087-102 Einfl Sse Luftporen

7/27/2019 087-102 Einfl Sse Luftporen

1/1687

Eberhard Eickschen, Dsseldorf

Factors affecting the formation of air voidsin road concrete

Einflsse auf die Luftporenbildungin Straenbeton

bersichtSchden infolge eines Frost-Tausalz-Angriffs treten praktischnicht mehr auf, seitdem Betone fr Fahrbahndecken knstlich ein-gefhrte Luftporen enthalten. Entsprechende Regelungen fr dieZusammensetzung und Herstellung von Beton mit hohem Frost- Tausalz-Widerstand sind im Vorschriftenwerk festgelegt und ha-ben sich in der Vergangenheit bewhrt. In den letzten Jahren wur-de bei einigen Betondeckenlosen insbesondere bei hohen Frischbe-tontemperaturen allerdings ein stark erhhter Luftporengehalt imFestbeton festgestellt. Um die Ursache fr diesen berhhten Ge-halt zu ermitteln, wurden im Forschungsinstitut der Zementindus-trie Untersuchungen an Straenbetonen durchgefhrt. Die Ver-suchsergebnisse zeigen, dass eine wesentliche Erhhung des Luft-gehalts nur auftreten kann, wenn der Luftporenbildner im Frisch-beton infolge einer zu kurzen Mischzeit bei der Herstellung nichtausreichend aufgeschlossen und aktiviert wurde. Wird bei der Her-stellung der Decke dann nachtrglich Mischenergie in den Frisch-beton eingefhrt, kann der Luftgehalt ansteigen. Um bei zuknfti-gen Betonherstellungen eine strkere Luftporenbildung beim Ein-bau des Betons zu vermeiden, werden Empfehlungen fr die Pra- xis gegeben.

AbstractDamage as a result of attack by freeze-thaw with de-icing salt haspractically ceased since concretes for carriageway pavements havecontained artificially introduced air voids. Respective specificationsfor composition and production of concrete with high resistance tofreeze-thaw with de-icing salt have been fixed in the regulationsand have been proved successful in the past. However, a greatly in-creased air void content in the hardened concrete has been foundin recent years in some contract sections of concrete pavement, es-pecially with high fresh concrete temperatures. Investigations werecarried out at the Research Institute of the Cement Industry onroad concretes in order to determine the reason for this excessive-ly high content. The test results show that a substantial increase inair content can only occur if the air-entraining agent in the freshconcrete is not adequately broken down during production, due totoo short a mixing time, and has therefore been insufficiently ac-tivated. The air content can then rise if mixing energy is intro-duced into the fresh concrete later during production of the pave-ment. Practical recommendations for future concrete productionare given to avoid excessive air void formation during the place-ment of concrete.

1 EinleitungFahrbahndeckenbeton wird im Winter mit Tausalz beaufschlagtund muss daher einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen.Grundvoraussetzung hierfr ist ein ausreichend dichter Zement-stein, die Verwendung einer Gesteinskrnung mit hohem Frost- widerstand und darber hinaus die Zugabe eines Luftporenbildners,der einen ausreichenden Gehalt an kleinen Luftporen im Betonerzeugt. Bei einzelnen Straenbaustellen ist in den letzten Jahren

insbesondere bei hohen Frischbetontemperaturen eine ungewhn-liche Luftporenbildung beobachtet worden. Im Vergleich zumFrischbeton wurde im Festbeton ein stark erhhter Luftgehalt fest-gestellt. Um die Ursachen fr diese nachtrgliche Luftporenbildungzu ermitteln, hat das Forschungsinstitut der Zementindustrie mitfinanzieller Untersttzung des Verbands der Deutschen Bauchemieund des Bundesministers fr Verkehr, Bau und Wohnungswesen(BMVBW) umfangreiche Untersuchungen durchgefhrt [1, 2].

2 Stand der Erkenntnisse2.1 Anwendung von LuftporenbildnernDas wichtigste Anwendungsfeld von Luftporenbildnern ist dieErhhung der Widerstandsfhigkeit des erhrteten Betons ge-gen den Frost- bzw. Frost-Tausalzangriff. ber den Frost-Tausalz- Widerstand von Beton, den Zusatz von Luftporenbildnern und dieEinflsse auf die Luftporenbildung liegen zahlreiche Forschungs-ergebnisse vor [3 bis 12] und haben Eingang in das Vorschriften- werk gefunden [13, 14]. Fahrbahndeckenbeton mit hohem Frost- Tausalz-Widerstand nach ZTV-Beton-StB muss danach einenausreichend dichten Zementstein (w/z 0,50) aufweisen, unterVerwendung einer Gesteinskrnung mit hohem Frostwiderstand

1 IntroductionCarriageway pavement concrete is treated with de-icing salt in winter and must therefore have a high resistance to freeze-thaw with de-icing salt. The basic preconditions for this are a sufficient-ly impermeable hardened cement paste and the use of an aggregate with high freeze-thaw resistance as well as the addition of an air-entraining agent that generates an adequate content of small air voids in the concrete. Unusual air void formations have been ob-

served at individual road building sites in recent years, especially with high fresh concrete temperatures. A greatly increased air con-tent was observed in the hardened concrete when compared withthe fresh concrete. The Research Institute of the Cement Indus-try with financial support from the Association of German Con-struction Chemistry and the BMVBW (Federal Ministry for Traf-fic, Construction and Housing) has carried out extensive investiga-tions in order to determine the reasons for this subsequent forma-tion of air voids [1, 2].

2 Current state of knowledge2.1 The use of air-entraining agents The most important use of air-entraining agents is to increasethe resistance of hardened concrete to attack by freeze-thaw or byfreeze-thaw with de-icing salt. There are numerous research re-

sults available about the resistance of concrete to freeze-thaw withde-icing salt, the addition of air-entraining agents and the factorsaffecting the formation of air voids [3 to 12], and these have alsobeen incorporated in the regulations [13, 14]. Carriageway pave-ment concrete with high resistance to freeze-thaw with de-icingsalt complying with ZTV Beton-StB (Detailed Technical Specifi-


2/1688

hergestellt werden und darber hinaus einen Luftporenbildner ent-halten, der einen ausreichenden Gehalt an kleinen Mikro-Luft-poren im Beton erzeugt. Die Luftporen dienen als Ausweichraumzum Abbau des beim Gefrieren der Porenflssigkeit entstehendenDrucks. Der Gehalt an kleinen Poren wird mit der Bestimmungdes Mikro-Luftporengehaltes (alle Poren bis zu 300 m) und desAbstandsfaktors am Festbeton beurteilt [15].

Der Abstandsfaktor ist ein aus einem idealisierten Porensystemabgeleiteter Kennwert fr den Abstand eines Punkts des Zement-steins von der nchsten Luftpore. Der Gehalt an Mikro-Luftporenbis zu 300 m Durchmesser muss danach mindestens 1,8 Vol.-%betragen und der Abstandsfaktor darf 0,20 mm nicht berschreiten[13, 14]. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass fr denNachweis eines ausreichenden Gehalts an kleinen Poren bei Ver- wendung eines geeigneten Luftporenbildners die Bestimmung desGesamtluftgehalts am Frischbeton nherungsweise gengt. Die-ser muss beispielsweise bei einem Grtkorn der Gesteinskrnung von 16 mm mindestens 4,0 Vol.-% (Einzelwert) bzw. 4,5 Vol.-%(Mittelwert) betragen. Weiche Betone und Betone mit Verflssi-gern oder Fliemitteln weisen bei gleichem Gesamtluftgehalt wiesteife Betone einen geringeren Gehalt an kleinen Luftporen < 300 mauf [7]. Fr diese Betone sind daher i.A. um 1 % erhhte Luftge-halte einzuhalten [13, 14].

Geeignete luftporenbildende Zusatzmittel verbessern abernicht nur den Frost-Tausalz-Widerstand des Betons, sondern kn-nen auch andere Betoneigenschaften verndern. Da Luftporen dieZementleimmenge erhhen, kann die Verarbeitbarkeit des Frisch-betons verbessert oder der Wasser- und gegebenenfalls auch derMehlkorngehalt des Betons vermindert werden. Auerdem wirddie Neigung zum Entmischen und das Wasserabsondern des Be-tons verringert. Im Festbeton fhrt das erhhte Porenvolumen imZementstein zu einer Verringerung der Festigkeit [14, 16, 17]. In-folge des erhhten Zementsteingehalts kann das Schwinden beimAustrocknen etwas vergrert werden [18].

2.2 Wirkungsweise von Luftporenbildnern 2.2.1 RohstoffeLuftporenbildner gehren zu den grenzflchenaktiven Substan-zen, den so genannten Tensiden. Durch die Zugabe von Luft-porenbildnern werden die beim Mischen des Betons entstehendenLuftblasen stabilisiert, sodass sie im erhrteten Beton als kugeligeLuftporen verbleiben. LP-Bildner werden an den Grenzflchenzwischen Luft und Anmachwasser adsorbiert und setzen die Grenz-flchenspannung zwischen Wasser und Luft herab. Die gemein-same Charakteristik aller Tenside ist ihr hydrophob-hydrophilerMoleklaufbau. Der hydrophobe Moleklteil besteht aus einer un-polaren verzweigten oder unverzweigten Kohlenwasserstoffkette.Der hydrophile polare Teil kann aus einer oder mehreren Carboxyl-,Sulfat- oder Sulfonat-Gruppen bestehen [19].

Als Grundstoffe fr Luftporenbildner haben sich Seifen aus na-trlichen Harzen (natrliche LP-Bildner) oder synthetische nicht-

ionische oder ionische Tenside bewhrt [20]. Harzseifen werden im Wesentlichen aus Tallharzen, Balsamharzen (Kolophonium), Wur-zelharzen und Derivaten dieser natrlichen Harze gewonnen. DasHarz wird meist mit Kali- bzw. Natronlauge in die entsprechendenHarzseifen berfhrt. Die Wurzelharze bestehen aus einer unpo-laren Kohlenwasserstoff-Kette und der polaren Carboxylat-Grup-pe COONa. Als eigentlicher Wirkstoff der Wurzelharze wird dasNatriumsalz der Abietinsure genannt [19, 21]. Mit zunehmen-den Mangel an natrlichen Wurzelharzen und zur Verbesserungder Luftporenbildung wurden synthetische Luftporenbildner ein-gesetzt. Als Rohstoffe werden im Wesentlichen Alkylpolyglykol-ethersulfate und Alkylsulfate bzw. -sulfonate verwendet [19, 20, 21].Luftporenbildner bestehen selten aus reinen Grundstoffen, sondernsind meistens Gemische verschiedener Ausgangsstoffe [20].

2.2.2 LuftporenbildungDie im Frischbeton gelsten Luftporenbildnermolekle lagernsich an die Luftblasen an, die durch das Mischen eingetragen wer-den. Der polare hydrophile Teil ist dem Wasser (bzw. Zementleim)zugewandt, whrend der langkettige hydrophobe Teil in die Luft-blase hineinragt. Whrend des Mischvorgangs werden laufend neue

cations for Road Concrete) must have a sufficiently impermeablehardened cement paste (w/c 0.50) and be produced using an ag-gregate with high freeze-thaw resistance and in addition containan air-entraining agent that generates a sufficient content of smallmicro air voids in the concrete. The air voids act as an escape areato relieve the pressure produced when the pore liquid freezes. Thecontent of small pores is assessed by determining the micro air voidcontent (all pores up to 300 m) and the spacing factor in the hard-ened concrete [15].

