Baustoffdesign

Thomas A. BIER

Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,

Baustoffdesign

Baustoffdesign

Entwicklung von Bauteilen nach Pflichtenheft

Cahier de Charges

Beispiel Beton: Mischungsentwurf nach DIN EN 206

Entwicklung von Bauteilen nach Pflichtenheft

Cahier de Charges

Beispiel Beton: Mischungsentwurf nach DIN EN 206

Festigkeit (w/z-Wert, Zementart, -gehalt)

Verarbeitungsverhalten (Mehlkorngehalt, Sieblinie)

Bauteilgröße – Bewehrung (Größtkorn, Fließmaß)

Expositionsklasse (Umwelteinflüsse /Dauerhaftigkeit)

Wirtschaftlichkeit

Ökologische Aspekte

Baustoffdesign

Baustoffdesign

Gliederung

1. Physiko- chemische Grundlagen der Erhärtung von Mörteln und Beton

2. Methoden des klassischen Mischungsentwurfs

3. Erwartete Funktionen/Eigenschaften von Spezialbindemitteln

4. Funktionen von Bindemittelmischungen

5. Das System PZ, TZ, C$

6. Beschleuniger, Verzögerer

7. Rolle der organischen Zusatzmittel

8. Mineralische und organische Füllstoffe

9. Nanoskalige Füller

10. Typische, praktische Beispiele

11. Verarbeitungsverhalten von PZ Mörteln

12. Einfluss von Zusatzmitteln auf das Verarbeitungsverhalten

13. Festigkeit- und Mikrostrukturentwicklung bei RT

1. Physiko- chemische Grundlagen der Erhärtung von Mörteln und Beton

2. Methoden des klassischen Mischungsentwurfs

3. Erwartete Funktionen/Eigenschaften von Spezialbindemitteln

4. Funktionen von Bindemittelmischungen

5. Das System PZ, TZ, C$

6. Beschleuniger, Verzögerer

7. Rolle der organischen Zusatzmittel

8. Mineralische und organische Füllstoffe

9. Nanoskalige Füller

10. Typische, praktische Beispiele

11. Verarbeitungsverhalten von PZ Mörteln

12. Einfluss von Zusatzmitteln auf das Verarbeitungsverhalten

13. Festigkeit- und Mikrostrukturentwicklung bei RT

Baustoffdesign

Gliederung

14. Festigkeit- und Mikrostrukturentwicklung bei erhöhten Temperaturen

15. Einfache Montagemörtel auf PZ-TZ Basis

16. Verbesserte Montagemörtel auf PZ-TZ Basis (Anhydrit)

17. Schnell erhärtende und trocknende Mörtel (Ettringit)

18. Schwinden und Schwindkompensation

19. Fliesenkleber

20. Vergussmörtel

21. Spachtelmassen

22. Dichtschlämmen

23. Wärmedämmputze

24. Porenbeton

25. Massive, ultrahochfeste Bauteile

14. Festigkeit- und Mikrostrukturentwicklung bei erhöhten Temperaturen

15. Einfache Montagemörtel auf PZ-TZ Basis

16. Verbesserte Montagemörtel auf PZ-TZ Basis (Anhydrit)

17. Schnell erhärtende und trocknende Mörtel (Ettringit)

18. Schwinden und Schwindkompensation

19. Fliesenkleber

20. Vergussmörtel

21. Spachtelmassen

22. Dichtschlämmen

23. Wärmedämmputze

24. Porenbeton

25. Massive, ultrahochfeste Bauteile

Baustoffdesign

Lastenheft

Das Lastenheft (teils auch Anforderungsspezifikation, Anforderungskatalog, Kundenspezifikationoder Requirements Specification) beschreibt die Gesamtheit der Forderungen des Auftraggebers an die Lieferungen und Leistungen eines Auftragnehmers.

Das Lastenheft kann der Auftraggeber in einer Ausschreibung verwenden und an mehrere mögliche Auftragnehmer verschicken. Mögliche Auftragnehmer erstellen auf Grundlage des Lastenheftes ein Pflichtenheft welches in konkreterer Form beschreibt, wie der Auftragnehmer die Anforderungen im Lastenheft zu lösen gedenkt. Der Auftraggeber wählt dann aus den Vorschlägen den für ihn Geeignetsten aus.

Die Anforderungen in einem Lastenheft sollten durch ihre Formulierung so allgemein wie möglich und so einschränkend wie nötig formuliert werden. Hierdurch hat der Auftragnehmer die Möglichkeit optimale Lösungen zu erarbeiten, ohne durch zu konkrete Anforderungen in seiner Lösungskompetenz eingeschränkt zu sein.

