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1/37 Graubner, C.-A.; Kaiser, H.-U.; Proske, T.: Erstarren von selbstverdichtendem Beton - Auswertung verschie- dener Untersuchungsmethoden, Darmstadt Concrete 21 (2006) ERSTARRUNGSVERHALTEN VON SVB – ANALYSE VON PRÜFVERFAHREN SETTING OF SELF-COMPACTING CONCRETE – EVALUATION OF TEST METHODS Carl-Alexander Graubner, Hans-Ulrich Kaiser, Tilo Proske Kurzfassung Die Quantifizierung des Ansteif- und Erstarrungsverhalten von Frischbeton ist insbesonde- re zur zuverlässigen Ermittlung der Verarbeitbarkeitsdauer des Frischbetons und zur wirk- lichkeitsnahen Abschätzung des Schalungsdrucks erforderlich. Zur Charakterisierung der Erstarrungszeiten stehen verschiedene Prüfverfahren zur Verfü- gung. In der Regel werden hierbei der Erstarrungsbeginn sowie das Erstarrungsende ermit- telt. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Zeitpunkte nicht allgemeingültig definiert sind, sondern hauptsächlich vom jeweils verwendeten Verfahren abhängen. Die Eignung verschiedener Prüfverfahren zur Bestimmung der Erstarrungszeiten Selbst- verdichtender Betone (SVB) wurde in umfangreichen Laborversuchen untersucht. Neben dem bekannten VICAT-Penetrationsverfahren wurden die Kenngrößen mit dem in den USA üblichen Penetrationsverfahren nach ASTM C 403 dem Schlag-Versuch mit der HUMM’schen Betonsonde sowie mit dem Knetbeutelverfahren ermittelt. Daneben wurde die Temperaturentwicklung der Betone aufgezeichnet und bewertet. Verschiedene Betonrezepturen wurden in die Untersuchungen einbezogen, und dabei Mi- schungsparameter, wie z. B. das Wasser-Mehlkornverhältnis, die Fließmittelart und die Zementart, variiert. Zusätzlich erfolgte eine Überprüfung des Einflusses unterschiedlicher Frischbeton- und Lagerungstemperaturen. Es zeigte sich eine zum Teil sehr gute Korrelati- on zwischen den Erstarrungszeiten der Prüfverfahren, woraufhin verschiedene lineare ana- lytische Berechnungsvorschläge abgeleitet werden konnten.

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Graubner, C.-A.; Kaiser, H.-U.; Proske, T.: Erstarren von selbstverdichtendem Beton - Auswertung verschie-dener Untersuchungsmethoden, Darmstadt Concrete 21 (2006)

ERSTARRUNGSVERHALTEN VON SVB – ANALYSE VON PRÜFVERFAHREN

SETTING OF SELF-COMPACTING CONCRETE – EVALUATION OF TEST METHODS

Carl-Alexander Graubner, Hans-Ulrich Kaiser, Tilo Proske

Kurzfassung

Die Quantifizierung des Ansteif- und Erstarrungsverhalten von Frischbeton ist insbesonde-re zur zuverlässigen Ermittlung der Verarbeitbarkeitsdauer des Frischbetons und zur wirk-lichkeitsnahen Abschätzung des Schalungsdrucks erforderlich.

Zur Charakterisierung der Erstarrungszeiten stehen verschiedene Prüfverfahren zur Verfü-gung. In der Regel werden hierbei der Erstarrungsbeginn sowie das Erstarrungsende ermit-telt. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Zeitpunkte nicht allgemeingültig definiert sind, sondern hauptsächlich vom jeweils verwendeten Verfahren abhängen.

Die Eignung verschiedener Prüfverfahren zur Bestimmung der Erstarrungszeiten Selbst-verdichtender Betone (SVB) wurde in umfangreichen Laborversuchen untersucht. Neben dem bekannten VICAT-Penetrationsverfahren wurden die Kenngrößen mit dem in den USA üblichen Penetrationsverfahren nach ASTM C 403 dem Schlag-Versuch mit der HUMM’schen Betonsonde sowie mit dem Knetbeutelverfahren ermittelt. Daneben wurde die Temperaturentwicklung der Betone aufgezeichnet und bewertet.

Verschiedene Betonrezepturen wurden in die Untersuchungen einbezogen, und dabei Mi-schungsparameter, wie z. B. das Wasser-Mehlkornverhältnis, die Fließmittelart und die Zementart, variiert. Zusätzlich erfolgte eine Überprüfung des Einflusses unterschiedlicher Frischbeton- und Lagerungstemperaturen. Es zeigte sich eine zum Teil sehr gute Korrelati-on zwischen den Erstarrungszeiten der Prüfverfahren, woraufhin verschiedene lineare ana-lytische Berechnungsvorschläge abgeleitet werden konnten.

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Graubner, C.-A.; Kaiser, H.-U.; Proske, T.: Erstarren von selbstverdichtendem Beton - Auswertung verschie-dener Untersuchungsmethoden, Darmstadt Concrete 21 (2006)

Des Weiterhin wurde festgestellt, dass auch bei selbstverdichtenden Betonen anhand der Temperaturentwicklung im Frischbeton eine Aussage zum Erstarrungsverhalten möglich ist, wenn gewisse Randbedingungen hinsichtlich der Außentemperatur eingehalten sind. Neben den Aussagen zur Eignung und der Vergleichbarkeit der Prüfverfahren wurden um-fangreiche Erkenntnisse zum Erstarrungsverhalten Selbstverdichtender Betone gesammelt.

Abstract

The knowledge about the stiffening and setting behaviour of fresh concrete is of high inter-est for the evaluation of the fresh concrete workability, for the calculation of the fresh con-crete pressure and the stripping time. Different test methods for the characterisation of the setting time already exist. Usually the determination of the initial and final set is provided. But it must be noted that these parameters are not generally defined and they depend sig-nificantly on the used test methods.

The suitability of different testing methods for the determination of the setting time of SCC was investigated in laboratory tests. The European Standard Vicat-Penetration test for mor-tar, the USA Standard test for concrete according to ASTM C 403 the Humm-Penetration test as well as the Knead-Bag test were analysed. Further the temperature development was noticed and evaluated.

Different concrete mixtures were used. The variation of the mixture parameter, e.g. the water-powder ratio, type of superplasticizer and the cement type, allows an evaluation in general. Additionally to the concrete mixture design the influence of different concrete temperatures was investigated.

The results show to some extent a very good correlation between the setting times of the different test methods. A number of linear analytic relations were derived. In the next fig-ure the correlation between the final set according to Vicat-Test and the final set by differ-ent test methods is plotted.

It was further pointed out that the temperature development gives sufficient information about the setting time of SCC. But boundary conditions as the air temperature have signifi-cant influence on the test results. Additionally to the setting-test evaluation considerable knowledge about the stiffening and setting behaviour of the fresh Self-Compacting Con-crete was achieved.

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1 Einführung Unmittelbar nach der Wasserzugabe im Mischprozess beginnt der Prozess der Hydratation. Hierbei bildet sich aus dem Zementleim in zeitlicher Reihenfolge mit fließenden Übergän-gen durch Ansteifen, Erstarren und Erhärten der Zementstein. Die zeitliche Abfolge der Vorgänge ist in Abbildung 1.1 dargestellt.

Abbildung 1.1: Schema des zeitlichen Verlaufs von Ansteifen, Erstarren und Erhärten nach GRÜBL et al. [7]

Die chemischen und physikalischen Vorgänge während des Ansteifens und Erstarrens sind komplex. Einen Überblick zu dieser Thematik gibt GRÜBL et al. [7]. Detailliert setzen sich damit LOCHER et al. [9] und [10] auseinander. Neuere Erkenntnisse werden von STARK et al. [13] und [14] beschrieben. Die Erstarrungszeit ist in der Regel als Zeitraum zwischen Erstarrungsbeginn und Erstar-rungsende charakterisiert. Als Erstarrungsbeginn wird im Allgemeinen der Zeitpunkt be-zeichnet, an dem das Verarbeitungsfenster des Betons endgültig geschlossen wird. Das Erstarrungsende wird nach DIN 18218:1980-09 als der Zeitpunkt betrachtet, an dem der Beton eine Eigenstandfähigkeit erreicht hat und somit der Druck auf seitliche Schalungen nachlässt. Es ist zu erkennen, dass das Erstarren des Betons wesentliche Bedeutung im Hinblick auf Produktionsabläufe hat. Für die Ermittlung der Erstarrungszeiten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Dabei ist zu beachten, dass die Zeitpunkte lediglich in Abhängigkeit des jeweiligen Ver-fahrens definiert sind, wodurch sich Unterschiede in den Zahlenwerten ergeben können. Damit ist eine allgemeingültige Angabe von Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende nicht möglich.