The spacing factor is a parameter derived from an idealized poresystem for the distance of a point in the hardened cement pastefrom the nearest air void. According to this the content of micro air voids up to a diameter of 300 m must be at least 1.8 vol.% and thespacing factor must not exceed 0.20 mm [13, 14]. Extensive inves-tigations have shown that determination of the total air content inthe fresh concrete is adequate as an approximation for demonstrat-ing an adequate content of small pores when using a suitable air-entraining agent. For a maximum particle size of the aggregate of16 mm, for example, this must be at least 4.0 vol.% (single value)and 4.5 vol.% (average value). For the same total air content softconcretes and concretes with superplasticizers or plasticizers have alower content of small air pores < 300 m than stiff concretes [7].For these concretes it is therefore generally necessary to maintain a1% higher air content [13, 14].

However, suitable air-entraining additives not only improve theresistance of the concrete to freeze-thaw with de-icing salt but canalso change other concrete properties. Air voids increase the quan-tity of cement paste, so the workability of the fresh concrete can beimproved or the water content, and possibly also the powder con-tent of the concrete, can be reduced. The tendency to segregationand bleeding of the concrete is also reduced. In the hardened con-crete the increased pore volume in the hardened cement paste leadsto a reduction in strength [14, 16, 17]. The shrinkage on drying canbe somewhat increased as a result of the increased content of hard-ened cement paste [18].

2.2 Mode of action of air-entraining agents 2.2.1 Raw materialsAir-entraining agents belong to the group of surface-active sub-stances, the so-called tensides. The addition of air-entrainingagents stabilizes the air bubbles produced during the mixing of theconcrete with the result that they remain in the hardened concrete asspherical air voids. Air-entraining agents are adsorbed at the inter-faces between air and mixing water and reduce the surface tensionbetween water and air. The common characteristic of all tensidesis their hydrophobic-hydrophilic molecular structure. The hydro-phobic part of the molecule consists of a non-polar branched orunbranched hydrocarbon chain. The hydrophilic polar part canconsist of one or more carboxyl, sulfate or sulfonate groups [19].

Soaps made from natural resins (natural air-entraining agents)or synthetic non-ionic or ionic tensides have proved successful as

the basic materials for air-entraining agents [20]. Resin soaps areobtained mainly from tall resins, balsam resins (colophonium), wood resins and derivatives of these in natural resins. The resin isusually converted into the corresponding resin soap with potassiumor sodium hydroxide. The wood resins consist of a non-polar hydro-carbon chain and the polar COONa carboxylate group. The so-dium salt of abietic acid is said to be the actual active ingredient ofthe wood resins [19, 21]. Synthetic air-entraining agents have beenused due to the increasing shortage of natural wood resins and toimprove the formation of air voids. Alkylpolyglycol ether sulfatesand alkyl sulfates or sulfonates are generally used as the raw ma-terials [19, 20, 21]. Air-entraining agents rarely consist of purebasic materials and are usually mixtures of different primary ma-terials [20].

2.2.2 Air void formation The molecules of air-entraining agents dissolved in the fresh con-crete build up at the air bubbles that are introduced by the mixingprocess. The polar, hydrophilic, part faces towards the water (or ce-ment paste) while the long-chain, hydrophobic, part projects intothe air bubble. New air pores are stabilized continuously during


3/1689

Luftporen stabilisiert, bis der LP-Bildner verbraucht ist. Die Kon-zentration des im Frischbeton gelsten LP-Bildners kann durchAusfllung oder Sorption an Feststoffen (Zement und Gesteins-krnungen) verringert werden. Eine Luftporenbildung ist nur mg-lich, wenn ein ausreichender Rest des LP-Bildners in Lsung ver-bleibt, um die whrend des Mischens des Betons eingefhrte Luftzu stabilisieren [19]. Bei einigen Luftporenbildnern wird durch dieAusscheidung/Ausfllung von Calziumsalzen an den Grenzflchender Luftporen deren Stabilitt weiter verbessert [19, 22, 23].

2.3 Einflsse auf die LuftporenbildungDie durch den Luftporenbildner in den Beton eingefhrten Luft-poren sind in ihrer Menge und Porengrenverteilung von der che-mischen Zusammensetzung und Zugabemenge des verwendetenZusatzmittels abhngig. Darber hinaus wird die Wirksamkeit derLP-Bildner und damit die Luftporenbildung von zahlreichen an-deren Faktoren wie z.B. den Ausgangsstoffen, der Betonzusam-mensetzung, der Betonherstellung und der Konsistenz des Betonsbeeinflusst [14]. Ebenfalls knnen unterschiedliche Frischbeton-temperaturen [12] oder eine Kombination mit anderen Zusatzmit-teln [7] zu vernderten Luftporengehalten und Luftporengren- verteilungen fhren.

So nimmt die erforderliche Zusatzmittelmenge zur Erzielungeines bestimmten Luftporengehalts mit erhhtem Mehlkorn- bzw.Feinstsandgehalt (0/0,125 mm bzw. 0/0,250 mm) und abnehmen-dem w/z-Wert zu [10, 16]. Mehlfeine Zusatzstoffe knnen dieLuftporenbildung behindern. Kohlenstoff, z.B. in der Flugasche, vermindert den Luftporengehalt [23, 24]. Ein geringerer Ze-mentgehalt und Zemente mit geringer Mahlfeinheit [17, 25] oderhohem Alkaligehalt [26] erleichtern die Luftporenbildung. DieVerwendung von Hochofenzement oder Flugaschezement anstatt von Portlandzement erschwert die Luftporenbildung [17, 25].Einen deutlichen Einfluss hat auch das Mischen des Betons. Einehhere Mischintensitt oder eine lngere Mischzeit erhhen denLuftporengehalt. Bei einer zu langen Mischzeit kann der Luftpo-rengehalt durch das Austreiben einzelner grerer Luftporen wie-der abfallen. Auerdem vermindert sich der Luftporengehalt beigleichbleibender LP-Bildner-Zugabemenge mit steigender Frisch-betontemperatur [12, 25] und steiferer Konsistenz [10, 11, 16].

Die Zugabemenge des Luftporenbildners wird in der Eig-nungsprfung festgelegt und ggf. whrend der Bauausfhrung andie baupraktischen Verhltnisse angepasst. Die Anforderungen anden Luftgehalt des Frischbetons und die Luftporenkennwerte sindin den Straenbauvorschriften [13, 14] festgelegt. Die Luftporen-bildner selbst mssen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassungdes Deutschen Instituts fr Bautechnik (DIBt) aufweisen.

3 Ziel und Umfang der VersucheAn Luftporenbetonen mit unterschiedlichen Zusammensetzungensollte untersucht werden, inwieweit unter baupraktischen Bedin-gungen die Wirkstoffart des Luftporenbildners, die Frischbeton-

temperatur oder die Betonzusammensetzung, insbesondere ver-schiedene Sieblinien, zu einer nderung des Luftgehalts oder derLuftporengrenverteilung fhren knnen. Aus den Versuchser-gebnissen sollten Empfehlungen fr die Praxis abgeleitet werden,um bei der Herstellung von Luftporenbeton einen berhhtenLuftgehalt zu vermeiden.

Zunchst wurde an einer Betonzusammensetzung untersucht,inwieweit die Art und Zugabemenge der Luftporenbildner und dieMischintensitt einen Einfluss auf die Luftporenbildung des Be-tons haben. Da vermutet wurde, dass die Wirkstoffart des Luftpo-renbildners die Luftporenbildung beeinflusst, wurden sechs han-delsbliche Luftporenbildner-Konzentrate mit natrlicher bzw.mit synthetischer Wirkstoffbasis verwendet. Die Zugabemengeder sechs Luftporenbildner wurde in Vorversuchen so ausgewhlt,dass der Luftgehalt des Frischbetons nach einer Mischzeit von

2 Minuten bei der gewhlten Frischbetontemperatur rd. 5 Vol.-%betrug. Anschlieend wurde die mischzeitabhngige Luftporenbil-dung mit der im Vorversuch ermittelten und einer demgegenberdoppelten Zugabemenge bestimmt. Danach wurden zwei Luftpo-renbildner mit mglichst typischem Verhalten ausgewhlt und derEinfluss des Zements, der Frischbetontemperatur, des Feinstsand-

the mixing process until the air-entraining agent is consumed. Theconcentration of the air-entraining agents dissolved in the freshconcrete may be reduced by precipitation or sorption on solids (ce-ment and aggregate particles). Air void formation is possible onlyif a sufficient residue of the air-entraining agent remains in solu-tion to stabilize the air introduced during the mixing of the con-crete [19]. With some air-entraining agents the stability is furtherimproved by the precipitation/deposition of calcium salts at theinterfaces of the air voids [19, 22, 23].

2.3 Factors affecting air void formation The quantity and size distribution of the air voids introduced intothe concrete by the air-entraining agents are dependent on thechemical composition and quantity of the additive used. In addi-tion to this, the effectiveness of the air-entraining agent, and henceof the air void formation, is also influenced by numerous other fac-tors, such as the starting materials, the concrete composition, theconcrete production and the consistency of the concrete [14]. Dif-ferent fresh concrete temperatures [12] or a combination with oth-er admixtures [7] can also lead to altered air void contents and air void size distributions.

For example, the quantity of admixture needed to achieve a cer-tain air void content increases with increased powder or fine sandcontent (0/0.125 mm and 0/0.250 mm respectively) and with de-creasing w/c value [10, 16]. Ultrafine admixtures can hinder theformation of air voids. Carbon in the fly ash, for example, reducesthe air void content [23, 24]. A lower cement content and cements with low fineness [17, 25] or high alkali content [26] assist the for-mation of air voids. The use of blastfurnace cement or fly ash ce-ment instead of Portland cement makes air void formation moredifficult [17, 25]. The mixing of the concrete also has a significantinfluence. A higher mixing intensity or a longer mixing time raisesthe air void content. With an excessively long mixing time the air void content can drop again due to the expulsion of individual largeair voids. For the same level of addition of air-entraining agent theair void content also falls with rising fresh concrete temperature[12, 25] and stiffer consistency [10, 11, 16].

The quantity of air-entraining agent to be added is establishedin the suitability test and if necessary adjusted during the construc-tion work to suit the actual site conditions. The requirements forthe air content of the fresh concrete and the air void parameters arelaid down in the road construction regulations [13, 14]. The air-entraining agent itself must have general building inspectorate ap-proval from the DIBt (German Institute for Construction Tech-nology).

3 Aim and extent of the tests The intention was to examine air-entrained concretes with differ-ent compositions to find the extent to which the type of active in-gredient in the air-entraining agent, the fresh concrete temperatureand the concrete composition, especially different grading curves,

can lead to a change in the air content or in the air void size distri-bution under practical site conditions. Practical recommendations were to be derived from the test results in order to avoid excessiveair content when producing air-entrained concrete.

Initially, a concrete composition was examined to find the extentto which the type and quantity of air-entraining agent added andthe mixing intensity can affect the air void formation in the con-crete. It was assumed that the nature of the active ingredient in theair-entraining agent influences the air void formation so six nor-mal commercial air-entraining agent concentrates based on natu-ral or synthetic active ingredients were used. The quantities of thesix air-entraining agents added were chosen in preliminary trials sothat after a mixing time of 2 minutes the air content of the freshconcrete was about 5 vol.% at the chosen fresh concrete tempera-ture. The air void formation was then determined as a function of

the mixing time using the quantity determined in the preliminarytrial and with double this quantity. Two air-entraining agents withthe most typical behaviour patterns where then chosen and the in-fluence of the cement, the fresh concrete temperature, the fine sandcontent, the w/c value and the superplasticizer addition on the air void formation was examined. The 28-day compressive strength


4/1690

gehalts, des w/z-Werts und der Fliemittelzugabe auf die Luft-porenbildung untersucht. Am Festbeton wurden auerdem die28-Tage-Druckfestigkeit und an ausgewhlten Betonen die Luft-porenkennwerte ermittelt.

