21.01.16 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Fakultät für Bauingenieur we se n und Umweltwissenschaften Gefügedichter Leichtbeton – Charakteristische Eigenschaften und Anwendungen Univ.-Prof. Dr.-Ing. K.-Ch. Thienel Inhalt Einleitung Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung (LWA) Eigenschaften gefügedichten Leichtbetons (LC) Anwendungen historische Beispiele aktuelle Beispiele Zusammenfassung Institut für Werkstoffe des Bauwesens 1 21.01.16 Gesteinskörnungen für Leichtbetone Verm ic ulit Leic hte Gesteinskörnung Perlit Blähglas Normale Gesteinskörnung Naturbim s Blähsc hiefer Blähton Kesselsand Gesinterte SFA Tuff, Lava Kies, Splitt 0 500 1000 1500 2000 Kornrohdic hte ρa [kg/m³] 2500 3000 Faust, Thorsten: Leichtbeton im Konstruktiven Ingenieurbau, Ernst & Sohn, 2002 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC – LC (Kontaktzone) Blähton Matrix Institut für Werkstoffe des Bauwesens 2 21.01.16 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC – LC (Kontaktzone) Sandkorn Matrix Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC – LC (Kontaktzone) Blähglas Matrix Institut für Werkstoffe des Bauwesens 3 21.01.16 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Unterschied NC – LC (Kontaktzone) Blähton Matrix Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Wasseraufnahme 24 Wassergehalt [M.-%] 20 16 12 8 Blähton Blähton Blähton Blähschiefer Gesinterte Steinkohlenflugasche 4 0 0 10 20 30 40 50 Wasseraufnahmezeit [Minuten] http://www.unibw.de/werkstoffe/lehre/skripte/sonderbetone-leichtbeton-1.pdf Institut für Werkstoffe des Bauwesens 4 21.01.16 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Feuchteverteilungen im Korn ursprünglich nasses Korn nach längerem Trocknen ursprünglich trockenes Korn kurz nach dem Vornässen trockener Kern gesättigter Kern trockene Randzone gesättigte Randzone http://www.unibw.de/werkstoffe/lehre/skripte/sonderbetone-leichtbeton-1.pdf Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Feuchteverteilung - Wasseraufnahme Wasseraufnahme w60 [M.-%] 18 16 - trocknend Blähton trocknend 14 - vorgenässt Blähton vorgenässt Gesinterte Steinkohlenflugasche trocknend Gesinterte Steinkohlenflugasche vorgenässt 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Ausgangsfeuchte [M.-%] http://www.unibw.de/werkstoffe/lehre/skripte/sonderbetone-leichtbeton-1.pdf Institut für Werkstoffe des Bauwesens 5 21.01.16 Eigenschaften Leichter Gesteinskörnung Zusammenhang Vornässgrad - Kornrohdichte 2600 nicht in der Regression berücksichtigt Gaspyknometer Kornrohdichte ρG [kg/m³] 2400 Zylinder Glaspyknometer 2200 Linear (Gaspyknometer) Linear (Glaspyknometer) 2000 Linear (Zylinder) 1800 1600 1400 Liapor K-Sand0/2mm 1200 1000 0 20 40 60 80 100 Vornässgrad [-] Thienel K.-C.: Heavy Lifter – Konstruktion und Bautechnik. Beton. 2011(6):6 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften von LC Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte Würfeldruckfestigkeit [MPa] 120 LC mit Natursand 100 LC mit Leichtsand 80 Hochleistungs-LC 60 40 20 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Trockenrohdichte [kg/dm³] http://www.unibw.de/werkstoffe/lehre/skripte/sonderbetone-leichtbeton-1.pdf Institut für Werkstoffe des Bauwesens 6 21.01.16 Eigenschaften von LC Festigkeit • Die Körnung und die Art des Sandes bestimmen die Festigkeit • Die