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In Tabelle 1.1 wurden verschiedene Verfahren zu Bestimmung der Erstarrungszeiten an Leim, Mörtel und Beton zusammengestellt. Unterschieden wird in direkte und indirekte Verfahren. Die direkten Verfahren beruhen auf der Bestimmung des mechanischen Wider-standes des Betons, wohingegen die indirekten Verfahren darauf verzichten und zerstö-rungsfrei anzuwenden sind. Bei den direkten Verfahren erfolgte eine Einteilung in einfache Verformungsversuche und Eindringversuche.

Tabelle 1.1: Verfahren zur Bestimmung der Erstarrungszeiten von Leim, Mörtel und Beton

direkte Verfahren

einfache Verformungsver-suche

Eindringversuche

indirekte Verfahren

Knetbeutelverfahren Eindringversuch am Beton mit Sonde nach Humm 1)

Temperaturmessung der Probe 2)

Bestimmung des Ausbreit-maßes 1)

Penetrationsversuch für Beton nach ASTM C 403

Ultraschallverfahren (Transmission, Refelektion)

Eintauchversuch mit

Innenrüttler nach

DAfStb 3)

Eindringversuch nach DIN EN 196-3

(für Leim)

Elektrische Leitfähigkeit des Frischbetons

Eindringversuch nach DIN EN 480-2

(für Mörtel/ Beton)

1) lediglich Bestimmung des Erstarrungsbeginns sinnvoll möglich 2) lediglich Bestimmung des Erstarrungsendes sinnvoll möglich 3) lediglich Bestimmung vom Ende der Verarbeitbarkeit von Rüttelbeton

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2 Betrachtete Prüfverfahren Zur Bestimmung der Erstarrungszeiten der selbstverdichtenden Betone wurden die nach-folgend aufgeführten Prüfverfahren angewendet. Der Scherpunkt der Untersuchungen wur-de auf die direkten Verfahren gelegt. Es zu beachten, dass bei der Anwendung der Verfahren zum Teil geringe Modifikationen vorgesehen werden mussten. Diese sind an den entsprechenden Stellen beschrieben.

VICAT-Versuch Das Prinzip des VICAT-Versuchs basiert darauf, den Widerstand, des Zementleims bzw. Mörtels beim Ansteifen und Erstarren gegen das Eindringen einer Nadel zu quantifizieren. In Deutschland werden die Erstarrungszeiten am Zementleimen mit dem VICAT-Nadelgerät nach DIN EN 196-3 [4] ermittelt. Prüfungen an Mörteln und Betonen sind dabei nicht vor-gesehen. Die Erstarrungszeiten am Mörtel können mit dem modifizierten VICAT-Nadelgerät nach DIN EN 480-2 [5] bestimmt werden. Der Prüfkörper weist eine konische Form mit einer Höhe von 40 mm auf. Der Innen-durchmesser beträgt 70 mm oben bzw. 80 mm unten. Die Prüfung des Nadeleindringwi-derstandes wird in geeigneten Zeitschritten durchgeführt. Als Erstarrungsbeginn gilt nach DIN EN 480-2 [5] die Zeitspanne von der Wasserzugabe zum Zement bis zu dem Zeitpunkt, bei dem zwischen der Nadel und der Grundplatte der Probe ein Mindestabstand von 4 mm vorhanden ist. Für die Ermittlung des Erstarrungsendes wird der zuvor für die Bestimmung des Erstar-rungsbeginns verwendete Prüfring umgedreht. Als Erstarrungsende gilt nach DIN EN 480-2 [5] die Zeitspanne zwischen Wasserzugabe und dem Zeitpunkt, bei dem die Nadel nur noch 2,5 mm in die Probe eindringt. Der VICAT-Versuch nach DIN EN 480-2 [5] ist für Mörtel vorsehen. Er beinhaltet nicht die Untersuchung von Beton, da der Versuch für die im Beton vorhandene grobe Gesteinskör-nungen nicht geeignet ist. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustel-len wurde aus dem hergestellten Beton mit Hilfe eines Siebes der Maschenweite 5 mm die grobe Gesteinskörnung entfernt und der Siebdurchgang zur Herstellung der Prüfkörper verwendet.

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Penetrometer-Verfahren nach ASTM C 403 In den USA wird zur Charakterisierung des Erstarrungszustandes des Betons in der Regel das Verfahren nach ASTM C 403 [1] verwendet, bei dem ebenfalls der Widerstand des Betons gegen das Eindringen einer Penetrationsnadel gemessen wird. Die Bestimmung der Erstarrungszeiten erfolgt am Mörtel, der nach den Versuchsvorschrif-ten mit einem 4,75 mm-Sieb aus dem Beton gewonnen wird. Abweichend hiervon wurde im vorliegenden Fall für die Herstellung des Mörtels ein 5 mm-Sieb verwendet. Aus dem Siebdurchgang werden Probekörper hergestellt, die als kleinsten Querschnitt und kleinste Höhe 152 mm aufweisen müssen. Im Gegensatz zum VICAT-Versuch, bei dem die Eindringtiefe der Nadel gemessen wird, erfolgt beim Verfahren nach ASTM C 403 [1] die Messung des Eindringwiderstandes an-hand eines Nadelgerätes mit Federmechanismus nach Abbildung 2.1. Je nach erreichtem Erstarrungszustand wird eine entsprechende Nadel, die mit Querschnittsflächen von 645, 323, 161, 65, 32 und 16 mm2 vorliegen, in das Gerät eingesetzt. Das Gerät wird senkrecht auf die Oberfläche des Probekörpers gesetzt und stufenweise mit einer Kraft belastet bis die Nadel 25 ± 5 mm in die Probe eingesunken ist. Die für das Eindringen benötigte Zeit muss 10 ± 2 Sekunden betragen. Die benötigte Kraft wird am Gerät abgelesen und zusam-men mit dem Zeitpunkt festgehalten. Die Messungen werden in zweckmäßigen Zeitab-ständen mit den entsprechenden Nadeln wiederholt. Bei der anschließenden Auswertung wird der Eindringwiderstand als Quotient aus Kraft und Querschnittsfläche der entsprechenden Nadel berechnet und graphisch über der Zeit nach Wasserzugabe aufgetragen. Mit der aus den Messpunkten folgenden Regressionskur-ve werden die Erstarrungszeiten bestimmt. Als Erstarrungsbeginn gilt der Zeitpunkt, bei dem der Eindringwiderstand 3,5 N/mm2 ent-spricht. Das Erstarrungsende ist für den Zeitpunkt definiert, bei dem der Eindringwider-stand 27,6 N/mm2 beträgt.

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Abbildung 2.1: Penetrometer-Messgerät nach ASTM C 403 [1]

Knetbeutelverfahren Für die Ermittlung der Erstarrungszeiten am Beton wird in DAFSTB [3] ein Tastverfahren mit PE-Sack, das so genannte Knetbeutelverfahren, vorgeschlagen. Dabei wird eine Menge von ca. 8 Litern Beton in einen Sack gefüllt, der anschließend verschlossen wird. Mit stündlichem Kneten und Tasten wird der Erstarrungszustand nach Tabelle 2.1 charakteri-siert. Die dort angegebenen Konsistenzbereiche entsprechen den ATTERBERG’schen Kon-sistenzgrenzen, die aus der Geotechnik zur Charakterisierung bindiger Böden bekannt sind.