4 Versuchsdurchfhrung4.1 AusgangsstoffeAls Ausgangsstoffe wurden verwendet:a) Luftporenbildner Es wurden jeweils drei Luftporenbildner-Konzentrate mit syn-

thetischer (Tenside: S1, S2, S3) und mit natrlicher (Wurzel-harze: N1, N2, N3) Wirkstoffbasis eingesetzt (Tafel 1).

b) Zement Es wurden drei Zemente CEM I 32,5 R der Werke A, B und

C verwendet. Von dem in der Mehrzahl der Versuche einge-setzten Zement des Werks B mussten drei Lieferchargen B1,B2 und B3 beschafft werden. Auerdem wurden zwei CEM II-Zemente (CEM II/A-LL 32,5 R des Werks A und CEM II/B-S 32,5 R des Werks B) verwendet. Der Klinker des CEM II/B-S entsprach dem Klinker des Portlandzements des Werks Baus der dritten Liefercharge (B3) und der Klinker des CEM II/A-LL dem Klinker des Portlandzements des Werks A. AlleZemente entsprachen den Anforderungen der ZTV Beton-StB. Wichtige physikalische und chemische Kennwerte sind in Tafel 2 zusammengestellt.

c) Gesteinskrnung Es wurde Rheinkiessand der Korngruppen 0/2, 1/2, 2/8 und

8/16 aus dem Bereich Dsseldorf sowie Quarzmehl 0/0,2 ausdem Bereich Kln eingesetzt. Die Dichte der Gesteinskrnun-gen betrug 2,60 kg/dm3. Aus den Korngruppen 0/2, 1/2 unddem Quarzmehl wurden durch Variation der Quarzmehlzuga-be drei Laborsande 0/2 mit unterschiedlichen Feinstsandantei-len zusammengesetzt. Zustzlich wurde ein feinteilarmer Na-tursand aus einer Kiesgrube in Sachsen verwendet.

d) Wasser Das Wasser wurde aus dem Leitungsnetz der Stadt Dsseldorf

entnommen.e) Fliemittel Zur Vermeidung von Wechselwirkungen wurde bei den Haupt-

versuchen kein Fliemittel verwendet. In orientierenden Zu-satzversuchen wurde ein Fliemittel auf der Basis von Mela-minsulfonat eingesetzt.

4.2 BetonzusammensetzungDer Standardbeton wies einen Zementgehalt von 350 kg/m3 Port-landzement CEM I 32,5 R (Werk B), einen w/z-Wert von 0,45und eine Frischbetontemperatur von 20 C auf. Das Korngemisch

Tafel 1: Wirkstoffe (Herstellerangaben) und Feststoffgehalte derLuftporenbildnerTable 1: Active ingredients (manufacturers information) and solidcontents of the air-entraining agents

was also measured on the hardened concrete as well as the air voidparameters of selected concretes.

4 Experimental procedure4.1 Starting materials The starting materials used were:a) Air-entraining agent Three air-entraining agent concentrates based on synthetic ac-

tive ingredients (tensides: S1, S2, S3) and three based on natu-ral active ingredients (wood resins: N1, N2, N3) were used (Ta-ble 1).

b) Cement Three CEM I 32,5 R cements from works A, B and C were

used. Three delivery batches B1, B2 and B3 had to be obtainedfrom works B for the cement used in the majority of the trials. Two CEM II cements (CEM II/A-LL 32,5 R from works Aand CEM II/B-S 32,5 R from works B) were also used. Theclinker for the CEM II/B-S cement corresponded to the clink-er for the Portland cement from works B from the third de-livery batch (B3) and the clinker for the CEM II/A-LL ce-ment corresponded to the clinker for the Portland cement from works A. All cements met the requirements of ZTV Beton-StB. The important physical and chemical parameters are list-ed in Table 2.

c) Aggregate Rhine sand and gravel of the 0/2, 1/2, 2/8 and 8/16 size groups

from the Dsseldorf area and 0/0.2 quartz meal from the Co-logne area were used. The aggregates had a density of 2.60 kg/dm3. Three 0/2 laboratories sands with different proportions of

ne sand were made up from the 0/2 and 1/2 size groups andthe quartz meal. A low- nes natural sand from a gravel pit inSaxony was also used.

d) Water The water was taken from the mains supply for the town of

Dsseldorf.e) Superplasticizers

No superplasticizers were used in the main trials in order toavoid any interactions. A superplasticizer based on melaminesulfonate was used in some additional preliminary investigativetrials.

4.2 Concrete composition The standard concrete had a cement content of 350 kg/m3 ofCEM I 32,5 R Portland cement (works B), a w/c ratio of 0.45 anda fresh concrete temperature of 20 C. The aggregate consisted of0/16 Rhine sand and gravel and 0/0.2 quartz meal (grading curve3 with 92 kg/m3 fine sand content, Table 3). The aggregate con-tent was 1767 kg/m3 and the proportion of 0/2 sand was 34 vol.%. The quantity of air-entraining agent added was established in pre-liminary trials so that for a mixing time of 2 minutes and a freshconcrete temperature of 20 C the air content of the fresh con-

crete was (5 0.5) vol.% (for quantities added see Table 4, mixesM1 to M6). The two air-entraining agents N1 and S2 with the most typical

behaviour patterns were chosen from the three synthetic and threenatural air-entraining agents in order to investigate the influenceof different parameters on the air void formation. Using these air-entraining agents (for quantities of N1 air-entraining agent added,mixes 7a to 21a, and of S2, mixes 7b to 21b, see Table 4) the fol-lowing parameters were varied:

Cement CEM I 32,5 R from works A, B (B2 or B3), C (M11, M9,

M18, M12) and CEM II/B-S 32,5 R from works B (M15) andCEM II/A-LL 32,5 from works A (M16).

Fresh concrete temperature

10 C, 20 C, 30 C (M13, M9, M14)Grading curves The ne sand content was varied by using natural sand (grad-

ing curve 1, Table 3) and sands made up in the laboratory with-out and with small average and high proportions of quartzmeal (grading curves 2 to 4, Table 3). The levels of ne sand

[mass %]


5/1691

bestand aus Rheinkiessand 0/16 und Quarzmehl 0/0,2 (Sieblinie 3mit 92 kg/m3 Feinstsandgehalt, Tafel 3). Der Gehalt an Gesteins-krnungen betrug 1 767 kg/m3 und der Sandanteil 0/2 lag bei34 Vol.-%. Die Zugabemenge der Luftporenbildner wurde in Vor- versuchen so festgelegt, dass der Luftgehalt des Frischbetons beieiner Mischzeit von 2 Minuten und einer Frischbetontemperatur von 20 C bei (5 0,5) Vol.-% lag (Zugabemengen: Tafel 4, Mi-schungen M1 bis M6).

Um den Einfluss verschiedener Parameter auf die Luftporenbil-dung zu untersuchen, wurden aus den drei synthetischen und dendrei natrlichen LP-Bildnern die beiden Luftporenbildner N1 undS2 mit mglichst typischem Verhalten ausgewhlt. Unter Verwen-dung dieser Luftporenbildner (Zugabemengen LP-Bildner N1:Mischungen 7a bis 21a und S2: Mischungen 7b bis 21b, s. Tafel 4) wurden folgende Parameter variiert:Zement CEM I 32,5 R der Werke A, B (B2 bzw. B3), C (M11, M9,

M18, M12) sowie CEM II/B-S 32,5 R des Werks B (M15)und CEM II/A-LL 32,5 R des Werks A (M16).

Frischbetontemperatur 10 C, 20 C, 30 C (M13, M9, M14)Sieblinie Variation des Feinstsandgehalts durch Verwendung von Na-

tursand (Sieblinie 1, Tafel 3) bzw. von im Labor zusammenge-setzten Sanden mit keinem, mittlerem und erhhtem Quarz-mehlanteil (Sieblinien 2 bis 4, Tafel 3). Die Feinstsandgehalte(0/0,25 mm) der Betone lagen bei 30 kg/m3, 53 kg/m3, 92 kg/m3und 133 kg/m3 (M7, M8, M9, M10).

Wasserzementwert 0,40; 0,45 und 0,50 (M17, M18, M19)Fliemittelzugabe Der vergleichsweise steife Beton mit dem w/z-Wert von 0,40

(M17) sollte durch Fliemittelzugabe auf ein Verdichtungs-ma von rd. 1,15 eingestellt werden. Das Fliemittel wurdesofort mit dem LP-Bildner (M20) bzw. eine Minute nach derLP-Bildner-Zugabe (M21) zugegeben. Der Wassergehalt desFliemittels wurde vom Zugabewasser abgezogen.

4.3 Herstellung, Lagerung und Prfung der Betone4.3.1 Vorversucha) Herstellung In einem Vorversuch wurde die LP-Bildner-Zugabemenge je-

der Mischung so eingestellt, dass bei einer Mischzeit von 2 Mi-nuten und der gewhlten Frischbetontemperatur (10 C, 20 C

Tafel 2: Physikalische und chemische Eigenschaften der verwendeten Zemente der Werke A, B und CTable 2: Physical and chemical properties of the cements from works A, B and C

Tafel 3: Sieblinien der Korngemische fr die BetonherstellungenTable 3: Grading curves of the aggregates used for concrete pro-duction

(0/0.25 mm) in the concretes were 30 kg/m3, 53 kg/m3,92 kg/m3 and 133 kg/m3 (M7, M8, M9, M10).

Water/cement ratio 0.40, 0.45 and 0.50 (M17, M18, M19)Superplasticizer addition The comparatively stiff concrete with a w/c ratio of 0.40 (M17)

was adjusted to a compacting factor of about 1.15 by additionof superplasticizer. The superplasticizer was added either di-rectly with the air-entraining agent (M 20) or one minute afteraddition of the air-entraining agent (M 21). The water contentof the superplasticizer was subtracted from the mixing water.

4.3 Production, storage and testing of the concretes4.3.1 Preliminary test a) Production In a preliminary test the quantity of air-entraining agent added

to each of the mixes was adjusted so that for a mixing time of2 minutes and the chosen fresh concrete temperature (10 C,20 C or 30 C) the air content of the fresh concrete was

1) Angaben glhverlustfrei / Calculated free of loss on ignition 2) Werk B, Charge 1, 2 und 3 / Work B, batch 1, 2 and 3

Cement CEM I 32,5 R from work


6/1692

bzw. 30 C) der Luftgehalt des Frischbetons (5 0,5) Vol.-% be-trug. Zement und Gesteinskrnungen wurden in einem 200 l-Zwangsmischer 15 Sekunden trocken vorgemischt. Der LP-Bildner wurde unmittelbar vor dem Mischen des Betons demZugabewasser zugegeben. Die Mischzeit nach Zugabe allerBestandteile betrug 2 Minuten.