Zusammensetzung der Matrix hat nur sekundären Einfluss • Zementgehalt • W/Z • Zusatzstoffe Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften von LC Vergleich Zylinder - Würfel Würfeldruckfestigkeit f lc,cube [N/mm²] 100 flck,zyl/flck,cube für LC fck,zyl/fck,cube für NC Leichtbeton mit Leichtsand (56d-Werte, I/'95 - II/'99) 80 Leichtbeton mit Natursand (28d-Werte, I/'93 - II/'99) Leichtbeton mit Leichtsand Korn: 440 dm³/m³ Sand: 240 dm³/m³ CEM I 42,5R: 370 kg/m³ 60 44 40 Leichtbeton mit Natursand Korn: 440 dm³/m³ Sand: 260 dm³/m³ CEM I 42,5R: 350 kg/m³ 20 Mittelwerte aus der werkseigenen Produktionskontrolle Wasserlagerung nach DIN EN 12390-2 Würfel: 15/15/15 cm; Zylinder: 15/30 cm 0 0 20 34,5 40 60 80 Zylinderdruckfestigkeit f lc,zyl [N/mm²] Institut für Werkstoffe des Bauwesens 7 21.01.16 Eigenschaften von LC Zuordnung Festigkeit - Rohdichte Rohdichteklasse D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0 Rohdichtebereich ≥ 800 > 1000 > 1200 > 1400 > 1600 > 1800 ≤ 1000 ≤ 1200 ≤ 1400 ≤ 1600 ≤ 1800 ≤ 2000 [kg/m³] Thienel, K.-Ch.: Beitrag 1-2 Besonderheiten bei Leichtbeton in DIN FB 100. In: DAfStb-Heft 526 Erläuterungen zu den Normen DIN EN 206-1, DIN 1045-2, DIN 1045-3, DIN 1045-4 und DIN EN 12620, 2. überarbeitete Auflage, 2011 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Eigenschaften von LC Elastizitätsmodul Elcm =9,5(flck +8)1/3 ηE ηE =(ρ/2200) 2 E-Modul [GPa] 35 Leichtbeton mit Natursand Leichtbeton mit Leichtsand Hochleistungs-Leichtbeton E-Modul nach DIN 4219 DIN 1045-1 30 25 20 15 10 5 0 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Beton-Trockenrohdichte [kg/dm³] Institut für Werkstoffe des Bauwesens 8 21.01.16 LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit a. hohe Porosität / niedrige Permeabilität b. mittlere Porosität / hohe Permeabilität c. hohe Porosität / keine Permeabilität d. geringe Porosität / hohe Permeabilität Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit a. hohe Porosität / niedrige Permeabilität b. mittlere Porosität / hohe Permeabilität c. hohe Porosität / keine Permeabilität d. geringe Porosität / hohe Permeabilität Institut für Werkstoffe des Bauwesens 9 21.01.16 LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit Beispiel: Karbonatisierungstiefe Mean depoth of carbonation c [mm] 70 60 50 40 c = 7,5 * √t 30 c = 5 * √t 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Duration of free exposure t [a] Thienel K.-C.,Schmidt-Döhl F.,FeldrappeV.:In-SituTestsonExisting LWACStructures.In:2.International Conference onStructural LightweightAggregateConcrete;18.-22.Juni2000;Kristiansand, S.912-921. Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit Beispiel: Chlorideindringwiderstand Chloridcontent [M.-%] 0,05 Pedestrian bridge Regensburg Pedestrian bridge Baunatal Underpass Dusebach 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 0 2 4 6 8 Distance from the surface [cm] 10 12 14 Thienel K.-C.,Schmidt-Döhl F.,FeldrappeV.:In-SituTestsonExisting LWACStructures.In:2.International Conference onStructural LightweightAggregateConcrete;18.