Klausur vom 23.09.2008 – Musterlösung · Klausur vom 23.09.2008 – Musterlösung 1.2 Nennen Sie drei Transportmechanismen für das Eindringen von Flüssigkeiten oder Gasen in

Klausur vom 23.09.2008 – Musterlösung

1 Werkstoffeigenschaften und Werkstoffprüfung

1.1a Erläutern Sie die Werkstoffeigenschaften Dichte, Rohdichte und Schüttdichte.

1.1b Erläutern Sie zwei unterschiedliche Verfahren, wie die Rohdichte eines Werkstoffs ermittelt werden kann und geben Sie jeweils ein Werkstoffbeispiel an.

Massebestimmung in allen Fällen durch Wiegen Volumenbestimmung durch Ausmessen (Ziegelstein, regelmäßig geformte Probekörper) Volumenbestimmung durch Wasserverdrängungsverfahren (Kornrohdichte von Gesteinskörnungen, Standzylinderverfahren, Pyknometerverfahren) Volumenbestimmung durch Unterwasserwägung (Gesteinsstücke/Naturstein, unregelmäßige Betonprobestücke)

1.1c Wie verändern sich die folgenden Werkstoffkennwerte, wenn die Rohdichte steigt? Begründen Sie Ihre Antwort.

- Festigkeit - Eigengewicht - Schalldämmung - Wärmeleitfähigkeit -

- Festigkeit ⇑, dichtere Struktur, geringere Porosität - Eigengewicht ⇑, mehr Masse für gleiches Volumen - Schalldämmung ⇑, je höher die Masse, desto besser die Schalldämmung - Wärmeleitfähigkeit ⇑, mit nimmt abnehmender Porosität zu

1.1d Geben Sie für folgende Werkstoffe Anhaltswerte für die Rohdichte an: - Stahl - Beton - Holz - Zement

- Stahl 7.500 kg/m3 - Beton 2.200 kg/m3 - Holz kleiner 1.000 kg/m3 - Zement 3.000 kg/m3


1.2 Nennen Sie drei Transportmechanismen für das Eindringen von Flüssigkeiten

oder Gasen in Werkstoffe und erklären Sie diese stichwortartig. Benennen Sie die treibende Kraft, die für den jeweiligen Transport verantwortlich ist.

Laminare Strömung (Permeation)

1.3 Verformungen von Werkstoffen können lastunabhängige oder lastabhängige Ursachen haben. Geben Sie zwei Beispiele für Ursachen und Auswirkungen lastunabhängiger Verformungen an.

Quellen und Schwinden Temperaturdehnung


1.4 Erläutern Sie den Unterschied zwischen einem Kraft-Verlängerungsdiagramm

und einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm.

1.5 Erläutern Sie den Unterschied zwischen Kriechen und Relaxation.


1.6 Benennen Sie vier wesentliche Anforderungen, die an Baustoffe und Produkte

gestellt werden (essential requirements).


2 Anorganische Bindemittel / Zement

2.1 Erläutern Sie die Begriffe (chemische Reaktion)

- nicht hydraulische Bindemittel - hydraulische Bindemittel - latent-hydraulische Bindemittel - Puzzolane

und benennen Sie jeweils ein typisches Beispiel.

Nicht hydraulische Bindemittel: erhärten nur an der Luft, im erhärteten Zustand nicht wasserbeständig; Luftkalk, Gips

2.2 Zeichnen und erläutern Sie den Gipskreislauf.

2.3 Auf dem Lieferschein des Transportbeton finden Sie folgende Angaben zum Zement: CEM III/B 42,5 R NA/HS. Erläutern Sie was sich hinter den einzelnen Bezeichnungen verbirgt.

CEM III = Zementart Hochofenzement B = Klinkeranteil 42,5 = Festigkeitsklasse R = Anfangsfestigkeit NA = niedriger wirksamer Alkaligehalt HS = hoher Sulfatwiderstand


2.4 Bei der Herstellung von Zement wird Gips bzw. Anhydrit zugegeben. Erklären

Sie, wieso diese Zugabe notwendig ist und mit welchen Folgen man rechnen muss, wenn die Zugabemenge zu niedrig bzw. zu hoch ist.

Grund: Erstarrungsregelung, C3A und Ettringitbildung Falsches Erstarren Schnelles Erstarren


3 Gesteinskörnungen

3.1 Gesteinskörnungen können z. B. nach der Dichte kategorisiert werden.

Benennen unter Angabe des Dichtebereichs die entsprechenden Gesteinskörnungen. Geben Sie je Dichtebereich ein Beispiel an.

