Baustoffkunde: Eigenschaften von Beton, Stahl und Bitumen

Quellen und Volumenzunahme (Taubheit)

Quellen (Taubheit): Dies beschreibt die Zunahme des Volumens von Sand oder Beton im Laufe der Zeit. Je feiner der Sand oder der Zement ist, desto größer ist dieser Effekt als Folge der Wasseraufnahme.

Ausbreitmaß auf dem Schocktisch

Hierbei wird die Zunahme des Durchmessers der unteren Basis eines Kegelstumpfes gemessen, der auf einem runden Tisch positioniert ist. Es werden 15 Stöße mit einer Höhe von 12 mm innerhalb von 15 Sekunden durchgeführt. Die Konsistenz wird anhand des Index wie folgt bewertet:

• 0 bis 30: trocken
• 30 bis 50: plastisch
• 50 bis 70: weich
• 70 bis 100: flüssig
• > 100: sehr flüssig

Vebe-Konsistometer zur Verarbeitbarkeit

Dieses Verfahren ist sehr nützlich bei sehr trockenem Beton oder bei mit Fasern verstärktem Beton. Gemessen wird die Zeit, die ein Kegelstumpf (Abrams-Kegel) in einem zylindrischen Behälter auf einem Rütteltisch benötigt, um sich so zu verformen, dass er die Form des Behälters annimmt. Dies gibt eine Vorstellung von der Verarbeitbarkeit (Fügsamkeit). Beträgt die Zeit 30 s bis 18 s, ist der Beton extrem trocken; bei 18 s bis 10 s ist die Konsistenz sehr trocken und von 10 s bis 5 s trocken. Eine Zeit von weniger als 3 s oder über 30 s wird nicht empfohlen.

Entmischung und Bluten (Segregation)

Betonmischungen neigen zur Entmischung (Segregation), wenn sie wenig zusammenhaltend, extrem flüssig oder sehr sandhaltig sind. Auch unsachgemäße Handhabung führt dazu. Dies kann durch eine gute Abstimmung der Sieblinie und ein sorgfältiges Betonmanagement vermieden werden. Luftporenbildner und Flugasche wirken der Segregation entgegen. Vermeiden Sie zu langes Vibrieren sowie die Verwendung von groben und feinen Zuschlagstoffen mit stark unterschiedlicher Dichte.

Exsudation (Bluten): Dies ist eine Form der Segregation, bei der Wasser aufgrund der Unfähigkeit der Feststoffe, es zu binden, an die Oberfläche steigt. Wenn das Wasser schneller verdunstet, als es nachsteigt, entstehen plastische Schwindrisse. Dies erzeugt Kapillaren, welche die Dichtigkeit und Frostbeständigkeit verringern. Zemente mit hoher Feinheit, Tricalciumaluminat, Flugasche und Luftporenbildner wirken dem entgegen, da sie kleine Bläschen erzeugen, die wie feinste Feststoffe wirken. Ein Beton mit gutem Zusammenhalt zeigt weder Segregation noch Bluten.

Spaltzugversuch (Brasilianischer Test)

Es werden zylindrische Proben verwendet (identisch mit denen der Druckprüfung), die einer Kompression zwischen zwei gegenüberliegenden Mantellinien ausgesetzt werden, bis sie in einer Durchmesserebene brechen. Die Last sollte mit einer Rate von 1,5 N/mm² aufgebracht werden. Die reine Zugfestigkeit beträgt etwa 85 % der indirekten Zugfestigkeit (Spaltzugfestigkeit), wobei die Streuung sehr gering ist.

Biegezugversuch an Betonproben

Hierbei wird eine Last mit einer Geschwindigkeit von 1,6 N/mm² pro Minute auf zwei Rollen aufgebracht, die bei einem Drittel der Stützweite liegen. Dadurch entsteht ein zentraler Bereich mit maximalem Biegemoment, in dem die Probe an der schwächsten Stelle bricht. Das Ergebnis des indirekten Zugversuchs liegt etwa 45 % unter dem des Biegeversuchs.