Tabelle 2.1: Beschreibung des Erstarrungszustandes von Betonen mit dem Knetbeutelverfahren

Konsistenz Beschreibung Erstarrungszustand

Flüssig zerläuft auf der Hand, zerläuft im PE-Sack

Weich zerläuft nicht, zerquillt beim Drücken

Plastisch knetbar

Steif eindrückbar, maximal 30 Millimeter Erstarrungsbeginn

Halbfest eindrückbar, maximal 10 Millimeter

Fest eindrückbar, maximal 1 Millimeter

Erstarrt nicht eindrückbar Erstarrungsende

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Für die Anwendung des Knetbeutelverfahrens war eine genauere Definition der Versuchs-durchführung notwendig, da für die Erstarrungszustände, die nach DAFSTB [3] nach den ATTERBERG’schen Konsistenzgrenzen ermittelt werden, unterschiedliche Einschätzung je nach der Art der Durchführung des Verfahrens durch die einzelnen Anwender vorliegen können. Für das Erstarrungsverhalten bis einschließlich zum Zustand „knetbar“ wurde der Beutel mit Beton auf die Handfläche des Anwenders gelegt. Zu Beginn der Untersuchungen fand eine Fließbewegung des Betons statt, die in Abbildung 2.2, linkes Teilbild zu erkennen ist. Der Zustand „knetbar“ wurde so definiert, dass der Inhalt des Beutels nach Ablegen auf die Handfläche erstmalig keinerlei Fließbewegungen verursachte (s. Abbildung 2.2, rechtes Teilbild). Der Knetbeutel wurde zwischen den einzelnen Versuchen in einem Eimer gela-gert.

Abbildung 2.2: Knetbeutelverfahren: Ermittlung des Erstarrungsverhaltens bis einschließlich zum Zustand „knetbar“

Für die weiteren Versuche wurde durch den Anwender mit dem Daumen die Oberfläche des Knetbeutels gemäß Abbildung 2.3 eingedrückt und dem Ergebnis entsprechend wurde der Erstarrungszustand definiert. Während der Versuche erfolgte im Regelfall kein Durch-kneten des Beutelinhalts.

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Abbildung 2.3: Knetbeutelverfahren: Ermittlung des Erstarrungsverhaltens nach Erreichen des Zustandes „knetbar“

Betonsonde nach HUMM Eine weitere Möglichkeit, den Erstarrungszustand am Beton direkt einzuschätzen, bietet die Betonsonde nach HUMM. Hierbei handelt es sich nach RYCHNER [12] um ein kleines Rammbär-Eindringgerät, das in Abbildung 2.4 dargestellt ist. Es besteht aus einem 520 mm langen Rundstab mit einem Durchmesser von 20 mm, an dem ein Fallgewicht mit einer Masse von 0,5 kg befestigt ist. Die Fallhöhe des Gewichts beträgt 200 Millimeter. Am unteren Ende befinden sich Markierungen für Eindringtiefen von 100, 50 und 20 mm. Das Gesamtgewicht beträgt 1,0 kg. Für die Bestimmung des Erstarrungszustandes wird eine bestimmte Energie in Form von Schlagarbeit auf die Oberfläche der Betonprobe gebracht. Die zugehörige Eindringtiefe beschreibt das Erstarrungsverhalten. HALLAUER [8] führte Untersuchungen durch, bei de-nen eine Eindringtiefe von 50 mm vorgegeben wurde. Die benötigte Schlagzahl für das Eindringen wurde über die Zeit aufgetragen. Ab einer Zahl von 50 Schlägen erfolgte eine rasche Erhöhung der Schlagzahlen. Damit wurde vorgeschlagen, den Zeitpunkt als Erstar-rungsbeginn zu definieren, bei dem eine Schlagzahl von 50 benötigt wird, um die Sonde 50 mm tief in die Betonprobe einzurammen. Ein Vorschlag für die Bestimmung des Erstar-rungsendes wird von HALLAUER [8] nicht vorgenommen. Da es keine genormten Regeln für die Durchführung des Versuchs gibt, übernimmt DAFSTB [2] den vorgenannten Ansatz.

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Abbildung 2.4: Betonsonde nach HUMM

Die Versuche mit der HUMM-Sonde wurden an Betonproben durchgeführt. Die von HALLAUER [8] vorgeschlagene Messung der Schlagzahl für das Eindringen der Sonde von 50 mm in die Betonprobe wurde nicht angewendet. Stattdessen wurde die Eindringtiefe für eine Schlagzahl von 15 Schlägen über der Zeit nach Wasserzugabe aufgezeichnet. Damit wurde sichergestellt, dass bei allen Versuchen die gleiche Schlagenergie verwendet wurde. Daneben wurde die Anwenderfreundlichkeit dahingehend verbessert, dass 50 Schläge eine relativ lange Zeitspanne für die Versuchsdurchführung erzeugen. Dies erschien als Ein-schränkung für die Praxistauglichkeit des Versuchs. Des Weiteren wurde neben dem Er-starrungsbeginn zusätzlich eine Definition für das Erstarrungsende gegeben, das von HALLAUER [8] nicht berücksichtigt wird. Der Erstarrungsbeginn wurde als der Zeitpunkt definiert, an dem die Sonde 50 mm tief in die Probe eingedrungen ist. Der Zeitpunkt, an dem die Sonde erstmalig nicht mehr in die Probe eindringen konnte, wurde als Erstarrung-sende festgelegt.

Temperaturmessungen Die Aufzeichnung der Temperatur einer Betonprobe stellt eine weitere Möglichkeit der Bestimmung der Erstarrungszeiten dar. Von ÖZTÜRK et al. [11] wurden im Rahmen der Forschung zur Anwendung von Ultra-schall zur Bestimmung der Erstarrungszeiten Untersuchungen der Betontemperatur durch-geführt und mit den Ergebnissen des zugehörigen Vicat-Versuchs nach DIN EN 196-3 [4] verglichen. Der Vergleich zeigt den Beginn des Anstiegs der Temperatur-Kurve zur Zeit des Erstarrungsbeginns (s. Abbildung 2.5). Zum Erstarrungsende werden keine Aussagen gemacht.

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0 100 200 300 400Zeit nach Wasserzugabe [h]

Tem

pera

tur

[°C

]Erstarrungsbeginn

Abbildung 2.5: Vergleich der Erstarrungszeiten nach DIN EN 196-3 [4] mit dem Temperaturverlauf (nach ÖZTÜRK et al. [11])

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3 Versuchsprogramm zur Bestimmung der Erstarrungszeiten Selbstverdichtender Betone

Die Bestimmung der Erstarrungszeiten an Selbstverdichtenden Betonen erfolgte anhand eines Versuchsprogramms in dem sowohl verschiedene Mischungsrezepturen als auch mehreren Prüfverfahren zum Einsatz kamen. Hierfür wurde zunächst ein Mischungsent-wurf für einen Selbstverdichtenden Referenzbeton zusammengestellt. Auf dessen Basis wurde jeweils ein Parameter der Mischungszusammensetzung unter Beibehaltung der üb-rigen in einer Gruppe von Versuchen variiert. Des Weiteren wurden der Einfluss der Frischbetontemperatur und der Umgebungstemperatur auf das Erstarren des Betons unter-sucht.

Definition und Kennzeichnung der Versuchsreihen Der Mischungsentwurf für den Referenzbeton geht aus Tabelle 3.1 hervor.

Tabelle 3.1: Zusammensetzung des Referenzbetons

Zement CEM II A-S 52,5 R

Zusatzstoff Steinkohlenflugasche

Anteil des Zusatzstoffs am Zement [M.-%] 50,0

Gesteinskörnung Rheinkorn

Größtkorn der Gesteinskörnung [mm] 16

Fließmittel Muraplast FK 63.17

βP-Wert des Leimgemisches [-] 1,10

Faktor (Vw/Vm)/βP [-]: 0,88

Volumenverhältnis Wasser zu Mehlkorn Vw/Vm [-] 0,97

Leimvolumen [l/m3] 367,5

Mehlkorngehalt [kg/m3] 525

Zur Überprüfung des Einflusses des Mischungsentwurfs auf das Erstarrungsverhalten wur-den mehrere Versuchsreihen durchgeführt. Die Parameter wurden jeweils bei Konstanthal-ten der übrigen innerhalb einer Versuchsreihe variiert. Darüber hinaus erfolgte die Unter-suchung des Einflusses der Frischbeton- und Lagerungstemperatur. Eine Übersicht über die Versuchsreihen und den jeweils veränderten Parameter gibt Tabelle 3.2.