-22.Juni2000;Kristiansand, S.912-921. Institut für Werkstoffe des Bauwesens 10 21.01.16 LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit Frost-Tausalz-Widerstand 15478 17815 13495 3500 3000 2500 2000 Annahmegrenze 1500 1000 500 Zerstört Mittlere Abwitterung [g/m²] 4000 Fa ct or y h Kä all R th eu e tlin Ko ge llw Po n itz st sc of ho fic ol e Te M le ar C co bu hu m rc rg un h Sa ic at r n io au n M Br ar id b ge ur Br g id ge Bau na R ta e St l . A gen St sb l . E ber ur t g lis ,F ab re et ib u h, C Sa rg ity l z Ha gi tte ll, r St o Li as cka ch ,P au Li tz as f El , P eld em au en L tz ia ta fe s ry Sc , Pa ld ut ho zf ol Sa , W eld vin ei g lh ba ei m nk G ie ße n 0 Thienel K.-C.,Schmidt-Döhl F.,FeldrappeV.:In-SituTestsonExisting LWACStructures.In:2.International Conference onStructural LightweightAggregateConcrete;18.-22.Juni2000;Kristiansand, S.912-921. Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Dauerhaftigkeit • Einstufung in Expositionsklassen erfolgt nicht nach Festigkeit • Wesentlich ist die Zusammensetzung der Matrix • W/Z • Zementgehalt • LP-Gehalt • Nachweis der Eignung der Körnung für XF2 und XF4 Institut für Werkstoffe des Bauwesens 11 21.01.16 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Fakultät für Bauingenieur we se n und Umweltwissenschaften Beispiele LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Pantheon (118 – 128) Institut für Werkstoffe des Bauwesens 12 21.01.16 LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Pantheon Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Gulfaks C, Norwegen • • • Nachträglicher Schutzbeton für die Dome der Lagertanks Schwerpunkt der Plattform durfte nicht verändert werden LB 10 mit einer Rohdichte wie kaltes Salzwasser Institut für Werkstoffe des Bauwesens 13 21.01.16 LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte South Arne Plattform, Nordsee (2000) C 50 / LC 50 mit drei unterschiedlichen Rohdichten Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte South Arne Plattform, Nordsee • Kosten: £180 (£45) Mio. • Kostenreduktion durch LB und Trockendock: ca. £15 Mio. Institut für Werkstoffe des Bauwesens 14 21.01.16 LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Rheinbrücke Köln/Deutz Hauptöffnung LB 45 / 1,8 Endfelder B 55 Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Optimiertes Brückendesign Rafsundet Brücke Sandhornoya Brücke Institut für Werkstoffe des Bauwesens 15 21.01.16 LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Optimierte Position der Stützen Sandhornoya Brücke Institut für Werkstoffe des Bauwesens LC-Eigenschaften – Einstellbare Rohdichte Weltrekord im Freivorbau Stolmasundet Brücke Institut für Werkstoffe des Bauwesens 16 21.01.16 Leichtbetonschiffe Dauerhaftigkeit Hervorragende Dauerhaftigkeit Sehr guter Widerstand gegen Ermüdungsbeanspruchung USS Selma (1919) USS Selma (2009) Institut für Werkstoffe des Bauwesens Leichtbetonschiffe Dauerhaftigkeit MS Capella (1943), Museumshafen Rostock Institut für Werkstoffe des Bauwesens 17 21.01.16 Heidrun TLP (1995) Dauerhaftigkeit Wassertiefe: 345 m 66.000 m³ Leichtbeton LC 60 / 2,0 Decklast: 65300 t Institut für Werkstoffe des Bauwesens Heidrun TLP Institut für Werkstoffe des Bauwesens 18 21.01.16 Heidrun Dauerhaftigkeit • Leichtbeton mit Blähtonkörnung und Natursand und einer Dichte von 1950 kg/m3. • Silica-Gehalt: 7 % v. Z. • Es standen 36 Bohrkerne mit 2 - 9 Jahres freier Exposition zur Verfügung. Die niedrigste Aktivierungszeit für Chloridkorrosion (Kriterium: Chloridgehalt 0,09 % des Betons) in 50 mm Tiefe war 120 Jahre. Der Rest der Bohrkerne lieferte Aktivierungszeiten von mehreren hundert Jahren. S.Helland, R.Aarstein,M.Maage: ln-field performance of NorthSea offshore platforms with regard to chloride resistance,Structural Concrete,11(2010)15-24. Institut für Werkstoffe des Bauwesens MPU Heavy Lifter Gleitschalung, Kletterschalung, Vorspannung InnereAbmessung:50*63m ÄußereAbmessung:92*104m Zuladung:53800t,Eigengewicht:41900t Thienel K.