Dehnfähigkeit von Beton

Dies ist die Fähigkeit des Betons, Zugspannungen ohne Bruch standzuhalten. Sie hängt von der Verformbarkeit des Zementleims und dessen Haftung an den Zuschlagstoffen ab. Je festigkeitsstärker ein Beton ist, desto geringer ist in der Regel seine Dehnfähigkeit.

Spezifikation der Betonmischung (Konkretisierung)

Folgende Angaben sind erforderlich: charakteristische Festigkeit, Zementgehalt pro m³, Art und Marke des Zements, das Größtkorn, die Konsistenz, der Wasserzementwert (w/z-Wert), die Art der Zusatzmittel sowie die Herkunft und Art der Zusatzstoffe.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Stahl

Im ersten Abschnitt sind die Verformungen proportional zur Last. Die maximale Spannung in diesem Bereich wird Proportionalitätsgrenze (σₚ) genannt. Danach folgt ein Bereich, in dem die Spannung steigt, die Probe aber bei Entlastung noch in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt (Elastizitätsgrenze σₑ). Die Streckgrenze ist die Spannung, die eine bleibende Verformung von 0,2 % bewirkt. Erhöht man die Last weiter, steigt die Dehnung stärker an; die Verformung bleibt dauerhaft. Diese Diskontinuität wird als Fließbereich (ausgeprägte Streckgrenze) bezeichnet. Erreicht die Spannung einen Schwellenwert (σᵣ), spricht man von der Bruchlast oder Zugfestigkeit. Die Last, bei der die Teile schließlich trennen, ist oft geringer als die Höchstlast, da sich die Probe einschnürt. Die visuelle Bruchlast wird als ultimative Spannung (σᵤ) bezeichnet.

Wichtige Materialeigenschaften

• Elastizität: Eigenschaft, nach der Verformung wieder die ursprüngliche Form anzunehmen.
• Plastizität: Eigenschaft, sich dauerhaft zu verformen, ohne die ursprüngliche Form wiederherzustellen.
• Duktilität: Die Fähigkeit, sich zu Drähten ziehen zu lassen (Streckbarkeit).
• Verformbarkeit (Malleabilität): Die Eigenschaft, unter Druck zu Folien verarbeitet werden zu können.
• Kaltverfestigung (Schärfe): Zunahme des Widerstands infolge von Verformung.
• Sprödigkeit (Zerbrechlichkeit): Tritt auf, wenn das Material nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze ohne plastische Verformung bricht.
• Härte: Widerstand gegen Verformung oder Eindringen.

Eigenschaften von Bitumen und Teer

Bitumen: Eine Mischung aus natürlichen oder pyrogenen Kohlenwasserstoffen. Es kann flüssig, halbfest oder fest sein.

Teer: Entsteht durch die zersetzende Destillation organischer Stoffe wie Kohle oder Schiefer.

Prüfverfahren für bituminöse Bindemittel

• Viskosität: Der Strömungswiderstand durch innere Reibung beeinflusst Verarbeitbarkeit, Haftung und Dosierung. Bei Bitumen wird die relative Viskosität durch die Ausflusszeit gemessen. Bei Teer wird der EVT-Wert verwendet, um die Temperatur zu bestimmen, bei der die Ausflusszeit 50 s beträgt.
• Konsistenz (Penetration): Der am weitesten verbreitete Test. Die Penetration nimmt mit zunehmender Dichte und Viskosität ab. Eine Nadel dringt 5 s lang in die Probe ein; der Durchschnitt aus drei Messungen wird gebildet.
• Thermische Empfindlichkeit (Erweichungspunkt): Die Fähigkeit des Bitumens, die Viskosität bei Temperaturänderung zu ändern. Der Erweichungspunkt (Ring-und-Kugel-Verfahren) ist die Temperatur, bei der eine Stahlkugel eine erweichte Bitumenscheibe bis zum Boden durchdrückt.
• Duktilität: Die Fähigkeit, sich ohne Risse zu verformen. Die Dehnung wird bei 25 °C mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min gemessen.
• Sprödigkeit: Der Verlust der Duktilität bei niedrigen Temperaturen.
• Haftung zwischen Bindemittel und Gestein: Eine chemische Bindung, die durch Feuchtigkeit beeinflusst wird. Bitumen haftet besser an kalkhaltigem Gestein als an kieseligem Gestein.