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Tabelle 3.2: Übersicht über die Betonversuchsreihen

Versuchsreihe Veränderter Parameter

B1 Volumenverhältnis von Wasser zu Mehlkorn (Vw/Vm)

B2 Zementsorte

B3 Anteil und Art der Zusatzstoffe

B4 Fließmittelsorte

B5 Leimvolumen

B6 Gesteinskörnung-Sieblinie

B7 Frischbeton- und Lagerungstemperatur (10°C)

B8 Frischbeton- und Lagerungstemperatur (30°C)

B9 wie B1, jedoch erhöhtes Leimvolumen

B10 Rüttelbeton

B11 Zusatzversuch

Die Kennzeichnung der verschiedenen Betonversuche wurde mit einem Code durchge-führt, um bei der Auswertung direkt erkennen zu können, welcher Mischungsentwurf dem jeweiligen Beton zugrunde liegt. Parameter der Mischungsentwürfe, die im Vergleich zum Referenzbeton verändert wurden, werden im Code fett dargestellt. Folgender Code wird verwendet:

BX-Y_LV / V / MK / Z / ZSX / FM / GK / T

BX-Y Bezeichnung des Betons: BX = Nummer der Versuchsreihe, Y = Nummer des Betons in der Versuchsreihe LV Leimvolumen [dm3] V Volumenverhältnis Wasser zu Mehlkorn [-] MK Mehlkorngehalt [kg/m3]

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Z Zementsorte: CEM I: CEM I 32,5 R CEM II: CEM II A-S 52,5 R CEM III: CEM III A 32,5 N ZSX ZS = Art des Zusatzstoffs: SFA: Steinkohlenflugasche KSM: Kalksteinmehl, X = Anteil des Zusatzstoffs am Zement [M.-%] FM Fließmittelsorte: MP: Muraplast FK 63.17 VC: ViscoCrete 1035 ACE: ACE 48 GK Art der Gesteinskörnung (Sieblinie B): Rh2: Rheinkorn mit Größtkorn 2 mm Rh8: Rheinkorn mit Größtkorn 8 mm Rh16: Rheinkorn mit Größtkorn 16 mm Rh32: Rheinkorn mit Größtkorn 32 mm T Temperatur (Frischbeton- und Lagerungstemperatur) [°C]

Damit ergibt sich für den Referenzbeton die folgende Bezeichnung:

BX-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

Untersuchungsprogramm Als Grundlage für die Bestimmung der Erstarrungszeiten wurden zur Untersuchung der Fließeigenschaften der selbstverdichtenden Betone mehrere Grundversuche unmittelbar nach der Herstellung durchgeführt. Es wird an dieser Stelle auf die einschlägige Literatur zu diesem Thema verwiesen. Folgende Versuche wurden durchgeführt:

• Bestimmung des Setzfließmaßes • Bestimmung der Trichterauslaufzeit • Messung von Frischbetontemperatur und Lufttemperatur

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Die Bestimmung der Erstarrungszeiten erfolgte mit den zuvor genannten Verfahren:

• VICAT-Versuch nach DIN EN 480-2 [5] • Penetrometer-Verfahren nach ASTM C 403 [1] • Knetbeutelverfahren • Betonsonde nach HUMM • Kontinuierliche Messung der Probekörpertemperatur

Neben der Bestimmung der Erstarrungszeiten erfolgte die Durchführung mehrerer Zusatz-messungen, die im Rahmen der Untersuchungen von Interesse waren:

• Messung der Proben- und Lufttemperatur etwa zwei Stunden nach Wasserzugabe • Bestimmen des Ausbreitmaßes mit dem Rütteltisch bei Erstarrungsbeginn nach dem

Knetbeutelverfahren • Prüfung der Druckfestigkeit des Betons bei Erstarrungsende nach VICAT-Versuch

Für die Herstellung der selbstverdichtenden Betone wurden als Zielgrößen für das Setz-fließmaß 73 bis 75 cm sowie für die Trichterauslaufzeit etwa 10 Sekunden vorgegeben. Die Probekörper für die einzelnen Untersuchungsverfahren wurden unmittelbar nach der Durchführung der Fließversuche aus den selbstverdichtenden Betonen hergestellt. Wäh-rend der Lagerung über die Zeit des Erstarrens wurde ein wirksamer Verdunstungsschutz hergestellt. Die Lagerung der Probekörper erfolgte für die Versuche mit 20 °C Frischbe-ton- und Lagerungstemperatur im Betonlabor des Instituts für Massivbau in Darmstadt. Die Versuchskörper für die Ermittlung des Einflusses der tiefen und hohen Frischbeton- und Lagerungstemperaturen erfolgte in der zugehörigen Klimakammer.

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4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen Versuchsreihe B1 – Variation des Vw/Vm-Verhältnisses Den Beginn der Untersuchungen stellte die Betonversuchsreihe B1 dar. Im Mittelpunkt stand hier die Variation des Volumen-Verhältnisses von Wasser zu Mehlkorn Vw/Vm. Aus Abbildung 4.1 gehen die Erstarrungszeiten hervor, die mit den unterschiedlichen Verfahren ermittelt wurden. Es ist mit Ausnahme des Betons B1-4 zu erkennen, dass mit steigendem Verhältnis Vw/Vm das Erstarren des Betons verzögert wird. Dies entspricht den Erwartun-gen, da mit höherem Wassergehalt der Abstand zwischen den Zementkörnen wächst und damit ein längerer Weg durch die wachsenden Kristalle bei der Hydratation überbrückt werden muss, um das Erstarren herbeizuführen. Es resultiert aus einer gleichmäßigen Ver-änderung des Vw/Vm-Wertes ein dazu proportionaler Anstieg der Erstarrungszeiten. Der Beton B1-4 zeigt in diesem Zusammenhang ein anderes Verhalten. Trotz eines gerin-gen Volumenverhältnisses von Wasser zu Mehlkorn ist ein späteres Erstarren zu beobach-ten. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass zur Verflüssigung eine erhöhte Fließmittel-zugabe erfolgen musste. Hierdurch wird ein Verzögerungseffekt hervorgerufen. Der Beton wies eine extrem hohe Viskosität auf, die durch eine verhältnismäßig lange Trichteraus-laufzeit von 15,8 Sekunden zum Ausdruck kam. Im Bereich der HUMM’schen Betonsonde konnte ein verfrühtes Erstarrungsende beim Be-ton B1-2 festgestellt werden. Grund hierfür ist die geringe Verflüssigung des Betons, bei dem ein Setzfließmaß von 62 cm erreicht wurde. Durch eine weitere Erhöhung des Maßes bei dem gleichzeitig vorhandenen hohen Wasseranteil, der auch zum Bluten führte, wäre in jedem Fall eine Sedimentation der groben Gesteinskörnungen aufgetreten. Die Messungen mit der HUMM-Sonde werden sehr stark von der Konsistenz des Frischbetons beeinflusst. Im vorliegenden Fall war auf Grund des geringen Setzfließmaßes ein „steifer“ SVB vor-handen, der das Verdrängen der groben Gesteinskörnungen und damit das Eindringen der Sonde erschwerte.

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0 2 4 6 8 10 12Zeit nach Wasserzugabe [h]

Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B1-4_367,5/0,58/653,6/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B1-3_367,5/0,77/582,3/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B1-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B1-2_367,5/1,16/477,7/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

Abbildung 4.1: Versuchsreihe B1: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Versuchsreihe B2 – Untersuchung unterschiedlicher Zementsorten Die Untersuchung des Einflusses der unterschiedlichen Zementsorten war Gegenstand der Versuchsreihe B2. Als Referenzbeton dient in diesem Fall der Beton B3-1. Für die Unter-suchungen mit den Zementen der geringeren Festigkeitsklasse 32,5 wurde das Volumen-verhältnis Vw/Vm im Vergleich zum Referenzbeton gesenkt. Grund hierfür ist das geringere Wasserrückhaltevermögen der weniger mahlfeinen Zemente. Das Volumenverhältnis wur-de aus Erfahrungswerten zu 0,79 geschätzt. Es zeigte sich jedoch die Problematik, dass der Wert offensichtlich als zu gering angenommen wurde, was in einer erschwerten Verflüssi-gung der Betone resultierte. Die Erstarrungszeiten werden in Abbildung 4.2 zusammengefasst. Erwartungsgemäß lie-gen die Erstarrungszeiten des Portlandhüttenzements CEM II A-S 52,5 R auf Grund seiner hohen Festigkeit und der schnellen Festigkeitsentwicklung vor denen der beiden anderen Zemente. Anzumerken ist, dass der Erstarrungsbeginn, der mit dem Knetbeuteverfahren und der Humm-Sonde ermittelt wurde, im Gegensatz zu den übrigen Größen unter Ver-