In orientierenden Versuchen wurde Fliemittel auf zwei unter-schiedliche Arten zugegeben. Das Fliemittel wurde bei der erstenZugabeart zeitgleich mit dem Zugabewasser, das bereits den LP-Bildner enthielt und bei der zweiten Zugabeart eine Minute nachZugabe des LP-Bildners zugegeben. Bei beiden Varianten betrugdie Gesamtmischzeit des Betons zwei Minuten. 10 Minuten nachder Herstellung wurden fr die Festbetonprfungen fr jede Mi-schung in Stahlformen folgende Probekrper hergestellt:

Drei Wrfel (150 mm Kantenlnge) zur Bestimmung derDruckfestigkeit nach 28 TagenEin Wrfel (150 mm Kantenlnge) zur Bestimmung der Luft-porenkennwerte am Festbeton

Alle Probekrper und der Luftporentopf bzw. der Verdichtungs-kasten wurden auf dem Rtteltisch verdichtet.b) Lagerung Die fr die Druckfestigkeitsprfung hergestellten Probekr-

per wurden entsprechend DIN 1048 gelagert. Die fr die Be-stimmung der Luftporenkennwerte vorgesehenen Probekrper wurden nach dem Entformen (1 Tag) bis zum Alter von 7 Ta-gen unter Wasser und danach im Klimaraum bei rd. 20 C undrd. 65 % relativer Luftfeuchte bis zu dem Zeitpunkt gelagert,an dem aus den Wrfeln die Scheiben fr die Bestimmung derLP-Kennwerte am Festbeton entnommen wurden.

c) Prfungen Beim Frischbeton wurde jeweils 10 Minuten nach der Herstel-

lung des Betons das Verdichtungsma sowie der Luftgehalt imDrucktopf entsprechend DIN 1048-1 bestimmt. Beim Festbe-ton wurde die Druckfestigkeit nach DIN 1048 an drei Wr-feln mit 150 mm Kantenlnge im Alter von 28 Tagen geprft.An ausgewhlten Betonen wurden die Luftporenkennwerte am

Festbeton in Anlehnung an [15] bestimmt.4.3.2 Luftporenbildung in Abhngigkeit von der Mischzeit a) Herstellung Der Luftporenbildner wurde in der im Vorversuch ermittel-

ten normalen (Tafel 4) bzw. mit erhhter (doppelter) Zuga-bemenge unmittelbar vor dem Mischen des Betons dem Zu-gabewasser zugegeben. Nach Zugabe aller Bestandteile wurdeder Beton 30 Sekunden gemischt, anschlieend der Mischerkurz angehalten, Beton fr die Prfung des Luftgehalts mitdem Drucktopf entnommen und unmittelbar der Luftgehaltbestimmt. Sofort nach der Entnahme des Betons aus demMischer wurde der Restbeton weiter gemischt und die Pr-fung des Luftgehalts nach unterschiedlichen Gesamtmischzei-ten wiederholt. Fr die Bestimmung der Luftporenkennwerte

am Festbeton bei einfacher und doppelter Zugabemenge wurdenach einer Mischzeit von 30 Sekunden, 2 Minuten und 6 Mi-nuten jeweils ein Wrfel mit einer Kantenlnge von 150 mmhergestellt (Lagerung siehe 4.3.1).

b) Prfungen Der Luftgehalt des Frischbetons wurde nach DIN 1048-1

nach Mischzeiten von 30 Sekunden, sowie 1, 2, 4, 6, 8, 10 undggf. 15 Minuten bestimmt. Beim Festbeton wurden die Luft-porenkennwerte an Wrfeln bestimmt. Dafr wurden aus-gewhlte Mischungen verwendet, die nach Mischzeiten von30 Sekunden, 2 Minuten bzw. 6 Minuten hergestellt worden waren (Prfung siehe 4.3.1).

5 Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse5.1 Konsistenz und Druckfestigkeit der Betone

Im Rahmen der Vorversuche zur Einstellung der LP-Bildner-Zu-gabemengen wurde die Konsistenz mit dem Verdichtungskastenund die 28-Tage-Druckfestigkeit bestimmt.a) Konsistenz Das Verdichtungsma lag 10 Minuten nach der Herstellung

zwischen 1,08 und 1,41 (Tafel 4). Durch den LP-Bildner be-

(5 0.5) vol.%. The cement and aggregates were pre-mixed dryfor 15 seconds in a 200 l mechanical mixer. The air-entrainingagent was added to the mixing water immediately before theconcrete was mixed. The mixing time after addition of all con-stituents was 2 minutes.

In preliminary investigative tests the superplasticizer was added intwo different ways. For the first type of addition the superplasticizer was added with the mixing water that already contained the air-entraining agent, and for the second type of addition it was add-ed one minute after addition of the air-entraining agent. For both variants the total mixing time of the concrete was two minutes.10 minutes after production the following test pieces were producedin steel moulds from each mix for the hardened concrete tests:

Three cubes (150 mm edge length) for determining the com-pressive strength after 28 daysOne cube (150 mm edge length) for determining the air voidparameters in the hardened concrete

All test pieces and the air void test vessel or the compaction box were compacted on the vibrating table.b) Storage The test pieces produced for the compressive strength test were

stored in accordance with DIN 1048. After demoulding (1 day)the test pieces intended for determination of the air void pa-rameters were stored under water until 7 days old and then ina climatic chamber at about 20 C and about 65 % relative airhumidity until slices were taken from the cubes to determinethe air void parameters in the hardened concrete.

c) Tests In each case the degree of compaction and the air content of

the fresh concrete were determined in the compression box inaccordance with DIN 1048-1 ten minutes after productionof the concrete. For the hardened concrete the compressivestrength as de ned in DIN 1048 was tested on three cubes with 150 mm edge length at 28 days. The air void parametersin the hardened concrete were determined on selected con-cretes using the procedure in [15].

4.3.2 Air void formation as a function of mixing timea) Production The air-entraining agents were added to the mixing water im-

mediately before mixing the concrete either in the normalquantity determined in the preliminary test (Table 4) or withincreased (double) quantity. After addition of all constituentsthe concrete was mixed for 30 seconds, the mixer was thenstopped brie y, concrete was removed for testing the air con-tent with the pressure vessel and the air content was deter-mined immediately. Directly after removal of the concretefrom the mixer the rest of the concrete was mixed further andthe testing of the air content was repeated after different totalmixing times. One cube with edge length of 150 mm was pro-duced after each of the mixing times of 30 seconds, 2 minutes

and 6 minutes (see 4.3.1 for storage conditions) for deter-mining the air void parameters in the hardened concrete withsingle and double addition quantities.

b) Testing The air content of the fresh concrete was determined in accord-

ance with DIN 1048-1 after mixing times of 30 seconds and1, 2, 4, 6, 8, 10 and, where, necessary 15 minutes. The air voidparameters in the cubes were determined for the hardenedconcrete. Selected mixes that had been produced after mixingtimes of 30 seconds, 2 minutes or 6 minutes (see 4.3.1 for test-ing) were chosen for this purpose.

5 Presentation and discussion of the test results5.1 Consistency and compressive strength of the concretes The consistencies were determined with compaction boxes and

the 28-day compressive strengths were measured during the pre-liminary tests for setting the quantity of air-entraining agent tobe added.a) Consistency 10 min after production the degree of compaction lay between

1.08 and 1.41 (Table 4). There were no detectable differences


7/1693

dingte Unterschiede waren nicht erkennbar. Erwartungsgemstieg das Verdichtungsma miterhhtem Durchgang des Sands durch das 0,25-mm-Sieb undsomit hherem Feinstsandgehalt des Betons (M7, M8, M9,M10)hherer Frischbetontemperatur (M13, M9, M14) undgeringerem Leimgehalt und gleichzeitig steiferem Leim (ge-

ringerer w/z-Wert bei gleichbleibendem Zementgehalt: M17,M18, M19).Im Vergleich zum entsprechenden Portlandzement-Beton verrin-gerte sich das Verdichtungsma beim Beton mit Portlandkalkstein-zement (M11 zu M16), whrend bei dem Beton mit httensand-haltigem Zement (M18 zu M15) kein nennenswerter Unterschiedzum Portlandzement auftrat. Durch relativ hohe Fliemittelzuga-ben (3 M.-% bis 4 M.-% v.z., Tafel 4) konnte das Verdichtungs-ma der Betone mit dem Wasserzementwert von 0,40 von rd. 1,40(M17) auf rd. 1,15 (M20, M21) reduziert werden. Am strksten wurde die Konsistenz von der Frischbetontemperatur und demLeimgehalt (w/z-Wert) beeinflusst.b) Druckfestigkeit Die 28-Tage-Druckfestigkeit der Betone (Tafel 4) lag bei

dem Wasserzementwert von 0,45 zwischen rd. 44 N/mm2 und

50 N/mm2

und erfllte damit die Anforderungen der ZTV Be-ton an einen Beton der Bauklasse SV. Die Druckfestigkeit wur-de durch die Wirkstoffart des LP-Bildners oder eine Fliemit-telzugabe (M20, M21) nicht nennenswert beein usst. Erwar-tungsgem stieg die Druckfestigkeit mit sinkendem Wasser-zementwert.

Tafel 4: Ergebnisse der Frisch- und Festbetonprfungen in Abhngigkeit von der Mischungszusammensetzung (Zementgehalt 350 kg/m 3)Table 4: Results of fresh and hardened concrete tests as a function of mix composition (cement content 350 kg/m 3 )

caused by the air-entraining agents. As expected, the degree ofcompaction increased with:increased quantity of sand passing through the 0.25 mm screenand hence higher ne sand content in the concrete (M7, M8,M9, M10),higher fresh concrete temperature (M13, M9, M14), andlower paste content and at the same time stiffer paste (lower

w/c ratio with constant cement content: M17, M18, M19). When compared to the corresponding Portland cement concretethe concretes made with Portland limestone cement (M11 to M16)had lower degrees of compaction, while no appreciable differenceappeared from the Portland cement with the concretes made withcement containing blastfurnace slag (M18 to M15). The degreeof compaction of about 1.40 (M17) of the concretes with a water/cement ratio of 0.40 was reduced to about 1.15 (M20, M21) byrelatively large additions of superplasticizers (3 wt.% to 4 wt.%relative to the cement, Table 4). The consistency was most strongly affected by the fresh concrete temperature and the paste content(w/c ratio).b) Compressive strength The 28-day compressive strengths of the concretes (Table 4)

with a water/cement ratio of 0.45 lay between about 44 N/mm2

and 50 N/mm2

and therefore ful lled the requirements of ZTVBeton for concretes of the SV construction class. The compres-sive strength was not appreciably affected by the type of activeingredient in the air-entraining agent or by addition of super-plasticizers (M20, M21). As expected, the compressive strengthrose with falling water/cement ratio.

work


8/1694

5.2 Einfluss des Luftporenbildners auf die Luftporenbildung5.2.1 Erforderliche Luftporenbildner-ZugabemengeDie im Vorversuch ermittelte erforderliche Zugabemenge zur Er-zielung des Luftgehalts von 5 Vol.-% betrug in Abhngigkeit desLP-Bildners zwischen 0,036 % und 0,058 % des Zementgewichts(Tafel 4). Ein Einfluss des Feststoffgehalts (Tafel 1: 0,6 M.-% bis21,7 M.-%) bzw. der Wirkstoffart des LP-Bildners auf die Zuga-bemenge konnte nicht festgestellt werden.5.2.2 LuftporenkennwerteDie am Festbeton ermittelten Kennwerte sind in Abhngigkeit desLP-Bildners in Tafel 5 zusammengestellt und erfllen die Anfor-derungen des Vorschriftenwerks. Die Abstandsfaktoren liegen zwi-schen 0,14 mm und 0,18 mm (Anforderung hchstens 0,20 mm);die Mikro-Luftporengehalte zwischen 2,1 Vol.-% und 2,6 Vol.-%(Anforderung mindestens 1,8 Vol.-%). Bezieht man den Anteil derMikro-Luftporen auf den Gesamtluftgehalt, zeigt sich bei den LP-Bildnern mit synthetischer Wirkstoffbasis ein etwas hherer Anteilder Mikroluftporen am Gesamtluftgehalt (Tafel 5).