Im Rahmen eines Werkvertrages oder Werkliefervertrages und der dazu gehörenden formellen Abnahme beschreibt das Lastenheft präzise die nachprüfbaren Leistungen und Lieferungen.

Das Lastenheft (teils auch Anforderungsspezifikation, Anforderungskatalog, Kundenspezifikationoder Requirements Specification) beschreibt die Gesamtheit der Forderungen des Auftraggebers an die Lieferungen und Leistungen eines Auftragnehmers.

Das Lastenheft kann der Auftraggeber in einer Ausschreibung verwenden und an mehrere mögliche Auftragnehmer verschicken. Mögliche Auftragnehmer erstellen auf Grundlage des Lastenheftes ein Pflichtenheft welches in konkreterer Form beschreibt, wie der Auftragnehmer die Anforderungen im Lastenheft zu lösen gedenkt. Der Auftraggeber wählt dann aus den Vorschlägen den für ihn Geeignetsten aus.

Die Anforderungen in einem Lastenheft sollten durch ihre Formulierung so allgemein wie möglich und so einschränkend wie nötig formuliert werden. Hierdurch hat der Auftragnehmer die Möglichkeit optimale Lösungen zu erarbeiten, ohne durch zu konkrete Anforderungen in seiner Lösungskompetenz eingeschränkt zu sein.

Im Rahmen eines Werkvertrages oder Werkliefervertrages und der dazu gehörenden formellen Abnahme beschreibt das Lastenheft präzise die nachprüfbaren Leistungen und Lieferungen.

Baustoffdesign

Material

Chemie

Mineralogie

Feinheit (SO, PSD)

Zemente PZ, TZ, C$

Füllstoffe

Organische StoffeDispergierbare Pulver

Zusatzmittel

Material

Chemie

Mineralogie

Feinheit (SO, PSD)

Zemente PZ, TZ, C$

Füllstoffe

Organische StoffeDispergierbare Pulver

Zusatzmittel

Verfahren

Mischen und Erhärtung

TemperaturAutoklav

Trocknen

Pressen /ExtrudierenZiegel

KS Stein

Macro Defect Free

DSP

Funktionen

Festigkeit

Konsistenz

VerarbeitungViskosität

Fließgrenze

Offene Zeit

Dauerhaftigkeit

Farbe/Optik

DämmungWärme

Schall

Schwinden/Quellen

Permeabilität

Elektr. Leitfähigkeit

Haftzugfestigkeit

Baustoffdesign

Material

Zemente PZ, TZ, C$

Füllstoffe

Organische StoffeDispergierbare Pulver

Zusatzmittel

Material

Zemente PZ, TZ, C$

Füllstoffe

Organische StoffeDispergierbare Pulver

Zusatzmittel

Verfahren

Mischen und Erhärtung

Funktionen

Festigkeit

Konsistenz

VerarbeitungViskosität

Fließgrenze

Offene Zeit

Dauerhaftigkeit

Farbe/Optik

Schwinden/Quellen

Haftzugfestigkeit

Baustoffdesign

BindemittelgemischHydraulisch aktive Rohstoffe

Kunststoffdispersionspulver

Füller - Sande - Mehle

Zusatzmittel

Zusammensetzung

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Ternäre Bindemittel

Gebräuchliche Bindergemische können im System TZ - PZ - CS dargestellt werden

Abkürzungen :TZ : TonerdezementPZ : Portland ZementCS : Kalziumsulfat

CaSO4

CaSO4.½H2OCaSO4.2H2O

TZ PZ

CS

Baustoffdesign

Examples for Ternary Binder Application

SLU 5～20mmTile, Flooring or Liner sheet

Concrete substrate

Grouting

Repair

Assembly

Injection

Baustoffdesign

What is cement-based grout?

Important properties for grouts:Excellent fluidity

High strength

Non-shrinkage

Good workability (moderate setting)

Grouts are self-flowable and filling mortars containing cement, sand and chemical admixtures etc.

Machine foundation Earthquake retrofit Pile top

Baustoffdesign

Composition of Ternary Binders

Baustoffdesign

1- Quick setting

2- Quick setting with improved hardening

3- Rapid hardening / Rapid drying

4- Quick setting / Rapid hardening

5- Corrosion resistant

Funktionsorientierung durch Bindemittel

Baustoffdesign

Function Smootheness Strength Durability Color Density, Insulation Cost

Filler Limestone flour

Sand

Quartz Limestone Others

Slag (GBFS)

Fly ash

Silica fume

Perlite etc.