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wendung des Hochofenzements CEM III A 32,5 N geringfügig vor denen des Betons mit dem Portlandzement CEM I 32,5 R liegt. Möglicherweise besteht ein Einfluss des beim Beton B2-3 geringeren Setzfließmaßes und der damit verbundenen weniger flüssigen Kon-sistenz.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B3-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B2-2_367,5/0,79/565,2/CEM I/SFA50/MP/Rh16/20

B2-3_367,5/0,79/565,2/CEM III/SFA50/MP/Rh16/20

Abbildung 4.2: Versuchsreihe B2: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Versuchsreihe B3 – Variation der Zusatzstoffe und des Zusatzstoffgehalts Mit der Versuchsreihe B3 wurde der Einfluss von Betonzusatzstoffen auf das Erstarrungs-verhalten selbstverdichtender Betone untersucht. Bei den Betonen B3-1 bis B3-4 sowie dem Beton B3-7 wurde der Anteil an Flugasche variiert. Darüber hinaus erfolgte mit den Betonen B3-5 und B3-6 die Untersuchung des Einsatzes von Kalksteinmehl. Abbildung 4.3 zeigt die Ergebnisse der Versuchsreihe. Die zu erwartende Verzögerung des Erstarrens, die mit steigendem Anteil an Flugasche eintritt, ist zu erkennen. Hierbei ist der Einfluss der Flugasche auf den Wasserzementwert von Bedeutung, der mit steigendem Anteil an Flugasche verringert wird. Daneben spielt die Wirkung der Flugasche im Hin-blick auf die Verlangsamung der Hydratation eine Rolle. Bei der Untersuchung des Erstar-

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rungsbeginns mit der HUMM’schen Betonsonde und dem Knetbeutelverfahren ist die Ver-zögerung weniger ausgeprägt.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B3-4 367,5/0,97/511,4/CEM II/SFA75/MP/Rh16/20

B3-7 367,5/0,97/501,6/CEM II/SFA100/MP/Rh16/20

B3-6_367,5/0,97/564,1/CEM II/KSM25/MP/Rh16/20

B3-5_367,5/0,97/554,6/CEM II/KSM50/MP/Rh16/20

B3-1 367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B3-3 W_367,5/0,97/545,3/CEM II/SFA25/MP/Rh16/20

B3-2 W_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/20

Abbildung 4.3: Versuchsreihe B3: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Der Beton B3-2 W, bei dem gänzlich auf den Einsatz von Zusatzstoffen verzichtet wurde, kann nicht eindeutig für alle Verfahren in diesen Zusammenhang eingeordnet werden. Während für den VICAT-Versuch und das Erstarrungsende nach dem Knetbeutelverfahren die Verzögerung des Erstarrens infolge eines höheren Flugascheanteils zutrifft, lässt sich diese Aussage nicht auf das Verfahren nach ASTM C 403 [1] anwenden. Dies gilt eben-falls für das Erstarrungsende, das mit der HUMM-Sonde ermittelt wurde. Da die äußeren Randbedingungen in Bezug auf die Fließeigenschaften und die Temperaturbedingungen für diese Versuche identisch sind, lässt sich lediglich vermuten, dass es sich hierbei um eine normale Streuung der Ergebnisse handelt. Diese Vermutung wird durch die betrags-mäßig geringen Abweichungen von den zu erwartenden Werten im Bereich von etwa 20 Minuten gestützt.

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Die Betone B3-5 und B3-6 zeigen einen leichten Anstieg der Erstarrungszeiten mit zuneh-mendem Kalksteinmehlgehalt. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass das inert wirken-de Kalksteinmehl sich zwar nicht an der Hydratation beteiligt, jedoch bei gleichem Leim-volumen ein Einfluss auf den Wasserzementwert besteht. Dadurch tritt unter Einbeziehung des Beton B3-2 W ohne Zusatzstoff mit steigendem Gehalt an Kalksteinmehl ein leicht verzögertes Erstarren ein.

Versuchsreihe B4 – Variation der Fließmittelsorte Mit der Versuchsreihe B4 wurde im Folgenden der Einfluss unterschiedlicher Fließmit-telsorten überprüft. In Abbildung 4.4 ist zu erkennen, dass die beiden Fließmittel Mu-raplast FK 63.17 und ACE 48 gleiches Erstarrungsverhalten der selbstverdichtenden Beto-ne B4-1 und B4-2 erzeugen. Dagegen erfolgt durch den starken Verzögerungseffekt des Fließmittels ViscoCrete 1035 ein verlangsamtes Erstarren.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B4-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B4-2_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/ACE/Rh16/20

B4-3_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/20

Abbildung 4.4: Versuchsreihe B4: Übersicht über die Erstarrungszeiten

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Versuchsreihe B5 – Veränderung des Leimvolumens Die Versuchsreihe B5, deren Erstarrungszeiten in Abbildung 4.5 zusammengefasst sind, befasste sich mit der Veränderung des Leimvolumens innerhalb der Mischungen. Die Interpretation der Ergebnisse lässt die Schlussfolgerung zu, dass ein steigendes Leim-volumen zu einer Verzögerung der Erstarrungszeiten führt. Dieser Einfluss ist jedoch im Vergleich zur Veränderung anderer Mischungsparameter weniger stark ausgeprägt. Der Grund für den vorliegenden Einfluss ist die mit steigendem Leimvolumen verbesserte Fähigkeit der Gesteinskörnung, in der Probe aneinander vorbei zu gleiten. Dies erleichtert insbesondere bei den Penetrationsverfahren das Eindringen der Versuchsapparatur.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B5-2_332,5/0,97/474,9/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B5-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B5-3_401,6/0,97/573,8/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B5-4_436,6/0,97/623,7/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

Abbildung 4.5: Versuchsreihe B5: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Versuchsreihe B6 – Veränderung der Gesteinskörnungs-Sieblinie Gegenstand der Versuchsreihe B6 war die Ermittlung des Einflusses unterschiedlicher Sieblinien der Gesteinskörnung auf das Erstarrungsverhalten selbstverdichtender Betone. Es wurde der Einsatz von Sieblinien mit Größtkörnern von 2, 8, 16 und 32 mm untersucht, die den Sieblinien B nach DIN 1045-2 [6] entsprechen. Für die Versuchsdurchführung

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wurde ein erhöhtes Leimvolumen von etwa 400 l/m3 gewählt. Damit steht als Referenzbe-ton der Beton B5-4 zur Verfügung, bei dem dieses Leimvolumen ebenfalls zum Einsatz kam. Anzumerken ist, dass beim Beton B6-2, bei dem ein Größtkorn von 2 mm verwendet wurde und der damit einem Mörtel entspricht, eine weitere Erhöhung des Leimvolumens erforderlich war. Die Zusammenfassung der Erstarrungszeiten ist aus Abbildung 4.6 zu entnehmen. Daraus geht hervor, dass die Art der Sieblinie auf die Messungen der Erstarrungszeiten mit der HUMM-Sonde sowie auf das Knetbeutelverfahren keinen Einfluss hat.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B6-2_600/0,97/857,1/CEM II/SFA50/MP/Rh2/20

B6-3_401,6/0,97/573,8/CEM II/SFA50/MP/Rh8/20

B5-4_401,6/0,97/573,8/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B6-4_401,6/0,97/573,8/CEM II/SFA50/MP/Rh32/20

Abbildung 4.6: Versuchsreihe B6: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Dagegen tritt besonders beim Verfahren nach ASTM C 403 [1] und beim Versuch mit der VICAT-Nadel der Einfluss des Größtkorns hervor. Grund hierfür ist der Mörtel, der aus dem Beton durch Sieben gewonnenen wurde. Mit zunehmendem Größtkorndurchmesser enthält der Mörtel weniger Gesteinskörnungen im Bereich kleiner 5 mm. Damit ist der Leimanteil im Mörtel höher, wodurch das Eindringen der Nadeln bei den Versuchen er-leichtert wird. Eine Verzögerung des Erstarrens ist die Folge.