5.2.3 Mischzeitabhngige LuftporenbildungDie Abhngigkeit der Luftporenbildung von der Mischzeit des Be-tons ist in Bild 1 fr die Luftporenbildner mit natrlicher Wirk-stoffbasis und in Bild 2 fr die Luftporenbildner mit synthetischer Wirkstoffbasis dargestellt. Dabei wurde die im Vorversuch ermit-telte normale und eine demgegenber verdoppelte Zugabemenge verwendet.

Bei normaler Zugabemenge zeigten die Betone mit allen sechsLuftporenbildnern ein nahezu gleichartiges Verhalten. Der ange-strebte Luftgehalt von rd. 5 % wurde nach einer Mischzeit voneiner Minute erreicht. Mit zunehmender Mischzeit wurden z.T. vereinzelt Luftporen ausgetrieben, sodass der Luftgehalt gering-fgig abfiel.

Bei doppelter Zugabemenge zeigte sich ein unterschiedlichesVerhalten. Bei Betonen mit den Luftporenbildnern N1 und N2erhhten sich die Luftgehalte nur um rd. 2 % auf rd. 7 %. Nacheiner Mischzeit von max. rd. einer Minute nderte sich der Luft-gehalt nicht mehr. Bei den Betonen mit den LuftporenbildnernN3, S1 und S3 stieg der Luftgehalt auf das zwei- bis dreifacheund beim Beton mit dem Luftporenbildner S2 auf ber das vier-fache des Luftgehalts der normalen Zugabemenge an. Es warendeutlich lngere Mischzeiten erforderlich, bis der gesamte Luftpo-renbildner aufgeschlossen war und sich ein konstanter Luftgehalteinstellte. Das Verhalten der Luftporenbildner konnte aber nichtsystematisch einer bestimmten Wirkstoffart synthetisch oder na-trlich zugeordnet werden.

Tafel 5: Luftporenkennwerte am Festbeton in Abhngigkeit vomLP-BildnerTable 5: Air void parameters in the hardened concrete as a functionof the air-entraining agent

Bild 1: Entwicklung des Luftgehalts des Frischbetons in Abhngig-keit von der Mischzeit und der Zugabemenge der Luftporenbildnermit natrlichem WirkstoffFigure 1: Development of the air content of the fresh concrete asa function of the mixing time and quantity of air-entraining agentwith natural active ingredient

Bild 2: Entwicklung des Luftgehalts des Frischbetons in Abhngig-keit von der Mischzeit und der Zugabemenge der Luftporenbildnermit synthetischem WirkstoffFigure 2: Development of the air content of the fresh concrete asa function of the mixing time and quantity of air-entraining agentwith synthetic active ingredient

L P - G e h a l

t / E n

t r a

i n e

d - a

i r c o n

t e n

t

[ V o l . -

% ]

0

5

10

15

8 10 12 14

25

20

16 18 20

doppeltdouble

N1N2N3

N2N3

N1normalnormal

LP-Bildner/ AEA Menge/ quantity

Mischzeit des Beton/ Mixing time of concrete [min]0 2 24 6

0

5

10

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

25

20

15

doppeltdouble

normalnormal

LP-Bildner/ AEA Menge/ quantity

S1S2S3

S1S2S3 L

P - G e h a l

t / E n

t r a

i n e

d - a

i r c o n

t e n

t

[ V o

l . - % ]

Mischzeit des Beton/ Mixing time of concrete [min]

5.2 Influence of the air-entraining agent on air voidformation5.2.1 Quantity of air-entraining agent required Depending on the air-entraining agent the quantity, determined inthe preliminary trial, that was needed to achieve an air content of5 vol.% lay between 0.036 % and 0.058 % of the cement weight(Table 4). The solids content (Table 1: 0.6 wt.% to 21.7 wt.%) andthe type of active ingredient in the air-entraining agent had no de-tectable influence on the quantity to be added.

5.2.2 Air void parameters The parameters measured on the hardened concrete are listed in Table 5 as a function of the air-entraining agent and fulfil therequirements of the regulations. The spacing factors lie between0.14 mm and 0.18 mm (requirement: not more than 0.20 mm) andthe micro air void contents lie between 2.1 vol.% and 2.6 vol.% (re-quirement: at least 1.8 vol.%). When the proportion of micro air voids is related to the total air content the air-entraining agentsbased on synthetic active ingredients give a somewhat higher pro-portion of micro air voids in the total air content (Table 5).

5.2.3 Air void formation as a function of mixing time The dependence of the formation of air voids on the mixing timeof the concrete is shown in Figure 1 for the air-entraining agentsbased on natural active ingredients and in Figure 2 for the air-en-


9/1695

5.3 Einfluss der Mischungszusammensetzung und derFrischbetontemperatur auf die LuftporenbildungIm Folgenden wird der Einfluss von Zement, Sieblinie, w/z-Wert,Fliemittelzugabe und Frischbetontemperatur unter Bercksichti-gung der Wirkstoffbasis des LP-Bildners untersucht. Um den Ver-suchsaufwand zu begrenzen, wurden zwei Luftporenbildner mitmglichst typischem Verhalten ausgewhlt: Der LuftporenbildnerN1 mit einem geringen Anstieg des Luftgehalts bei doppelter Zu-gabemenge und der Luftporenbildner S2 mit einem starken An-stieg des Luftgehalts bei doppelter Zugabemenge.

5.3.1 Erforderliche Luftporenbildner-ZugabemengeDie erforderlichen LP-Bildner-Zugabemengen fr einen Luftge-halt von rd. 5 Vol.-% sind in Bild 3 in Abhngigkeit der untersuch-ten Parameter: Zement, Sand, Temperatur, w/z-Wert und Flie-mittelzugabe dargestellt. Um die bersichtlichkeit zu verbessern, werden die Standardbetone (M9 bzw. M18) immer mitaufgefhrtund erscheinen daher mehrmals. Obwohl die beiden LP-Bildnerunterschiedliche Wirkstoffarten aufweisen, wirken sich die o.g. Pa-rameter gleichartig auf die Vernderung der erforderlichen Zuga-bemengen aus. Die erforderliche Zugabemenge beider LP-Bildnermusste gesteigert werden bei:

erhhtem Durchgang des Sands 0/2 durch das 0,25 mm-Siebund somit hherem Feinstsandgehalt des Betons (M7, M8,M9, M10)hherer Frischbetontemperatur (M13, M9, M14)geringerem Leimgehalt und gleichzeitig steiferem Leim (ge-ringerer w/z-Wert bei gleichbleibendem Zementgehalt: M17,M18, M19).

Bei den Betonen mit unterschiedlichen Portlandzementen (M11,M9, M18, M12) wurden unterschiedliche Zugabemengen festge-stellt. Ob diese Unterschiede auf physikalische (z.B. Mahlfeinheit)oder chemische Kennwerte der Zemente zurckzufhren sind,kann wegen der geringen Anzahl der geprften Zemente nicht an-gegeben werden. Die Verwendung von CEM II-Zement (M15,M16) anstelle von CEM I-Zement (M18, M11) hatte keinen nen-nenswerten Einfluss auf die Zugabemenge.

Betone mit steiferer Konsistenz erforderten wesentlich hhereZugabemengen. Die Absenkung des w/z-Werts von 0,50 (M19)auf 0,40 (M17) bei gleichbleibendem Zementgehalt bewirkte eine

Bild 3: Zugabemenge der LP-Bildner N1 und S2 in Abhngigkeitder Mischungszusammensetzung und der Frischbetontemperatur(Gesamtluftporengehalt rd. 5 Vol.-%)Figure 3: Quantity of air-entraining agents N1 and S2 as a functionof the mix composition and the fresh concrete temperature (totalair-void content about 5 vol.%)

N1S2

Erforderliche Zugabemenge LP-Bildner [M.-% v.z]Required quantity of AEA [% by mass of cement]

0,00 0,05 0,10

M11

M9

M18

M12

M16

M15

M7

M8

M10

M9

M13

M9

M14

M17

M18

M19M17

M20

M21

A

B2

B3

A-LL

B-S

30

53

92

133

10 C

20 C

30 C

0,40

0,45

0,50

ohne

sofort

spter

CEM I

CEM II

C

FeinstsandgehaltFine sand content [kg/m 3]

Fliem. -Zugabe Addition of superplasticizer

temperature

w/z-Wertw/c ratio

ZementCement

Frischbetontemp.Fresh concrete

training agents based on synthetic active ingredients. The normaladdition quantity determined in the preliminary trial and doublethis quantity were used.

For the normal addition quantity the concretes showed virtual-ly the same behaviour with all six air-entraining agents. The requi-site air content of about 5 % was reached after a mixing time of1 minute. In some cases individual air voids were driven out withincreasing mixing time so that the air content dropped slightly.

A different behaviour pattern occurred with double the addi-tion quantity. With concretes made with air-entraining agents N1and N2 the air void contents increased by only about 2 % to about7 %. There was no further change in the air content after a mix-ing time of a maximum of about one minute. With the concretesmade with the air-entraining agents N3, S1 and S3 the air contentincreased to two- to three-times, and with concrete made with theair-entraining agent S2 to over four-times, the air content obtained with the normal addition quantity. It was clear that longer mixingtimes were necessary before all the air-entraining agent was bro-ken down and a constant air content was obtained. However, it wasnot possible to assign the behaviour patterns of the air-entrainingagents systematically to a certain type of active ingredient syn-

thetic or natural.5.3 Influence of mix composition and fresh concretetemperature on air void formation The influence of the cement, grading curve, w/c ratio, super-plasticizer addition and fresh concrete temperature is investigatedbelow while taking the basic active ingredient of the air-entrainingagent into account. Two air-entraining agents with the most typi-cal behaviour patterns were chosen in order to limit the amountof testing: air-entraining agent N1 with a small rise in air content when double the quantity is used and air-entraining agent S2 witha sharp rise in the air content with double the quantity.

5.3.1 Required quantity of air-entraining agent The quantities of air-entraining agents required to give an air con-

tent of about 5 vol.% are shown in Figure 3 as a function of the pa-rameters investigated, namely cement, sand, temperature, w/c ra-tio and superplasticizer addition. To improve the general claritythe standard concretes (M9 and M18) are always included in thelists and therefore appear several times. Although the two air-en-training agents have different types of active ingredient the above-mentioned parameters have the same effect on the change of thequantity required. The quantity of the two air-entraining agents re-quired had to be increased for:

increased quantity of 0/2 sand passing through the 0.25 mmscreen and therefore higher ne sand content of the concrete(M7, M8, M9, M10)higher fresh concrete temperature (M13, M9, M14)lower paste content and at the same time stiffer paste (lower w/c ratio for the same cement content: M17, M18, M19).

Different quantities were established for the concretes made withdifferent Portland cements (M11, M9, M18, M12). Whether thesedifferences are attributable to physical (e.g. fineness) or chemicalparameters of the cements cannot be stated because of the smallnumber of cements tested. The use of CEM II cement (M15,M16) instead of CEM I cement (M18, M11) had no appreciableinfluence on the quantity required.

