenzen und und sind zum Zwecke der Betontechnologie unbrauchbar.
Für die Erfindung wesentlich sind namentlich die düsenmäßige Zuführung der Flüssigkeit von unten, wodurch der Prüfstoff bestens entlüftet wird. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Prüfgerätes ermöglicht insbesondere die größtmögliche Verdichtung des Prüfgutes und dadurch fast absolute Reproduktivität, die weiterhin bis zu Promillen genaue Bestimmung des Hohlraumvolumens, durch einen besonders konstruierten Wasserbehälter und die genaue Bestimmung der Höhenunterschiede des Wasserspiegels bei für beliebige Zuschlagstoffe zweckmäßigster Einstellung der Xöhendifferenzen.
Prüfvorgang zur Ermittlung des Wasseranspruches: Nach Ermittlung der Daten, die für die Bestimmung der Oberflächen benötigt werden, werden die Absperrhähne 14 nd 20 geschlossen und die Öffnung des Prüfzylinders bei 26 wieder verpfropft. Über die oberen Randverstärkungen 10 wird eine Sperrplatte 27, Fig. 2, aufgesetzt und unter auflagerung von Dichtungsringen 29 auf den Randverstärkungc-n so luftdicht abgeschlossen. Der Absperrhahn 16 des Absaugr@hres 15 wird geöffnet und eine hier einwirkende Saugpumpe in Betrieb gesetzt.
Auf diese Weise wird bei optimaler Verdnchtung des @schlagstoffes das Wasser im Prüfgerät abgesaugt und es @@rbleiben über den Oberflächen sämtlicher Zuschlagstoff körner nur Wasserfilme, deren Mächtigkeit zur Adhäsionskraft jedes Einzelkornes steht, selbstverständlich einschließlicn der Menikusbildung. Der vorher genau tarierte Prüfzylinder 1 mit Grundplatte 2 und dem Prüfgerät mit nach Saugung verbleibendem Haftwasser wird gewogen. Von fem so ermittel@en Gewicht werden Tara sd Trockengewicht abgezogen und man erhält das Gewi@@t und Volumen des Haftwassers WH. Wird nun die Intensität der Saugwirkung, d. h.
der Unterdruck, ausreichende Zeit so gehalten, daß in der Gleichung WH = k Wa der Wert ' = 1 wird, so ist die ermittelte Haftwassermenge WH gleich dem Wasseranspruch Wa.
Sehr zahlreiche Versuchsreihen mit Zuschlagstoffen in allen Körnungsbereichen und Größen vom Einkornzuschlag bis zu Stoffen auch ausgefallenster Kornzusammensetzungen haben erwiesen, daß eine Saugdauer von 10 Minuten bei gegebenen Dimensionen des Prüfzylinders immer genügt, und daß WH - Wa wird, wenn mit einem Unterdurck von 0,7 Atm gearbeitet wird. Wurde ein so entwässerter Zuschlagstoff mit einer entsprechenden Zementleimmenge von Normenkonsistenz gemischt und der so erhaltene Beton im Ge@ät zur Bestimmung des Verdichtungswertes nach Walz untersucht, ergab sich immer die gleiche Konsistenz K = 1. Auch über das Powergerät konnte unabhangig vom Kornaufbau immer der gleiche Konsistenzwert ermittelt werden.
Es ist weiter versucht worden, aus dem so hergestellten Beton den reine Zementleim wieder auszumischen, was bei Zuschlagstoffen, die keinen Kornanteil im Feinstbereich besitzen, möglich ist, bei Siebung über eine Maschenweite, die unter der Grenze des Feinstkorns liegt.
Am Sieb verbleibt der gesamte Zuschlagstoff und der Durchgang besteht aus reinem Zementleim.
Ist nun das im Zuschlagstoff nach Vacuumierung noch verbliebene Haftwasser tatsächlich die Wassermenge, dieden Zementleim weder verdichtet noch verflüssigt, wenn er normensteif dem Zuschlagstoff beigegeben wird, somit per definitionem der Wasseranspruch, muß der ausgesiebte Zementleim seine ursprüngliche Normensteifheit beibehalten.
Auch diese Versuche konnten mit unbedeutenden Streuungen diese Vermutung beweisen. Das in einer bestimmten Menge beliebigen Zuschlagstoffes, beispielsweise 10 kg, nach beschriebener und genau einzuhaltender Versuchsanordnung verbliebene Haftwasser ist somit der Wasseranspruch dieser Menge des geprüften Zuschlagstoffes, und die erforderliche Wassermenge für die Menge Zuschlagstoff, die dann beispielsweise einen Raummeter fertig verdichteten Zuschlagstoffes ergibt, wird durch bloße Multipikation ermittelt.