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Durch den Beton B6-2, bei dem keinerlei Gesteinskörner im Bereich größer als 2 mm vor-handen sind, kann diese Aussage jedoch nicht gestützt werden. Hier wäre ein geringerer Eindringwiderstand als beim Versuch mit dem Größtkorn von 32 mm zu erwarten gewe-sen. Eine Erklärung ist für dieses Ergebnis nicht möglich.

Versuchsreihen B7 und B8 – Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Tempe-raturen Mit den Betonversuchsreihen B7 und B8 wurde der Einfluss von verschiedenen Tempera-turen untersucht. Frischbeton- und Lagerungstemperaturen wurden jeweils für Betone be-reits vorhandener Mischungsentwürfe in der Versuchsreihe B7 auf 10 °C und in der Ver-suchsreihe B8 auf 30 °C angesetzt. Zu beachten ist, dass die Herstellung der Betone bei niedrigen Temperaturen mit erhöhten Schwierigkeiten verbunden war. Bei den Betonen der Reihe B7 mit Ausnahme von B7-3 trat nach Feststellung des Setzfließmaßes und der anschließenden Entnahme des Betons aus dem Mischer eine Nachverflüssigung auf, die teilweise zur Sedimentation führte. Die Messung des Erstarrungsbeginns mit der HUMM-Sonde konnte aus diesem Grund teilweise nicht durchgeführt werden, da das Eindringen der Sonde durch die sedimentierte Gesteins-körnung behindert wurde. Dagegen war die Verflüssigung der Betone der Reihe B8 dadurch gekennzeichnet, dass trotz eines vergleichsweise geringen Setzfließmaßes eine kurze Trichterauslaufzeit zu mes-sen war. Die damit verbundene geringe Viskosität hätte bei einer weiteren Verflüssigung zwangsläufig zur Sedimentation geführt, weshalb darauf verzichtet wurde. Die Untersuchung der selbstverdichtenden Betone unter Einfluss der Temperaturen bei Verwendung verschiedener Fließmittel erfolgte mit den Betonen nach Abbildung 4.7. Da-bei wurden die Fließmittel Muraplast FK 63.17 und ViscoCrete 1035 betrachtet. Es ist eine klare Proportionalität der Erstarrungszeiten in Abhängigkeit der Temperatur zu erkennen. Dabei spielt die Sedimentationsneigung der Betone der Reihe B7 offensichtlich eine unter-geordnete Rolle.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B8-1 367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/30

B7-2_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/10

B4-3_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/20

B8-2_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/30

B4-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B7-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/10

Abbildung 4.7: Versuchsreihe B7 und B8 – Variation des Fließmittels: Übersicht über die Erstarrungszeiten

In Bezug auf den Gehalt an Flugasche wurden ebenfalls Betonversuche mit Frischbeton- und Lagerungstemperaturen von 10 °C und 30 °C durchgeführt. Dabei wurden Flugasche-Anteile von 0, 50 und 100 M.-% bezogen auf das Zementgewicht untersucht. Die Ergeb-nisse sind in Abbildung 4.8 zusammengestellt. Auch in diesem Fall ist ein proportionaler Anstieg der Erstarrungszeiten mit sinkender Temperatur zu verzeichnen. Lediglich bei den Versuchen zum Erstarrungsbeginn mit der HUMM’schen Betonsonde und dem Knetbeutel-verfahren ist eine geringe Abweichung vorhanden.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B8-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/30

B7-6_367,5/0,97/501,6/CEM II/SFA100/MP/Rh16/10

B3-7_367,5/0,97/501,6/CEM II/SFA100/MP/Rh16/20

B8-6_367,5/0,97/501,6/CEM II/SFA100/MP/Rh16/30

B3-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B7-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/10B8-5_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/30

B3-2 W_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/20B7-5_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/10

Abbildung 4.8: Versuchsreihe B7 und B8 – Veränderung des Zusatzstoffgehalts: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Die letzte Gruppe der Versuche mit unterschiedlichen Frischbeton- und Lagerungstempe-raturen an selbstverdichtenden Betonen bildet die Versuchsreihe mit Variation der Zement-sorte. Dabei wurde der Einfluss der drei vorhandenen Zemente getestet. Anzumerken ist hier, dass im Vergleich zu den Versuchen der Versuchsreihe B2, die unter normalen Raumtem-peraturen stattfand, und die hier ebenfalls als Vergleich herangezogen wird, das Leimvo-lumen und das Volumenverhältnis von Wasser zu Mehlkorn verändert wurde. Dies liegt in dem Versuch begründet, die Fließeigenschaften der Betone im Vergleich zur Versuchsrei-he B2 zu verbessern. In Abbildung 4.9 ist zu erkennen, dass wie bei den zuvor ausgewerteten Temperaturver-suchsreihen eine Proportionalität des Erstarrungsverhaltens mit einem Bezug auf das Tem-peraturgefälle besteht. Der Beton B7-4 stellt hier eine Ausnahme dar. In diesem Fall liegt eine sehr starke Sedimentation vor, die wegen der schwierigen Herstellungsbedingungen

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auftrat. Dadurch wird eine Verzögerung des Erstarrungsvorgangs hervorgerufen, so dass der Beton nicht in die erwartete Reihenfolge eingeordnet werden kann.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B8-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/30

B7-4_401,6/0,88/600,6/CEM III/SFA50/MP/Rh16/10

B2-3_367,5/0,79/565,2/CEM III/SFA50/MP/Rh16/20

B8-4_401,6/0,88/600,6/CEM III/SFA50/MP/Rh16/30

B3-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B7-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/10

B8-3_401,6/0,88/588,7/CEM I/SFA50/MP/Rh16/30B2-2_367,5/0,79/565,2/CEM I/SFA50/MP/Rh16/20

B7-3_401,6/0,88/588,7/CEM I/SFA50/MP/Rh16/10

Abbildung 4.9: Versuchsreihe B7 und B8 – Variation des Zements: Übersicht über die Erstarrungszeiten

Versuchsreihe B9 – Variation des Vw/Vm-Verhältnisses mit erhöhtem Leimvolumen Die Betonversuchsreihe B9 stellt eine Wiederholung der Versuchsreihe B1, jedoch mit erhöhtem Leimvolumen dar. Die Erstarrungszeiten sind in Abbildung 4.10 zusammenge-fasst. Diese entsprechend den Ergebnissen der Versuchsreihe B1. Absolut erstarren die Betone der Reihe B9 im Vergleich zu denen der Reihe B1 schneller. Dies entspricht nicht den zuvor gemachten Aussagen, aus denen hervorgeht, dass ein höheres Leimvolumen ein geringfügig langsameres Erstarren erzeugt. Eine Begründung dafür liefert die im Vergleich zu den ersten Versuchen höhere Probentemperatur der Betonversuchsreihe B9. Bei den Betonen B9-3 und B9-4 trat jedoch eine Sedimentation auf, obwohl die Trichter-auslaufzeiten auf eine hohe Viskosität schließen lassen. Aus diesem Grund sind Abwei-chungen bei den Erstarrungszeiten vorhanden.

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Vicat-Nadel, ErstarrungsbeginnHumm-Sonde, ErstarrungsbeginnVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsbeginnKnetbeutelverfahren, ErstarrungsbeginnVicat-Nadel, ErstarrungsendeHumm-Sonde, ErstarrungsendeVerfahren nach ASTM C403, ErstarrungsendeKnetbeutelverfahren, Erstarrungsende

B9-3_401,6/0,77/637,9/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B9-1_401,6/0,97/573,8/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B9-2 401,6/1,17/521,3/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

B10_Rüttelbeton

B9-4 401,6/0,58/713,3/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20

Abbildung 4.10: Versuchsreihe B9 - Übersicht über die Erstarrungszeiten

Untersuchung des Einflusses langer Mischzeiten auf das Erstarrungsverhalten Der Einfluss langer Mischzeiten auf die Erstarrungszeiten mit dem Knetbeutelverfahren wurde anhand des Betons B11 getestet. Dieser Beton entspricht in seiner Zusammensat-zung den Referenzbetonen. Nach der Herstellung des Betons und den Messungen der Fließeigenschaften wurde eine Teilmenge in einen PE-Sack abgefüllt. Der restliche Beton wurde zwei Stunden in dem Mischer bei sehr langsamer Drehzahl umgewälzt. Eine Stunde nach Wasserzugabe wurde eine weitere PE-Sack-Probe hergestellt und nach Beendigung des Mischvorgangs folgte eine letzte Probe. Die mit dem Knetbeutelverfahren ermittelten Erstarrungszeiten gehen aus Tabelle 4.1 hervor.