Titanium di-oxide

Funktionsorientierung durch Zuschläge

Baustoffdesign

Abreviations for different types of polymersSBR Styrene-butadiene copolymers

PAE Polyacrylic ester homopolymers

SA Styrene acrylic copolymers

PVA Vinyl acetate homopolymers

VAE Vinyl acetate-ethylene copolymers

VAC Vinyl acetate-acrylic copolymers

VA - VEOVA Vinyl acetate-vinyl ester of versatic

FunctionsAbrasion resistance

Adhesion

Flexibility (Young's modulus)

Porosity

Funktionsorientierung durch Kunststoffe

Baustoffdesign

Funktionsorientierung durch Zusatzmittel

Type of Admixture

Accelerators

Retarders

Water reducers / Plasticisers

Thickeners (Stabilisers)

Defoamers

Air entraining agents

Type of Admixture

Accelerators

Retarders

Water reducers / Plasticisers

Thickeners (Stabilisers)

Defoamers

Air entraining agents

Desired Function

Rapid Hardening

Later Set, Flow

Strength, Flow

Anti Sedimentation

Strenght improvement

Freeze Thaw Resistance

Desired Function

Rapid Hardening

Later Set, Flow

Strength, Flow

Anti Sedimentation

Strenght improvement

Freeze Thaw Resistance

Baustoffdesign

Action of Binder and Admixtures during Hydration

Baustoffdesign

Hydration: Influence of Admixtures

CT = tri-sodium citrate

Li2CO3 = lithium carbonate

Baustoffdesign

Example: Self-leveling UnderlaymentsRichtformulierung – Guide Line

Component System 1 System2 Function% by weight

of dry material

% by weightof dry

material

Calcium aluminate cement 9 20 Mineral basePlaster alpha-hemi-hydrate 7 Rapid-setting, shrinkage compensationAnhydrite 4Ordinary Portland cement 17 4 Source of lime and CSHQuartz sand (0.1-0.5 mm) 38 38 FillerFine limestone (0.075-0.1 mm) 30 27 Fine fillerRedispersible powder 1 3 Improves adhesion, flexibility, abrasion resistanceCasein 0.2 Superplasticizer: Brings fluiditySuperplasticizer 0.05Calcium hydroxyde 1 0.4 Casein activator (ph)Cellulose viscosity: 500 mPas 0.025 0.06 Prevents segregationAnti-foam 0.1 0.1 Reduces foam formationCitric acid 0.02 0.2 RetarderLithium carbonate 0.02 0.1 AcceleratorTotal dry materials 100 100 24 24

Baustoffdesign

Self-leveling Underlayments: Performance

OPC/CAC System 1OPC/CAC System 1 CAC/C$ System 2CAC/C$ System 2

Placing and rheology :Placing and rheology :

• Open time: 25 min• Set time: 40 min• Open time: 25 min• Set time: 40 min

• Open time 40 min• Set time: 60 min• Open time 40 min• Set time: 60 min

Final performances Final performances

Drying Time:Compressive strength at 4h: 4 MPaCompressive strength at 24h: 7 MPaShrinkage: 2000µ/m

Drying Time:Compressive strength at 4h: 4 MPaCompressive strength at 24h: 7 MPaShrinkage: 2000µ/m

Drying Time:Compressive strength at 4h: 6 MPaCompressive strength at 24h:20MPaShrinkage: 900µ/m

Drying Time:Compressive strength at 4h: 6 MPaCompressive strength at 24h:20MPaShrinkage: 900µ/m

Baustoffdesign

Rheology and Structuring : Richards Locher Model

• Nucleation• Growth of hydrates

• Solubility• Particle –

Particle Interaction

• Massive Hydration• W/C Ratio

• Intrinsic Strength• Porosity

I II

III

IV

Baustoffdesign

• Nucleation• Growth of hydrates

• Solubility• Particle – Particle Interaction w/SP

• Intrinsic Strength• Porosity

I II

III

IV

Rheology and Structuring : Self Levelling Underlayments

Oscillation flow curves

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,1 1 10 100 1000

(rad/s)

(°

)

S6A_MFPP100FS6B_MF1641FS6C_MF2641FS6D_MF2651FS6F_Casein

Calorimetry (Versatz6b_Early time)

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4 5

Time (hours)

Hea

t Evo

lutio

n (m

W/g

)

No.3_ohneNo.1_citricNo.1_citric_lithiumNo.3_allNo.2_vp2651No.2_vp2651_lithiumNo.3_SKW_pce_20%

vp+cit+lit

cit+lit

SKW_20%

cit

ohne

vp+lit

vp

Ref.

No.1 No.2

No.3

Equipment

Baustoffdesign

PerformanceSelf flow values CSTB cylinder

Gel or open time cup or knife test

Setting time Vicat needle

Mechanical strength prisms 4 x 4 x 16

PerformanceSelf flow values CSTB cylinder

Gel or open time cup or knife test

Setting time Vicat needle

Mechanical strength prisms 4 x 4 x 16

Measuring Mechanical Performance