Bestimmung der Zusammensetzung von erhärtetem Beton

Pfingsten, Johannes GND

Die nachträgliche Bestimmung der Betonzusammensetzung ist häufig im Zusammenhang mit Schäden oder Mängeln sowie bei der Revitalisierung von Betonbauwerken oder -bauteilen erforderlich. Für die Bestimmung des Zementgehaltes wird in Deutschland die Normenreihe DIN 52170 aus dem Jahr 1980 herangezogen. Verfahren zur Bestimmung der Zementart oder des Zusatzstoffgehaltes sind bislang nicht geregelt. Aufgrund der in DIN 52170 getroffenen Annahmen war damit zu rechnen, dass die Bestimmung des Zementgehaltes für manche Zement- und Gesteinsarten zu großen Fehlern führt. Das Ziel dieser Arbeit bestand daher darin, die Grenzen der DIN 52170 und mögliche Lösungswege zu diskutieren, ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des Zementgehaltes zu entwickeln und Verfahren zur Abschätzung der Zementart zu erarbeiten. Hierzu wurden 21 Betone mit bekannter Zusammensetzung hergestellt, bei denen insbesondere die Zement- und Gesteinskörnungsart sowie der Zement- und Zusatzstoffgehalt variiert wurden. Die Betone wurden in Anlehnung an DIN 52170 analysiert und mögliche Fehlereinflüsse diskutiert. Das alternative Verfahren zur Bestimmung des Zementgehaltes basierte auf einer ortsaufgelösten Messung der Röntgenfluoreszenz mittels µ-RFA. Die hieraus resultierenden Elementverteilungsbilder wurden bildanalytisch so kombiniert und ausgewertet, dass ein maximaler Kontrast zwischen Zementstein und Gesteinskörnung erreicht wurde. Anschließend wurden die Flächenanteile des Bindemittels und der Gesteinskörnung mit Hilfe von Schwellwertalgorithmen ermittelt und in Massenanteile umgerechnet. Die Ergebnisse belegen, dass die bildanalytische Bestimmung des Bindemittelgehaltes vielversprechend ist und grundsätzlich auch bei verschiedenen Zement- und Gesteinskörnungsarten angewendet werden kann. Für die Abschätzung der Zementart wurde ebenfalls ein bildanalytischer Ansatz eingesetzt, der auf rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen und Elementverteilungsbildern der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) basierte. Mit Hilfe dieser Technik wurden die Flächenanteile der Zementhauptbestandteile ermittelt, in Massenanteile umgerechnet und auf den Zementgehalt des jeweiligen Bildausschnitts bezogen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass dieses ohne Rückstellproben der Betonbestandteile eingesetzt werden kann. Bei dem in dieser Arbeit verwendeten Kompromiss zwischen möglichst großer Analysenfläche bei möglichst kurzer Messdauer konnten die Anteile der Zementhauptbestandteile und Betonzusatzstoffe halbquantitativ abgeschätzt werden. Für die Abschätzung des Hüttensandgehaltes wurde zudem ein nasschemisches Verfahren basierend auf CEN/TR 196-4 erarbeitet, das ohne apparative Analysenmethoden auskommt.

The subsequent determination of the concrete composition is often required in case of damage or defects as well as in case of revitalisation of concrete structures or components. In Germany, the standard series DIN 52170 from 1980 is used for the determination of the cement content. Methods for determining the cement type or the content of additions have not yet been regulated. Due to the assumptions made in DIN 52170, it was to be expected that the determination of the cement content for some cement and aggregate types would lead to large errors. The aim of this work was therefore to discuss the limits of DIN 52170 and possible solutions, to develop an alternative method for determining the cement content and to work out methods for estimating the cement type. For this purpose, 21 concretes of known composition were produced, in which the cement and aggregate type as well as the cement content and the content of additions were varied in particular. The concretes were analysed according to DIN 52170 and possible influences of errors were discussed. The alternative method for determining the cement content was based on a spatially resolved measurement of the X-ray fluorescence using µ-XRF. The resulting element distribution images were combined and evaluated by image analysis in such a way that a maximum contrast between cement paste and aggregate was achieved. Subsequently, the area fractions of the binder and the aggregate were determined with the help of threshold value algorithms and converted into mass fractions. The results show that the imageanalytical determination of the binder content is promising and can, in principle, also be used for different cement and aggregate types. For the estimation of the cement type, an image-analytical approach was also used, which was based on scanning electron microscopic images and element distribution images of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). With the help of this technique, the area fractions of the main cement constituents were determined, converted into mass fractions and related to the cement content of the respective image section. One advantage of this method is that it can be used without the need for set aside samples of the concrete constituents. With the compromise used in this work between the largest possible analysis area and the shortest possible measurement time, the proportions of the main cement constituents and concrete additives could be estimated semi-quantitatively. For the estimation of the granulated blastfurnace slag content, a wet-chemical method based on CEN/TR 196-4 was developed, which does not require any instrumental analytical methods.

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Pfingsten, Johannes: Bestimmung der Zusammensetzung von erhärtetem Beton. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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