Um festzustellen, inwieweit die Temperatur des Wassers die Haftwassermenge beeinflußt, wurden mit gleichbleibendem Zuschlagstoff Versuche mit einer Wassertemperatur von bis zu 200 C durchgeführt. Gegenüber dem Ergebnis bei Wassertemperatur 200 C wurde bei 70 C etwa 4, mehr Wasser benötigt. Die Differenz liegt somit im Rahmen der Prüfgenauigkeit und Änderungen der Temperatur brauchen nicht berücksichtigt zu werden. Größere Differenzen ergeben sie namentlich bei nicht sehr dichtem Mineralfeststoff, wenn der Zuschlagstoff übermäßig erhitzt wird und einen Teil oder gänzlich die natürliche Eigenfeuchtigkeit der Festsubstanz verliert. Bei richtiger trocknung mit gänzlicher Ausscheidung des Oberflächenwassers und Vermeidung der Austrocknung des Wassers im Mineral isb solchen Ungenauigkeiten leicht auszuweichen.
Über das erfindungsgemäße Gerät und den Prüfvorgang können somit folgend wichtige Elnflußwerte bestimmt werden: Verdichtungswilligkelt und das die zu erwartende Dichte des Frischbetons, Schüttgewicht und Raumporengehait, Rüttelgewicht und dazu gehöriger Raumporengehalt bzw.
Raumdichte, Spezifische und Gesamtoberfläche des Zuschlagstoffes und der zugehörige festigkeitsbildende Wert, Wasseranspruch für beliebige Konsistenz, die Konsistenz selbst, Verdichtungsmaß, Raumgewicht und Verarbeitbarkeit des Frischbetons.
Aus diesen Daten ist einfach und schnell die optimale Betonrezeptur für eine beliebige Güte, Konsistenz und Dichte zu errechnen. Es können auch sehr wertvolle behlüsse auf die Wasserdurchlässigkeit und Taufrostwechselbeständigkeit des Betons gezogen werden.
Für den Gebrauch an Baustellen und Betonwerken kann auch ein wesentlich vereinfachtes Verfahren verwendet werden, ohne größere Ungenauigkeit der Resultate und Streuungen in der geforderten Betongüte. Man kann auf die Bestimmung der spezifischen Oberflächen verzichten und nur den Wasseranspruch ermitteln. Obwohl einem bestimmten Wasseranspruch nicht genau eine Summe der Oberflächen zugeordnet .t, kann die Relation Wasseranspruch-Oberfläche mit grafischer Darstellung oder tabellarisch mit guten Näherungswerten gegeben sein. Der tatsächliche festigkeitsbildende Wert des Zuschlagstoffes unterscheidet sich um sehr wenig vom so ermittelten und ist jedenfalls bei der Vorberechnung der Betongüte für die überwiegend häufigsten Fälle der Praxis ausreichend genau.
Der Prüfvorgang vereinfacht sich dadurch wie folgt: Der verdichtete Prüfstoff wird überflutet und danach vakuumiert. Das verbleibende Haftwasser ist der Wasseranspruch, aus dem tabellariseh oder grafisch der festigkeitsb-ldende Wert des Zuschlagstoffes ermittelt wird. Die Dichte bzw. das Porenvolumen des verdichteten Zuschlagstoffes kann auch mit für die Praxis genügender Genauigkeit aus Gewicht und Volumen bestimmt werden. Die Auswertung dieser Resultate erfolgt dann wie bei der genaueren Bestimmung.
Das Verfahren, abgesehen vom Trocknen des Zuschlagstoffes, kann in längstens 15 Minuten beendet sein Auch die Ergebnisse des vereinfachten Verfahrens sind noch immer wesentlich genauer und vollständiger als bei bisher bekannten Prüfmethoden und Geräten, bei der die Güte ermittlung ausschließlich von mehr oder wenigen zutreffenden Annahmen erfolgt und nicht durch numerische Bestimmung der tatsächlichen Gütewerte der Betonkomponenten. Da spezifische Oberfläche und Wasseranspruch jeglichen Haufwerkmaterials wesentliche Gütemerkmale sind, können Gerät und Prüfmethode auch sehr gut für bodenmechanische Untersuchungen in der Hydraulik und Metallurgie und beispielsweise auch in Betrieben der Silikatchemie und Asphaltbetonherstellung verwendet werden.
Bei vereinfachter Prüfmethode kann beispielsweise auch der siasserbehälter 30 mit Piezometer 37 entfallen und kann eine Vakuumrotationspumpe durch eine billige und einfache Wasserstrahlpumpe ersetzt werden. Die präzise Burchführung wird vorwiegend bei Fällen erfolgen, die äußerste Genauigkeit erfordern.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Gütewerte von Mischungen von Zuschlagstoffen mit beliebigen Bindemitteln, insbesondere zur Bestimmung von Gütewerten der Betonkomponenten des Betons, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zuschlagstoff getrocknet in ein Prüfgefäß (1) eingebracht und sein Volumen bestimmt wird, daß der Zuschlagstoff abgerüttelt wird, daß das Brüfgefäß von unten her bis zur Unterkante einer Deckplatte (4) mit Wasser gefüllt wird, und daß unter Offnung eines uberlaufes (29) am oberen Ende des rrüfgefäßes der im Prüfgefäß befindliche Prüfstoff mit Wasser durchflutet wird und die Menge des durchfließenden Wassers pro Zeiteinheit gemessen wird.