Substantially higher quantities were required for concretes withstiffer consistencies. The reduction of the w/c ratio from 0.50(M19) to 0.40 (M17) for the same cement content resulted in a re-duction in the paste content and a stiffer consistency of the paste it-self and required at least twice the quantity of air-entraining agent. The fresh concrete temperature had the greatest influence. A rise inthe fresh concrete temperature from 10 C (M13) to 30 C (M14)required approximately three times the amount of air-entrainingagent. An additional chemical effect on the temperature (interac-tion of air-entraining agent with hydration products that are pro-duced to varying extents depending on the temperature) also has tobe taken into account where appropriate.

A higher fine sand content also leads to a stiffer consistency. Ahigh 0/0.25 mm fine sand content means that less interstitial space


10/1696

Verringerung des Leimgehalts und eine steifere Konsistenz desLeims selbst und erforderte mindestens eine Verdoppelung dererforderlichen LP-Bildner-Zugabemenge. Den strksten Einflusshatte die Frischbetontemperatur. Ein Anstieg der Frischbetontem-peratur von 10 C (M13) auf 30 C (M14) erforderte sogar unge-fhr eine Verdreifachung der erforderlichen LP-Bildner-Zugabe-menge. Bei der Temperatur muss gegebenenfalls ein zustzlicherchemischer Einfluss (Zusammenwirken von LP-Bildner und tem-peraturabhngig unterschiedlich stark entstehender Hydratations-produkte) bercksichtigt werden.

Ein hherer Feinstsandanteil fhrt ebenfalls zu einer steiferenKonsistenz. Bei einem hohen Feinstsandgehalt 0/0,25 mm sind zu-dem fr die Einfhrung der Mikroluftporen (< 300 m) wenigerZwischenrume im Korngerst vorhanden. In einem Beton mit ei-

nem hohen Anteil an Sand der Korngruppe 0,25/1 mm (z.B. M7)lagern sich die Mikroluftporen in die Zwischenrume des Kornge-rsts an. Da die Luftporenbildung erleichtert wird, kann die LP-Bildner-Zugabemenge gesenkt werden.

Wenn gleichzeitig mit dem Luftporenbildner ein Fliemittelzugegeben wurde, konnte die LP-Bildner-Zugabemenge im Ver-gleich zum Beton ohne Fliemittelzugabe verringert werden (M20im Vergleich zu M17). Die weichere Konsistenz des Betons er-leichterte die Luftporenbildung. Wenn erst der LP-Bildner undanschlieend das Fliemittel (M21 im Vergleich zu M17) zuge-geben wurde, nderte sich die erforderliche Zugabemenge des LP-

Bild 4: Abstandsfaktor in Abhngigkeit vom Zement, vom Feinst-sandgehalt und von der Frischbetontemperatur bei Verwendung derLuftporenbildner N1 und S2 (Gesamtluftporengehalt rd. 5 Vol.-%)Figure 4: Spacing factor as a function of the cement, fine sand con-tent and of the fresh concrete temperature when using air-entrain-ing agents N1 and S2 (total air-void content about 5 vol.%)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

N1

S2

A B2 C 30 53 92 133 10 20 30

Abstandsfaktor/Spa

cing factor [mm]

Mischung/ Mixture

Zement CEM Iaus Werk

Cement from work

Feinstsandgehalt 0/0,25 mmfine sand content

[kg/m 3]

Frischbetontemp.fresh concrete

temperature [ C]

Bild 5: Mikro-Luftporengehalt in Abhngigkeit vom Zement, vom Fein-stsandgehalt und von der Frischbetontemperatur bei Verwendung derLuftporenbildner N1 und S2 (Gesamtluftporengehalt rd. 5 Vol.-%)Figure 5: Micro air-void content as a function of the cement, fine

sand content and of the fresh concrete temperature when using air-entraining agents N1 and S2 (total air-void content about 5 vol.%)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

N1

S2

M i k r o - L u

f t p o r e n g e h a l

t [ V o

l . - % ]

M i c r o - a

i r v o

i d c o n

t e n

t

A B2 C 30 53 92 133 10 20 30

Mischung/ Mixture

Zement CEM Iaus Werk

Cement from work

Feinstsandgehalt 0/0,25 mmfine sand content

[kg/m 3]

Frischbetontemp.fresh concrete

temperature [ C]

Bild 6: Abstandsfaktor in Abhngigkeit von der Zugabemenge derLuftporenbildner (Gesamtluftporengehalt rd. 5 Vol.-%)Figure 6: Spacing factor as a function of the quantity of air-entrain-ing agents (total air-void content about 5 vol.%)

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

A b s t a n

d s f a k

t o r /

S p a c

i n g

f a c

t o r

[ m m

]

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.140.12

Erforderliche Zugabemenge LP-Bildner [M.-% v.z]

N1 S2

Luftporenbildner Air-entraining agent

Required quantity of air-entraining agent [% by mass of cement]

is available in the granular skeleton for the introduction of microair voids (< 300 m). In a concrete with a high proportion of sandin the 0.25/1 mm size group (e.g. M7) the micro air voids accu-mulate in the interstitial spaces of the granular skeleton. The for-mation of air voids is made easier so the quantity of air-entrainingagent added can be reduced.

When a superplasticizer was added at the same time as the air-entraining agent it was possible to reduce the quantity of air-en-training agent added when compared to concrete without super-plasticizer (M20 in comparison with M17). The softer consistency of the concrete assisted the formation of air voids. When the air-entraining agent was added first followed subsequently by thesuperplasticizer (M21 in comparison with M17) there was hardlyany change in the quantity of air-entraining agent required as the

air void system had to form in the stiff initial concrete.5.3.2 Air void parameters The air void parameters, namely spacing factor (Figure 4) and mi-cro air void content (Figure 5), were determined on the concretesmade with different Portland cements, fine sand contents and freshconcrete temperatures. All the concretes tested complied with thespacing factor 0.20 mm required in the suitability test. Only onemix with a fresh concrete temperature of 10 C (M 13a) that hada micro air void content of 1.7 vol.% was slightly below the re-quired value of 1.8 vol.%. As a whole, the differences are not verylarge and therefore not of practical relevance. For the mixes made with air-entraining agent N1 with a small increase in the air con-tent with double the quantity the spacing factors and the micro air void contents were both somewhat smaller than for the compa-

rable mixes made with air-entraining agent S2 with a sharp in-crease in air content for double the quantity. Evaluation of the poresize distributions showed that, as a rule, the proportion of smallpores < 50 m was somewhat lower and the proportion of pores< 300 m was somewhat higher in concretes made with air-en-training agent S2 than in those made with air-entraining agent N1. With air-entraining agent N1 somewhat more small pores < 50 with correspondingly smaller spacing factors (Figure 4) and fewerpores up to 300 m are produced than with air-entraining agentS2, which would explain the higher micro air void content with air-entraining agent S2 (Figure 5).

The air void parameters were not affected by the cement. Thespacing factor was somewhat reduced with increasing fine sandcontent while no consistent trend could be recognized for the mi-cro air void content. The fresh concrete temperature had the rela-tively greatest influence. This same tendency occurred with bothair-entraining agents.

For stiff concretes, such as the concrete with a high fresh con-crete temperature of 30 C, the quantity of air-entraining agenthad to be greatly increased to achieve the required air content of5 % (Figure 3). At the same time, the smallest spacing factors of


11/1697

Bildners kaum, da das Luftporensystem im steifen Ausgangsbetongebildet werden musste.

5.3.2 LuftporenkennwerteAn den Betonen mit unterschiedlichen Portlandzementen, Feinst-sandgehalten und Frischbetontemperaturen wurden die Luftpo-renkennwerte: Abstandsfaktor (Bild 4) und Mikro-Luftporenge-halt (Bild 5) bestimmt. Der in der Eignungsprfung geforderteAbstandsfaktor 0,20 mm wurde von allen geprften Betonen ein-gehalten. Beim Mikro-Luftporengehalt wurde der geforderte Wert von 1,8 Vol.-% nur bei einer Mischung mit einer Frischbeton-temperatur von 10 C (M13a) mit 1,7 Vol.-% geringfgig unter-schritten. Insgesamt sind die Unterschiede nicht sehr gro und da-her nicht praxisrelevant. Bei den Mischungen mit dem LP-BildnerN1 mit geringer Erhhung des Luftgehalts bei doppelter Zugabe-menge waren sowohl die Abstandsfaktoren und die Mikro-Luft-porengehalte etwas kleiner als bei den vergleichbaren Mischungenmit dem LP-Bildner S2 mit starker Erhhung des Luftgehalts beidoppelter Zugabemenge. Die Auswertung der Porengrenvertei-lungen zeigte, dass i.d.R. bei den Betonen mit dem LP-Bildner S2der Anteil an kleinen Poren < 50 m etwas geringer und der An-teil an Poren < 300 m etwas hher als beim LP-Bildner N1 war.Beim LP-Bildner N1 entstehen im Vergleich zum LP-Bildner S2etwas mehr kleine Poren < 50 m mit entsprechend geringeren Ab-standsfaktoren (Bild 4) und weniger Poren bis 300 m, was diehheren Mikro-Luftporengehalte beim LP-Bildner S2 (Bild 5)erklren wrde.

Die Luftporenkennwerte wurden durch den Zement nicht be-einflusst. Mit zunehmendem Feinstsandgehalt verringerte sich derAbstandsfaktor etwas, whrend beim Mikro-Luftporengehalt kei-ne einheitliche Tendenz zu erkennen war. Den vergleichsweisegrten Einfluss hatte die Frischbetontemperatur. Diese Tenden-zen traten bei beiden LP-Bildnern gleichartig auf.

Bei steifen Betonen wie z.B. bei dem Beton mit einer hohenFrischbetontemperatur von 30 C musste die LP-Bildnermengestark erhht werden, um den geforderten Luftgehalt von 5 % zuerreichen (Bild 3). Gleichzeitig wurde bei der Frischbetontempe-ratur von 30 C der kleinste Abstandsfaktor (Bild 4) von 0,11 mm(N1) bzw. 0,13 mm (S2) und beim LP-Bildner S2 mit 2,8 % dergrte und beim LP-Bildner N1 mit 2,5 % der zweitgrte Mikro-Luftporengehalt (Bild 5) ermittelt. Eine Ursache hierfr ist, dassbereits beim Mischen die eingefhrte Luft bei dem infolge der h-heren Frischbetontemperatur von 30 C steiferem Beton strker inkleinere Poren aufgeteilt wird als dies bei dem infolge der geringenFrischbetontemperatur von 10 C weicherem Beton der Fall ist. Bei

Bild 7: Entwicklung des Luftgehalts des Frischbetons in Abhngig-

keit von der Mischzeit und der Frischbetontemperatur bei Verwen-dung des Luftporenbildners N1 (Luftporenbildner der Gruppe 1 mitgeringem Anstieg bei doppelter Zugabemenge)Figure 7: Development of the air content of the fresh concrete as afunction of the mixing time and of the fresh concrete temperaturewhen using air-entraining agent N1 (air-entraining agent fromgroup 1 with low increase for double the added quantity)

25

20

15

10

5

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

TemperaturTemperature

10 C normalnormal 30 C20

C

Mengequantity

doppeltdouble

10 C20 C30 C

Luftporenbildner N1 Air-entraining agent

Mischzeit des Betons/ Mixing time of concrete [min]

L P - G e h a l

t / E n t r a

i n e

d - a

i r c o n

t e n

t [ V o

l . - % ]

Bild 8: Entwicklung des Luftgehalts des Frischbetons in Abhngig-

keit von der Mischzeit und der Frischbetontemperatur bei Verwen-dung des Luftporenbildners S2 (Luftporenbildner der Gruppe 2 mitstarkem Anstieg bei doppelter Zugabemenge)Figure 8: Development of the air content of the fresh concrete asa function of the mixing time and of the fresh concrete tempera-ture when using air-entraining agent S2 (air-entraining agent fromgroup 2 with sharp increase for double the added quantity)

25

20

15

10

5

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Luftporenbildner S2 Air-entraining agent

10 C normalnormal

30 C20 C

doppeltdouble

10 C20 C30 C

Mischzeit des Betons/ Mixing time of concrete [min]

L P - G e h a l

t / E n t r a

i n e

d - a

i r c o n

t e n

t [ V o

l . - % ]

TemperaturTemperature

Mengequantity

0.11 mm (N1) and 0.13 mm (S2) (Figure 4) were determined atthe fresh concrete temperature of 30 C, as were the largest mi-cro air void content of 2.8 % with air-entraining agent S2 and thesecond-largest micro air void content of 2.5 % with air-entrain-ing agent N1 (Figure 5). One reason for this is that even duringthe mixing the air that has been introduced is divided more strong-ly into smaller pores in the concrete that is stiffer because of thehigher fresh concrete temperature of 30 C than is the case with thesofter concrete resulting from the low fresh concrete temperature of10 C. For the same air content more small pores therefore remainin the hardened concrete and the spacing factor is reduced and themicro air void content rises.