-C.: Heavy Lifter – Konstruktion und Bautechnik. Beton. 2011(6):6. Institut für Werkstoffe des Bauwesens 19 21.01.16 MPU Heavy Lifter Eigenschaften 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Raumtemperatur. 1.1: 410 kg CEM III/B 42,5 N + 140 kg CEM I 52,5 R Rezeptur 1.1 1.4: 275 kg CEM III/B 42,5 N + 275 kg CEM I 52,5 R Rezeptur 1.4 5: 440 kg CEM I 52,5 N + 90 kg FA + 44 kg MS Rezeptur 5 6: 250 kg CEM III/B 42,5 N + 150 kg CEM I 52,5 N + 135 kg FA + 42 kg MS Rezeptur 6 7: 400 kg CEM III/B 42,5 N + 56 kg MS 04:00 03:00 02:00 01:00 00:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 09:00 08:00 07:00 06:00 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 Rezeptur 7 00:00 Temperatur [°C] LC35/38 D1,4 Max. Rohdichte beim Ausschalen: 1600 kg/m 3 Zeit [Stunden:Minuten] Institut für Werkstoffe des Bauwesens MPU Heavy Lifter Institut für Werkstoffe des Bauwesens 20 21.01.16 Jugendzentrum Anna Landsberger / Berlin LB 15 / 1,1 – Wärmedämmung Institut für Werkstoffe des Bauwesens Jugendzentrum Anna Landsberger / Berlin LB 15 / 1,1 – Wärmedämmung Institut für Werkstoffe des Bauwesens 21 21.01.16 Amts- und Landgericht Frankfurt/O. (2004) LB 15 / 1,2 – Wärmedämmung Institut für Werkstoffe des Bauwesens Amts- und Landgericht Frankfurt/O. (2004) LB 15 / 1,2 – Wärmedämmung Institut für Werkstoffe des Bauwesens 22 21.01.16 Amts- undLandgerichtFrankfurt/O.(2014) Wohnhaus Gartmann, Chur Wärmedämmung Institut für Werkstoffe des Bauwesens 23 21.01.16 WohnhausGartmann,Chur Wohnhaus Trager (2006) (ap88 Architektenpartnership) LC8/9 D1,0 Wärmeleitfähigkeit λd = 0,36 W/(mK) Institut für Werkstoffe des Bauwesens 24 21.01.16 Details Wohnhaus Trager Institut für Werkstoffe des Bauwesens Wohnhaus Prof. Schlaich (2007) Festigkeit 7,4 MPa ρd = 0,76 kg/dm3 Wärmeleitfähigkeit λ = 0,18 W/(mK) Institut für Werkstoffe des Bauwesens 25 21.01.16 Wohnhaus Thalmair (2015) Eine Vison ... LC8/9 D0,725 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte cube strength [MPa] 120 100 80 60 40 20 0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 dry density [kg/dm³] Institut für Werkstoffe des Bauwesens 26 21.01.16 cube strength [MPa] Zusammenhang Festigkeit - Rohdichte 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 dry density [kg/dm³] 1,10 1,20 Institut für Werkstoffe des Bauwesens Wärmeleitfähigkeit von LC Mess- und Rechenwerte der Wärmeleifähigkeit [W/(mK)] 1,2 1,0 0,8 Z-23.11-1244 (mit Liapor-Sand) Z-23.11-1244 (mit Natursand) DIN 4108-4 (mit Liapor-Sand) DIN 4108-4 (mit Natursand) Messwerte 0,6 0,4 0,2 0,0 600 800 1000 1200 1400 1600 Beton-Trockenrohdichte [kg/m³] Institut für Werkstoffe des Bauwesens 27 21.01.16 Wohnhaus Thalmair (2015) ... wird Realität (© InformationsZentrum Beton/Peters Fotodesign Institut für Werkstoffe des Bauwesens Zusammenfassung Leichtbetonbietetcharakteristische EigenschaftenfürkreativePlanerund ermöglichtesihnen,anspruchsvolle bautechnischeProblememitkonstruktiver undarchitektonischerEleganzzulösen. 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