2. Verfahren nach nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Prüfgefäß (1) hindurchlaufende Wasser aus einem höhenmäßig verstellbaren Wasserbehälter (30) zuläuft, der ein an die Unterseite des Prüfgefäßes angeschlossenes Piezometer (37) besitzt, und daß der Wasserbehälter mit Hilfe des Piezometers höhenmäßig so verschoben wird , daß die Äasserspiegel im trüfgefäß (1) und im Siezometer (37) eine gewünschte Höhendifferenz aufweisen.

Verfahren zur Bestimmung der Gütewerte von Mischungen von Zuschlagstoffen mit beliebigen Bindemitteln, insbesondere zur Bestimmung von Gütewerten der Betonkomponenten des Betons, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lrüfgefaß (1) mit Zuschlagstoff gefüllt, oben verschlossen und mit Wasser gefüllt wird, und daß nach Messung des sasserinhaltes das Wasser mit Hilfe einer saugpumpe abgesaugt wird und der vorher tariere Prüfzylinder mit dem nach absaugung am Zuschlagstoff verbleibenden Haftwasser gewogen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des verfahrens nach einem der vorhergehenden ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine aüttelplatte (12) ein Prüfzylinder (1) aufgesetzt ist, daß der Prüfzylinder an seiner Unterseite anschlüsse (13, 15) für Wasserzulauf und Wasserablauf aufweist, daß der Früfzylinder nahe seinem oberen lande einen viasserüberlauf (26) besitzt, daß in den rrüfzylinder eine gewichtsbelastete beckplatte (4) absenkbar ist, und daß binrichtungen zum Messen der zu- und ablaufenden Wassermengen, der für den Zu- und Ablauf erforderlichen Zeiten, sowie für das naß der bsenkbewegung der Deckplatte vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfgerät (1) an seiner Unterseite durch eine Fußplatte (2) verschlossen ist, die eine vorzugsweise mittige öffnung (3) besitzt, welche mit einem Sieb ausgerüstet ist und mit einer Bohrung (3a) der üüttelplatte (12) in Deckung liegt, die mit Anschlußrohren (13,15) für den Wasserzulauf und den wasserablauf in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sieb (3b) aus einem grob gelochten unteren Sieb, einem mittleren Feinsieb und einem oberen Schutzsieb besteht.

7. Vorrichtung nach einem der ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (4) eine lotrechte mit einem Gewicht (8) belastbare achse (5) aufweist, die in dem Führungslager (7) einer auf den Prüfzylinder (1) aufzusetzenden jührungsstütze (6) lotrecht geführt ist, und daß die Achse (5) eine Teilung (9) mit lAonius (9a) aufweist.

8. Vorrichtung nach anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, äaß die Deckplatte (4) luftdurchlässig, insbesondere fein gelocht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfgefäß (1) und die Deckplatte (4) aus durchsichtigem werkstoff, insbesondere Plexiglas, hergestellt sind.

10. Vorrichtung nach einem der ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an das Anschlußrohr (13) ein höhenverstell@arer Wasserbehälter (30) mit einem unten angeordneten ablaufrohr (33) angeschlossen ist, daß der Wasserbehälter ein Wasserzulaufrohr (32) und ein Wasserüberlaufrohr (34) besitzt, und daß die Rohrstutzen (32,33,34) Absperrhähne (36) aufweisen.

11. Vorrichtung nach anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserbehälter (30) oben ein nach oben offenes Öffnungsröhrchen (31) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Unterseite des Prüfgefäßes (1) ein vorzugsweise am Wasserbehälter (30) angeordnetes Piezometer (37) anschließbar ist, und daß in der Verbindungsleitung zwischen Prüfgefäß und Piezometer ein Absperrhahn (20) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfgefäß oben nach lbnanme der Deckplatte (4) und der der heckplatte zugeordneten Teile durch eine Deckplatte (27) verschließbar ist.

L e e r s e i t e