Figure 6 shows that a higher required quantity tends to lead toa reduction in the spacing factor. A small spacing factor requiresthe concrete to contain as many small air voids as possible for agiven total air content. For the same air content an air void system with many small pores has a greater specific area than an air voidsystem with a few large voids. The molecules of the air-entrainingagent accumulate at the interfaces between the air bubbles and theliquid. More molecules of air-entraining agent are therefore need-ed for stabilizing larger surface areas. Marginal conditions, such asan increase in the fresh concrete temperature, which lead to an in-creased quantity of air-entraining agent to achieve an air contentof 5%, tend to reduce the spacing factor. These test results confirmthe observations reported in [27].

5.3.3 Air void formation as a function of mixing time5.3.3.1 Air content of the fresh concrete The dependence of air void formation on the concrete mixing time was determined for all the named parameters with the normal ad-dition quantity determined in the preliminary test and double thisquantity. Air-entraining agent N1 was used as an example of an air-entraining agent with a slight increase in air content with doublethe quantity, and air-entraining agent S2 was used as an exampleof an air-entraining agent with a sharp increase in the air content with double the quantity. Because of the great influence of the freshconcrete temperature this parameter is shown by way of example inFigures 7 and 8 while brief summaries are given for the other pa-rameters. The detailed results can be found in the final report [1].a) Normal addition quantity With the normal addition quantity no differences were appar-

ent in the air void formation. The target air content of about5 vol.% was reached after a mixing time of about one minuteregardless of the mix composition or the air-entraining agent(N1 or S2). After that the air content did not increase signi -


12/1698

gleichem Luftgehalt verbleiben daher mehr kleine Poren im erhr-teten Beton und der Abstandfaktor verringert sich und der Mikro-Luftporengehalt steigt.

Bild 6 zeigt, dass eine hhere erforderliche Zugabemengetendenziell zu einer Verringerung des Abstandsfaktors fhrt. Ein

geringer Abstandsfaktor setzt voraus, dass der Beton bei einem vor-gegebenen Gesamtluftgehalt mglichst viele kleine Luftporen ent-hlt. Bei gleichem Luftgehalt weist ein Luftporensystem mit vielenkleinen Poren eine grere spezifische Oberflche auf als ein Luft-porensystem mit wenigen groen Poren. Die Luftporenbildnermo-lekle lagern sich in den Grenzflchen Luftblase/Flssigkeit an.Fr die Stabilisierung grerer Oberflchen werden somit auchmehr Luftporenbildnermolekle bentigt. Randbedingungen, wiez.B. eine Erhhung der Frischbetontemperatur, die zu einer erhh-ten LP-Bildner-Zugabemenge zur Erzielung eines Luftgehalts von5 % fhren, haben in der Tendenz eine Verringerung des Abstands-faktors zur Folge. Diese Versuchsergebnisse besttigen die in [27]berichteten Beobachtungen.

5.3.3 Mischzeitabhngige Luftporenbildung

5.3.3.1 Luftgehalt des FrischbetonsDie Abhngigkeit der Luftporenbildung von der Mischzeit des Be-tons wurde fr alle genannten Parameter mit der im Vorversuch er-mittelten normalen und doppelten Zugabemenge bei Verwendungder Luftporenbildner N1 (Beispiel fr einen Luftporenbildner mitgeringem Anstieg des Luftgehalts bei doppelter Zugabemenge)und S2 (Beispiel fr einen Luftporenbildner mit starkem Anstiegdes Luftgehalts bei doppelter Zugabemenge) ermittelt. Wegen desgroen Einflusses der Frischbetontemperatur ist dieser Parameterin den Bildern 7 und 8 beispielhaft dargestellt. Die anderen Para-meter werden summarisch zusammengefasst. Die detaillierten Er-gebnisse knnen dem Schlussbericht [1] entnommen werden. a) normale Zugabemenge Bei normaler Zugabemenge zeigten sich keine Unterschie-

de in der Luftporenbildung. Der angestrebte Luftgehalt vonrd. 5 Vol.-% wurde unabhngig von der Mischungszusammen-setzung und vom LP-Bildner (N1 bzw. S2) nach einerMischzeit von rd. einer Minute erreicht. Danach erhh-te sich der Luftgehalt nicht mehr wesentlich und blieb kon-stant. Dieses Verhalten trat unabhngig von der Frischbe-tontemperatur (10 C, 20 C bzw. 30 C, Bilder 7 und 8),dem verwendeten Zement, dem Feinstsandgehalt und dem w/z-Wert bzw. einer zustzlichen Fliemittelzugabe auf.Durch weiteres Mischen wurden z.T. vereinzelt Luftporenausgetrieben, sodass der Luftgehalt geringfgig ab el.

b) doppelte Zugabemenge Bei doppelter Zugabemenge zeigten sich Unterschiede in Ab-

hngigkeit des LP-Bildners. Beim LP-Bildner N1 (geringerAnstieg bei doppelter Zugabemenge) erhhten sich die Luft-gehalte i.d.R. bei Verdopplung der Zugabemenge bei allen Ver-suchsvarianten nur unterproportional um rd. 2 % bis 3 %. AmBeispiel der Frischbetontemperatur wird dies deutlich. BeiSteigerung der Frischbetontemperatur von 10 C auf 30 C er-hhte sich der Luftgehalt nur unwesentlich von rd. 5 % auf rd.8 %. Nach Mischzeiten von rd. zwei Minuten stellte sich unab-

Tafel 6: Luftporenkennwerte am Festbeton in Abhngigkeit von der Mischzeit und der Zugabemenge des LP-Bildners N1 (Mischung M9a)Table 6: Air-void parameters in the hardened concrete as a function of the mixing time and the quantity of air-entraining agent N1 (mixture 9a)

cantly and remained constant. This behaviour occurred regard-less of the fresh concrete temperature (10 C, 20 C and 30 C,Figures 7 and 8), the cement used, the ne sand content andthe w/c ratio or addition of extra superplasticizer. In some casesindividual air voids were expelled by further mixing so that theair content dropped slightly.

b) Double addition quantity With double the addition quantity differences became appar-

ent which depended on the air-entraining agent. With air-entraining agent N1 (small increase with double the quantity)there was as a rule a disproportionately small increase by onlyabout 2 % to 3 % with all test variants when the quantity add-ed was doubled. This becomes clear from the example of thefresh concrete temperature. When the fresh concrete tempera-ture was increased from 10 C to 30 C the air content in-creased only slightly from about 5 % to about 8 %. Aftermixing times of around two minutes a constant air content wasestablished regardless of the fresh concrete temperature. Theair void formation is affected to only a comparatively smallextent by the fresh concrete temperature (or by the otherparameters, namely cement, ne sand content, etc.), the quan-tity added or the mixing time. The air-entraining agent is alsoalways virtually completely broken down after a comparativelyshort mixing time. The air content therefore cannot be sub-stantially increased by subsequent mixing of the concrete.

With air-entraining agent S2 (sharp increase with double thequantity) doubling the quantity added resulted as a rule in at leasta doubling of the air content. An exception to this was the con-crete with a fresh concrete temperature of 10 C. In this case onlya slight increase in the air content was recorded when the quan-tity was doubled, and the air void formation was completed after amixing time of only about one minute. The air void development ofthe concretes with fresh concrete temperatures of 20 C and 30 C was characterized by a rise in the air content to about 18 % whenthe quantity was doubled, meaning that the air content was in-creased three-fold. The air void formation was not fully completedeven after two minutes mixing time and the air content increasedcontinuously. With high temperatures and increased quantities it istherefore necessary to mix for a longer time for the air-entrainingagent to be fully broken down. If, in this case, there is only a shortmixing time the requisite quantity of air-entraining agent must beincreased to achieve the required air content of, for example, 5 %. The percentage of inadequately activated air-entraining agent inthe fresh concrete therefore increases sharply. Subsequent mixing ofthe concrete then leads to a substantial rise in air content.

5.3.3.2 Air void parameters of the hardened concrete The air void parameters of the hardened concrete were determinedby way of example on mix M9a with air-entraining agent N1 as afunction of the mixing time (30 seconds or 2 minutes and 6 min-utes) and the quantity added (normal and double) (Table 6). Theair content La of the hardened concrete with single and double ad-dition quantities after a mixing time of at least two minutes reachedan equilibrium state (5.3 % to 5.4 % with single and 6.9 % to7.1 % with double quantity of air-entraining agent) and after thatdid not change substantially with further mixing. This confirmed


13/1699

hngig von der Frischbetontemperatur ein konstanter Luftge-halt ein. Die Luftporenbildung wird nur in vergleichsweise ge-ringem Ausma von der Frischbetontemperatur (bzw. den an-deren Parametern Zement, Feinstsandgehalt usw.), der Zuga-bemenge oder der Mischzeit beein usst. Der Luftporenbildnerist auch nach vergleichsweise kurzer Mischzeit immer fast voll-stndig aufgeschlossen. Ein nachtrgliches Mischen des Betonskann daher den Luftgehalt nicht wesentlich erhhen.

Bei dem LP-Bildner S2 (starker Anstieg bei doppelter Zugabe-menge) ergab sich bei Verdoppelung der Zugabemenge i.d.R. min-destens eine Verdoppelung des Luftgehalts. Ausgenommen hiervon war der Beton mit einer Frischbetontemperatur von 10 C. In die-sem Fall war bei Verdopplung der Zugabemenge nur ein geringerAnstieg des Luftgehalts zu verzeichnen, und die Luftporenbildung war bereits nach einer Mischzeit von rd. einer Minute abgeschlos-sen. Kennzeichnend fr die Luftporenentwicklung der Betone mitFrischbetontemperaturen von 20 C und 30 C war ein starker An-stieg des Luftgehalts bei doppelter Zugabemenge auf rd. 18 %,sodass eine Verdreifachung zu verzeichnen war. Auch nach zweiMinuten Mischzeit war die Luftporenbildung noch nicht vollstn-dig abgeschlossen, und der Luftgehalt erhhte sich stetig. Bei hohen Temperaturen und erhhten Zugabemengen muss daher lngergemischt werden, um den Luftporenbildner vollstndig aufzu-schlieen. Wird in diesem Fall nur kurz gemischt, muss die er-forderliche Luftporenbildner-Zugabemenge gesteigert werden, umden gewnschten Luftgehalt von z.B. 5 % zu erreichen. Der Anteilan ungengend aktiviertem Luftporenbildner im Frischbeton steigtdamit stark an. Ein nachtrgliches Mischen des Betons fhrt dannzu einem wesentlichen Anstieg des Luftgehalts.