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Tabelle 4.1: Erstarrungszeiten Betonversuch B11

Knetbeutel 1 Knetbeutel 2 Knetbeutel 3

Zeitpunkt der Probenherstellung:

Zeitpunkt der Probenherstellung:

Zeitpunkt der Probenherstellung:

9:25 10:20 11:20

Erstarrungsbeginn [h] 2,5 2,5 2,5

Erstarrungsende [h] 4,2 4,2 4,2

Erstarrungszustand nach dem Knetbeutel-Verfahren

Es ist klar erkennen, dass alle drei Betonproben dasselbe Erstarrungsverhalten aufweisen. Damit besteht kein Einfluss, insbesondere keinerlei Verzögerung, durch eine verlängerte Mischzeit. Diese Feststellung ist für den Einsatz von Transportbeton in Bezug auf Betone mit kurzen Erstarrungszeiten von ausschlaggebender Bedeutung.

Ergebnisse der Prüfung des Ausbreitmaßes bei Erstarrungsbeginn nach dem Knetbeutelverfahren Zur Überprüfung der Verarbeitbarkeit der selbstverdichtenden Frischbetone wurde bei Er-starrungsbeginn nach dem Knetbeutelverfahren das Ausbreitmaß mit dem Rütteltisch be-stimmt. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt Abbildung 4.11. Im Mittel entsprechen die Betone bei Erstarrungsbeginn nach dem Knetbeutelverfahren demnach einer Konsistenz-klasse F3. Einen besonderen Einfluss in Bezug auf tiefe Frischbeton- und Lagerungstemperaturen verdeutlichen die Versuchsergebnisse. Die Betone der Versuchsreihe B7 zeigen geringere Ausbreitmaße im Vergleich zu denen der übrigen Versuchsreihen. Dies beruht auf der mit den Temperaturen abnehmenden Viskosität der Suspension. Weitere Zusammenhänge können jedoch nicht beobachtet werden. Beispielsweise ist es nicht möglich einen Rück-schluss aus höheren Frischbeton- und Lagerungstemperaturen auf ein erhöhtes Ausbreit-maß zu ziehen.

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35 40 45 50 55 60

Ausbreitmaß [cm]

Häu

figke

it [-] M

ittel

wer

t

0

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2

3

4

5

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3,5 4,5 5,5 6,5 7,5

Druckfestigkeit [N/mm2]H

äufig

keit

[-]

Mitt

elw

ert

Abbildung 4.11: Häufigkeit der Ausbreit-maße bei Erstarrungs-beginn nach dem Knetbeutelverfahren

Abbildung 4.12: Würfeldruckfestigkeit bei Erstarrungsende nach dem VICAT-Versuch

Ergebnisse der Bestimmung der Druckfestigkeit bei Erstarrungsende nach VICAT Zur Zeit des Erstarrungsendes nach dem VICAT-Versuch wurde die Druckfestigkeit der Betone jeweils anhand eines Würfels mit einer Kantenlänge von 150 mm bestimmt. Abbildung 4.12 zeigt die Zusammenfassung der Ergebnisse. Die Werte der Druckfestigkeit streuen unabhängig von der Betonzusammensetzung. Es ist somit keine Abhängigkeit zu erkennen. Die Versuchsergebnisse können lediglich in Bezug auf deren Größenordnung als richtig definiert werden. Das Erstarrungsende nach Vicat lag generell zwischen Erstarrungsbeginn und dem Erstarrungsende, die nach dem Verfahren nach ASTM C 403 [1] bestimmt wur-den. In dieser Zeitspanne konnte lokal mit dem Penetrometer ein Eindringwiderstand von 3,5 bis 27,6 N/mm2 gemessen werden.

Vergleich der Ergebnisse mit Versuchen an Bindemittelleimen

Einen weiteren interessanten Vergleich bietet die Ermittlung der Erstarrungszeiten der Bin-demittelleime mit dem Verfahren nach DIN EN 196-3 [4], die bei der Herstellung der selbstverdichtenden Betone Anwendung fanden.

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Hierzu wurden Leime aus bereits vorgegebenen Prüfungen der Normsteife untersucht. Es wurden Versuche mit unterschiedlichem Volumenverhältnis von Wasser zu Mehlkorn Vw/Vm durchgeführt. Anzumerken ist, dass bei den Versuchen der Leime mit Zementen der Festigkeitsklasse 32,5 ein Wasserverlust der VICAT-Proben auftrat. Das geringere Wasser-rückhaltevermögen führte insbesondere bei diesen Versuchen mit hohem Vw/Vm-Verhältnis zum Bluten der Proben.

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m [-

]

CEM II A-S 52,5 R & 50 % SFACEM III A 32,5 & 50 % SFACEM I 32,5 & 50 % SFACEM II A-S 52,5 R & 0 % SFAB3-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20B2-3_367,5/0,79/565,2/CEM III/SFA50/MP/Rh16/20B2-2_367,5/0,79/565,2/CEM I/SFA50/MP/Rh16/20B3-2 W_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/20CEM II A-S 52,5 R & 50 % SFACEM III A 32,5 & 50 % SFACEM I 32,5 & 50 % SFACEM II A-S 52,5 R & 0 % SFAB3-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20B2-3_367,5/0,79/565,2/CEM III/SFA50/MP/Rh16/20B2-2_367,5/0,79/565,2/CEM I/SFA50/MP/Rh16/20B3-2 W_367,5/0,97/578,9/CEM II/0/MP/Rh16/20

Erst

arru

ngsb

egin

nEr

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rung

send

e

Abbildung 4.13: Auswertung des Erstarrungszeiten nach VICAT für Leime und zugehörige Betone

In Abbildung 4.13 sind die Ergebnisse der Prüfungen der Erstarrungszeiten an den Leimen nach DIN EN 196-3 [4] dargestellt. Außerdem zeigt die Abbildung die zugehörigen Zeiten

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der selbstverdichtenden Betone, die mit dem VICAT-Versuch nach DIN EN 480-2 [5] be-stimmt wurden. Wie erwartet wird das Erstarren mit zunehmendem Vw/Vm-Wert verlangsamt. Als Ergebnis der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die selbstverdichtenden Betone bei gleichem Vw/Vm-Wert insgesamt später erstarren als die zugehörigen Bindemit-telleime. Die Begründung für dieses Verhalten liegt in der Verwendung der verzögernden Fließmittel im Fall der Betone.

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5 Bewertung der Prüfverfahren und Ableitung der Erstarrungszeiten Bewertung der Prüfverfahren Die Anwendung des VICAT-Versuchs nach DIN EN 480-2 [5] bei selbstverdichtenden Be-tonen ist grundsätzlich möglich. Schwierigkeiten ergaben sich jedoch zum Teil durch die Gesteinskörnung mit einem Größtkorn von 5 mm. Das Eindringen der Nadel wurde bei einem mittigen Auftreffen auf ein solches Größtkorn unverhältnismäßig stark behindert. Der Einfluss auf die Versuchsergebnisse konnte jedoch minimiert werden, da zu jedem Messzeitpunkt mehrere Eindringversuche je Probe durchgeführt wurden. Zum Teil trat zusätzlich eine Sedimentation der großen Gesteinskörnungen in der Probe auf.Empfeh-lenswert wäre daher die Verwendung von Proben mit kleinerem Größtkorn, beispielsweise mit einem Durchmesser von 2 mm, die durch ein entsprechendes Sieb aus dem Beton ge-wonnen werden. Das Verfahren nach ASTM C 403 [1] bietet die beste Möglichkeit selbstverdichtende Mör-tel und Betone zu untersuchen. Ausgeprägte Messfehler können hier vermieden werden (vgl. Abbildung 5.1).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

4 6 8 10 12 14Zeit nach Wasserzugabe [h]

Ein

drin

gwid

erst

and

[N/m

m2 ]

B4-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20B4-2_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/ACE/Rh16/20B4-3_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/20