5.3.3.2 Luftporenkennwerte des FestbetonsDie Luftporenkennwerte des Festbetons wurden beispielhaft ander Mischung M9a mit dem LP-Bildner N1 in Abhngigkeit derMischzeit (30 s bzw. 2 min und 6 min) und der Zugabemenge(normal und doppelt) ermittelt (Tafel 6). Der Luftgehalt La desFestbetons erreichte bei einfacher und doppelter Zugabemen-ge nach mindestens zwei Minuten Mischzeit einen Beharrungs-zustand (5,3 % bis 5,4 % bei einfacher und 6,9 % bis 7,1 % beidoppelter LP-Bildner-Zugabemenge) und vernderte sich danachdurch weiteres Mischen nicht mehr wesentlich. Dies besttigendie Versuchsergebnisse zur mischzeitabhngigen Entwicklung desFrischbetonluftgehalts (Bild 1). Bei normaler Zugabemenge undkurzer Mischzeit von 30 Sekunden wurden die Anforderungen anAbstandsfaktor ( 0,20 mm) mit 0,21 mm und Mikro-Luftporen-gehalt ( 1,8 Vol.-%) mit 1,4 Vol.-% nicht eingehalten. Sptestensnach zwei Minuten Mischzeit hat sich bei normaler Zugabemengedas geforderte feine Luftporensystem entwickelt. Bei berhhterZugabemenge wurden die geforderten Luftporenkennwerte bereitsnach einer Mischzeit von 30 Sekunden erreicht.

Im Gegensatz zum Gesamtluftgehalt (konstant nach rd. einerMinute Mischzeit, Bild 1) ndert sich mit zunehmender Misch-

zeit das Luftporengefge. Nach zwei bzw. sechs Minuten Misch-zeit erhht sich bei gleichbleibendem Luftgehalt La der Mikro-Luftporengehalt L300 sowie der Anteil der Mikro-Luftporen amGesamtluftgehalt, und der Abstandsfaktor verringert sich. Mit zu-nehmender Mischzeit ist daher bei gleichbleibendem Gesamtluft-gehalt eine Verfeinerung des Luftporensystems zu verzeichnen.

6 Ursache fr eine erhhte Luftporenbildung in derPraxisDie Luftporenbildung wird neben anderen Randbedingungenmageblich durch die Luftporenbildner selbst beeinflusst. DasVerhalten der LP-Bildner konnte nicht systematisch einer Wirk-stoffart (synthetisch oder natrlich) zugeordnet werden. Dabeimuss beachtet werden, dass bei den Versuchen keine reinen Wirk-stoffe, sondern handelsbliche LP-Bildner, die oft ein Gemisch

verschiedener Ausgangsstoffe sind, verwendet wurden. Um trotz-dem die unterschiedliche Luftporenbildung in Abhngigkeit derLuftporenbildner zu charakterisieren, ist in Bild 9 der Luftgehalt inAbhngigkeit von der Zugabemenge schematisch dargestellt. DasVerhalten der Luftporenbildner kann zwei Gruppen zugeordnet werden, zwischen denen flieende bergnge mglich sind:

Bild 9: Schematische Darstellung der Abhngigkeit des Luftgehaltsdes Frischbetons von der Zugabemenge des Luftporenbildners undder Mischzeit/Mischwirkung der MischanlageFigure 9: Diagram showing the dependence of the air void contentof fresh concrete on the quantity of air-entraining agent and onthe mixing time/mixing effect of the mixing plant

20

20

5

10

15

Gruppe 2: hohesAktivierungspotenzial

Group 2: high activation potential

normal / normal berhht / excessive

Zugabemenge des LP-Bildners / Quantity of AEA

lange Mischzeit bzw. gute Mischwirkunglong mixing time resp. good mixing action

kurze Mischzeit bzw. schlechte Mischwirkung short mixing time resp. bad mixing action

0

15

10

5

0

L P - G e h a l

t / E n

t r a

i n e

d - a

i r c o n

t e n

t [ V o

l . - % ]

Gruppe 1: geringesAktivierungspotenzial

Group 1: low activation potential

the test results of the time-dependent development of the freshconcrete air content (Figure 1). With a normal quantity and a shortmixing time of 30 seconds the spacing factor of 0.21 mm did notmeet the requirement for ( 0.20 mm) and the micro air void con-tent of 1.4 vol.% did not meet the requirement for ( 1.8 vol.%). The required fine air void system had developed after two minutesmixing time at most with the normal addition quantity. With theexcessive quantity the required air void parameter was achieved af-ter a mixing time of only 30 seconds.

In contrast to the total air content (constant after a mixing timeof about one minute, Figure 1) the air void microstructure changes with increasing mixing time. After mixing times of two and six

minutes the micro air void content L300 and the percentage of mi-cro air voids in the total air content increased with constant air con-tent La, while the spacing factor fell. A refinement of the air voidsystem therefore takes place with increasing mixing time and con-stant total air content.

6 Cause of increased air void formation underpractical conditionsAir void formation is affected not only by other marginal condi-tions but also to a great extent by the air-entraining agent itself. The behaviour pattern of the air-entraining agents could not be as-signed systematically to a particular type of active ingredient (syn-thetic or natural). It must be borne in mind that the air-entrainingagents used in the tests were not pure active ingredients but normalcommercial air-entraining agents which are often a mixture of vari-

ous primary materials. In order, in spite of this, to show how the air void formation differs depending on the air-entraining agent theair content is shown diagrammatically in Figure 9 as a function ofthe quantity of air-entraining agent added. The behaviour patternsof the air-entraining agents can be assigned to two groups between which smooth transitions are possible:


14/16100

Bei Luftporenbildnern der Gruppe 1 (Bild 9 oben) hat eine un-terschiedliche Zugabemenge und/oder Mischzeit/Mischwirkungnur geringe nderungen des LP-Gehalts zur Folge. Diese LP-Bildner sind auch bei hoher Zugabemenge und/oder kurzerMischzeit/schlechter Mischwirkung fast vollstndig aktiviert. Ln-gere Mischzeiten und berhhte Zugabemengen bewirken dahernur eine geringe Steigerung des Luftgehalts. Die Luftporenbildung wird auch nur in vergleichsweise geringem Ausma von anderenRandbedingungen wie z.B. der Betonzusammensetzung oder derFrischbetontemperatur beeinflusst. Betone, die mit einem Luftpo-renbildner der Gruppe 1 hergestellt wurden, haben somit nur ein vergleichsweise geringes nachtrgliches Aktivierungspotenzial.

Bei der zweiten Gruppe von Luftporenbildnern (Bild 9 un-ten) ist bei Anhebung der Zugabemenge und kurzer Mischzeit/schlechter Mischwirkung ebenfalls nur ein geringer Anstieg desLuftgehalts zu erkennen. Bei kurzer Mischzeit und einer berhh-ten Zugabe enthlt der Frischbeton aber eine wesentlich gre-re Menge an nicht aufgeschlossenem Luftporenbildner, der nicht vollstndig aktiviert wurde. Werden LP-Bildner der Gruppe 2 in-folge kurzer Mischzeit/schlechter Mischwirkung stark berdosiert,um den gewnschten Luftgehalt zu erzielen, enthlt der Frischbe-ton einen hohen Anteil an ungengend aktiviertem LP-Bildner.Bei einem nachtrglichen Mischen des Betons besteht die Gefahreines berproportionalen Anstiegs des Luftgehalts (hohes Aktivie-rungspotenzial). Dieses Verhalten zeigte sich auch bei den im Ver-suchsprogramm untersuchten Randbedingungen, insbesondere beieiner hohen Frischbetontemperatur.

Die Ursache fr die unterschiedliche Luftporenbildung liegt vermutlich darin begrndet, dass sich in Abhngigkeit der che-mischen Zusammensetzung des LP-Bildners der Anteil des imFrischbeton gelsten LP-Bildners ndert. Nur der gelste An-teil steht fr die Stabilisierung der Luftporen zur Verfgung. Die Wirkungsmechanismen/Abhngigkeiten zwischen Luftporenbil-dung und Art des Luftporenbildners sollen in einem gesondertenUntersuchungsprogramm erforscht werden.

Die auf einigen Baustellen beobachtete Erhhung des Luftge-

halts ist wahrscheinlich darauf zurckzufhren, dass bei der Her-stellung des Betons infolge kurzer Mischzeiten und/oder einer zugeringen Mischwirkung der Mischanlage der Luftporenbildnerberdosiert wurde, um den geforderten Luftgehalt von rd. 5 Vol.-% zu erreichen. Nach dem Mischen weist der Frischbeton dannzwar den geforderten Luftgehalt auf, enthlt aber einen Anteil anungengend aufgeschlossenem Luftporenbildner. Der Beton wirdi.d.R. mit Kipperfahrzeugen zur Einbaustelle transportiert und so-mit whrend des Transports nicht gemischt. Nach dem Abkippen vor dem Fertiger hat sich daher der Luftgehalt des Betons im Ver-lauf des baustellenblichen Zeitraums von rd. 30 Minuten zwischenMischen und Abkippen kaum verndert und betrgt immer nochrd. 4 Vol.-% bis 5 Vol.-%. Whrend des Einbaus kommt es dann zueinem Energieeintrag in den Beton im Bereich der Verteilerschne-cke des Fertigers, im Bereich der Mrtelwalze oder whrend der

Verdichtung. Dadurch kann der Luftporenbildner zustzlich aufge-schlossen und der Luftgehalt erhht werden. hnliche Effekte sindbei Transportbeton bekannt, bei dem sich der Luftporengehalt zwi-schen Mischwerk und Baustelle insbesondere bei drehender Trom-mel erhhen kann. In Extremfllen (hohes Aktivierungspotenzial, s.Bild 9 unten) kann durch einen berhhten Luftgehalt die Druck-festigkeit des Betons erheblich vermindert werden.

7 Zusammenfassung und Empfehlungen fr die Praxis7.1 ZusammenfassungBei einzelnen Straenbaustellen ist eine ungewhnliche Luftpo-renbildung beobachtet worden. Im Vergleich zum Frischbeton wurde im Festbeton ein stark erhhter Luftgehalt festgestellt. Umdie Ursachen fr diese nachtrgliche Luftporenbildung zu ermit-teln, wurde an Straenbetonen der Einfluss folgender Parameter

auf die Luftporenbildung untersucht: Wirkstoffart und Zugabe-menge des Luftporenbildners, Zement, Sieblinie und Frischbeton-temperatur, w/z-Wert sowie Fliemittelzugabe. In einem Vorver-such wurde zunchst die Luftporenbildner-Zugabemenge so aus-gewhlt, dass bei einer Mischzeit von zwei Minuten und der gewhlten Frischbetontemperatur ein Luftgehalt von rd. 5 Vol.-% er-

With the air-entraining agents of Group 1 (Figure 9, top) dif-fering quantities and/or mixing times/mixing actions caused onlyslight changes in the air void content. These air-entrai

Documents

087-102 Einfl Sse Luftporen