Erstarrungsende

Erstarrungsbeginn

B4-1_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/MP/Rh16/20B4-2_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/ACE/Rh16/20B4-3_367,5/0,97/525/CEM II/SFA50/VC/Rh16/20

Abbildung 5.1: Auswertungsbeispiel Verfahren nach ASTM C 403 [1]

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Mit den anderen betrachteten Verfahren konnte die hohe Genauigkeit und Reproduzierbar-keit nicht erreicht werden. Des Weiteren stellt dieses Verfahren das einzige genormte Ver-fahren zur Bestimmung der Erstarrungszeiten am Beton dar. Beim Knetbeutelverfahren war es zunächst notwendig, die Ermittlung der Erstarrungszu-stände aufgrund fehlender Regelungen genau zu definieren. Es wird an dieser Stelle emp-fohlen, auf Basis der bereits in der vorliegenden Arbeit aufgestellten Regeln zur Bestim-mung der Erstarrungszustände ein genormtes Regelwerk für dieses Verfahren zu erarbei-ten. Die Anwendung des Verfahrens war ansonsten ohne weitere Probleme möglich und lieferte aussagekräftige Ergebnisse. Insbesondere als Baustellenversuch zur Qualitätskon-trolle für selbstverdichtenden Beton ist dieses Verfahren geeignet. Die Beton-Sonde nach HUMM konnte bei der Anwendung im Labor nicht überzeugen. Die eindringende Sonde wurde immer wieder von grober Gesteinskörnung behindert. Daraus resultierten Streuungen in den Messergebnissen. Gleichwohl ist sie für eine Anwendung als Baustellenverfahren zur groben Kontrolle der Erstarrungszeiten geeignet. In Bezug auf die Ergebnisse der Temperaturaufzeichnung zeigte sich eine gute Überein-stimmung mit den aus der Literatur bekannten Aussagen und mit den Erstarrungszeiten, die mit dem VICAT-Versuch und dem Verfahren nach ASTM C 403 [1] ermittelt wurden. Damit ist eine relativ zuverlässige Aussage über das Erstarrungsverhalten anhand einer solchen Aufzeichnung möglich.

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Korrelation der Erstarrungszeiten Auf Basis der verschiedenen Ermittlungsverfahren wurde der Grad der Korrelation zwi-schen den Kennwerten (Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende) der verwendeten Verfah-ren ermittelt. In Abbildung 5.2 und Abbildung 5.3 sind die Ergebnisse zusammengestellt. Dargestellt wurde stets der Zusammenhang zwischen den in den Versuchen ermittelten Erstarrungszeiten und dem Erstarrungsende nach dem VICAT-Versuch. Durch lineare Reg-ression wurden analytischen Beziehungen zur Ableitung der Erstarrungszeiten in Abhän-gigkeit des Erstarrungsendes nach VIVAT gefunden. Zur Quantifizierung der Korrelation wurde ebenfalls das Bestimmtheitsmaß angegeben.

R2 = 0,974

R2 = 0,958

R2 = 0,771

R2 = 0,850

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0tE,Vicat [h]

tA,Vicat [h]tA,ASTM [h]

tA,Knetbeutel [h]tA,Humm [h]

Erstarrungsbeginn nachVicatErstarrungsbeginn nachASTMErstarrungsbeginn nachHummErstarrungsbeginn nachdem Knetbeutelverfahren

tA,Vicat = 0,76 tE,Vicat

tA,ASTM = 0,85 tE,Vicat

tA,Humm = 0,48 tE,Vicat

tA,Knetbeutel = 0,42

Abbildung 5.2: Zusammenhang für den Erstarrungsbeginn der Ermittlungsverfahren

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R2 = 0,975

R2 = 0,909

R2 = 0,896

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0tE,Vicat [h]

tE,Vicat [h]tE,ASTM [h]

tE,Knetbeutel [h]tE,Humm [h]

Erstarrungsende nachVicatErstarrungsende nachASTMErstarrungsende nachHummErstarrungsende nachdem Knetbeutelverfahren

tE,Vicat = tE,Vicat

tE,ASTM = 1,14 tE,Vicat

tE,Humm = 0,77 tE,Vicat

tE,Knetbeutel = 0,64

Abbildung 5.3: Zusammenhang für das Erstarrungsende der Ermittlungsverfahren

Es ist festzustellen, dass der Erstarrungsbeginn nach VICAT und die Erstarrungszeiten nach Penetrometer-Versuch nach ASTM C 403 [1] die beste Korrelation mit dem Erstarrung-sende nach VICAT aufweisen. Größere Abweichungen sind bei den Verfahren nach HUMM und dem Knetbeutelverfahren insbesondere hinsichtlich des Erstarrungsbeginns zu ver-zeichnen. Demgegenüber sind die Abweichungen beim Erstarrungsende vergleichsweise gering. Durch Substitution und Umstellen der gefundenen Gleichungen ist es möglich, aus der Erstarrungszeit eines Verfahrens schnell die Kenngrößen der weiteren Verfahren abzulei-ten. Aufgrund der hohen Korrelation ist dieses Prinzip insbesondere bei den Verfahren nach DIN EN 480-2 [5] (VICAT) und ASTM C 403 [1] geeignet.

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Literatur [1] ASTM C 403: Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixtures by

Penetration Resistance; American Society for Testing and Materials; Pennsylvania: 1999

[2] DAFSTB – DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON IM DEUTSCHEN INSTITUT FÜR

NORMUNG: Heft 422 - Prüfung von Beton Empfehlungen und Hinweise als Ergän-zung zu DIN 1048; Berlin: Beuth, 1991

[3] DAFSTB – DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON IM DEUTSCHEN INSTITUT FÜR

NORMUNG: Heft 516 - Sachstandsbericht Selbstverdichtender Beton; 1. Auflage; Ber-lin: Beuth, 2001

[4] DIN EN 196-3: Prüfverfahren für Zement; Teil 3: Bestimmung der Erstarrungszeiten und der Raumbeständigkeit; Deutsches Institut für Normung e. V.; Berlin: Beuth, Mai 2005

[5] DIN EN 480-2: Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel - Prüfverfahren; Teil 2: Bestimmung der Erstarrungszeit; Deutsches Institut für Normung e. V.; Ber-lin: Beuth, Februar 2005

[6] DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Teil 2: Beton - Fest-legung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität; Deutsches Institut für Normung e. V.; Berlin: Beuth, Juli 2001

[7] GRÜBL, P., WEIGLER, K., KARL, S.: Beton – Arten, Herstellung und Eigenschaften; 2. Auflage; Berlin: Ernst & Sohn, 2001

[8] HALLAUER, O.: Einfluss der Betontemperatur auf das Erstarrungsverhalten eines Be-tons mit Verzögerer; in Beton 22 (1972) Nr. 5; S. 199-203

[9] LOCHER, F. W., RICHARTZ, W., SPRUNG, S.: Erstarren von Zement - Teil I: Reaktion und Gefügeentwicklung; in Zement – Kalk – Gips 29 (1976) Nr. 10; S. 435-472; Wiesbaden: Bauverlag

[10] LOCHER, F. W., RICHARTZ, W., SPRUNG, S.: Erstarren von Zement - Teil II: Einfluss des Calciumsulfatzusatzes; in Zement – Kalk – Gips 33 (1980) Nr. 6; S. 271-277; Wiesbaden: Bauverlag

[11] ÖZTÜRK, T.; KROGGEL, O.; GRÜBL, P.; POPOVICS, J. S.: Improved Ultrasonic Wave Reflection Technique to Monitor the Setting of Cement-Based Mateials; in NDT & E Internatinal 39 (2006) Nr. 4; S. 258-263

[12] RYCHNER, G. A.: Die Betonsonde, ein neues Gerät zur Bestimmung der Verarbeit-barkeit von Beton; in Schweizerische Bauzeitung 67 (1949) Nr. 33; S. 445-449

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[13] STARK, J.; MÖSER, B.; ECKART, A.: Neue Ansätze zur Zementhydratation - Teil 1; in ZKG International 54 (2001) Nr.1; S. 52-60; Walluf: Bauverlag

[14] STARK, J.; MÖSER, B.; ECKART, A.: Neue Ansätze zur Zementhydratation - Teil 2; in ZKG International 54 (2001) Nr.2; S. 114-119; Walluf: Bauverlag