3.2 Bei der Siebung einer groben Gesteinskörnung 8/16 wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Prüfen Sie, ob die grobe Gesteinskörnung die Anforderungen der Kornzusammensetzung Gc 85/20 erfüllt. Stellen Sie hierzu in einem Diagramm den nach Norm gültigen Bereich für diese Kornzusammensetzung dar und tragen Sie das Ergebnis der Siebanalyse ein. (benutzten Sie hierzu die Anlage Gesteinskörnung)



4 Betonzusatzstoffe und -mittel

4.1 Mehr als 90 % aller Betone werden unter Einsatz von Betonzusatzmitteln

hergestellt. Nennen Sie vier wesentliche Gründe warum Betonzusatzmittel eingesetzt werden. (nicht gemeint sind spezielle Eigenschaften der jeweiligen Betonzusatzmittel, beispielsweise LP, um Luftporenanteil zu erhöhen)

4.2 Sie müssen eine Betonzusammensetzung für ein frei bewittertes Parkdeck, bei dem im Winter Tausalz gestreut wird, entwickeln.

4.2a In welche Expositionsklasse muss das Bauteil auf jeden Fall bezüglich der Betonkorrosion eingruppiert werden. Benennen und beschreiben Sie die Expositionsklasse.

Expositionsklasse XF4, hohe Wassersättigung, mit Taumittel

4.2b Welches Betonzusatzmittel werden Sie als zuständiger Technologe für diese Expositionsklasse einsetzen?

Luftporenbildner

4.2c Wie überprüfen Sie die Wirkungsweise des verwendeten Betonzusatzmittels vor der Annahme des Betons auf der Baustelle? Beschreiben Sie stichpunktartig das Prüfverfahren.

Luftporenbestimmung am Frischbeton nach DIN EN 12350 Prüfung mit Hilfe des Druckausgleichsverfahrens: Zwischen einem mit Beton und einem mit Druckluft gefüllten Behälter wird Druckausgleich hergestellt; der durch die Luftporen im Beton bedingte Druckabfall wird am Manometer als prozentualer Luftgehalt angezeigt

4.2d Nach der Fertigstellung des Parkdecks verlangt der Bauherr, dass die Wirkungsweise des eingesetzten Betonzusatzmittels auch an Bauwerksproben nachgewiesen werden soll. Beschreiben Sie das Verfahren, mit dem dieser Nachweis erbracht werden kann.

Ermittlung der Luftporenkennwerte am Festbeton nach DIN EN 480-11


EN 480-11:2005 (D) 4 Kurzbeschreibung Zur Herstellung von Probekörpern für die Bestimmung der Luftporenkennwerte werden Proben des erhärteten Betons mit Luftporenbildnern senkrecht zur Herstellungsoberseite geteilt. Diese Probekörper werden dann geschliffen, um eine glatte und ebene, für mikroskopische Untersuchungen geeignete Oberfläche zu erhalten. Die Untersuchung des Luftporengefüges erfolgt durch Ablesen einer Reihe von Messlinien, die parallel zur Herstellungsoberfläche verlaufen. Die Anzahl der von den Messlinien geschnittenen Luftporen wird ebenso notiert wie die einzelnen Sehnenlängen der durch die Poren laufenden Messlinien. Eine mathematische Analyse der Daten ermöglicht eine Beschreibung des Luftporengefüges in Form von Parametern. Andere Verfahren der Luftporenanalyse, wie z. B. das Punktzählverfahren, dürfen angewandt werden, vorausgesetzt, sie können nachweislich im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse für die geforderten Luftporenkennwerte hervorbringen wie das hier beschriebene Verfahren. Im Streitfalle muss das in dieser Norm beschriebene Verfahren angewandt werden.

4.3 EN 206-1 und DIN EN 1045-2 unterscheiden zwei grundsätzliche Arten von Betonzusatztypen. Beschreiben Sie den wesentlichen Unterschied der beiden Betonzusatztypen und geben Sie jeweils zwei Vertreter des jeweiligen Betonzusatztyps an.

4.4 Steinkohlenflugasche ist der am meisten eingesetzte Betonzusatzstoff. Wie wirkt sich der Einsatz von Steinkohlenflugasche auf folgende Eigenschaften aus? (positiv, negativ, kein Einfluss – Wertung nur mit Begründung!)

- Wärmeentwicklung - Nachbehandlung - Sufatwiderstand - Wasseranspruch -

- Wärmeentwicklung – positiv bei hohen Temperaturen, da die Hydratationswärme verringert wird – negativ bei niedrigen Temperaturen, da dort meist eine schnelle Festigkeitsentwicklung gefordert ist

- Nachbehandlung – negativ, da die Festigkeitsentwicklung langsamer abläuft

- Sufatwiderstand – positiv, da Flugasche eine Verbesserung des Sulfatwiderstands bewirkt und z. T. wie HS-Zement verwendet werden kann

- Wasseranspruch – positiv, da der Wasseranspruch reduziert und damit eine dichtere Porenstruktur ausgebildet wird.


5 Beton – Studiengänge Bauingenieurwesen, BWL tQ, LA Holztechnik

5.1 Expositionsklassen Als Betontechnologe sind Sie für die Konzeption der Betonzusammensetzung

für ein Bauvorhaben verantwortlich, bei dem ein Deichweg für Feuerwehrfahrzeuge an der Nordsee erstellt werden soll.

5.1a Benennen Sie die Expositionsklassen, die für den Deichweg maßgebend sind und begründen Sie Ihre Wahl.

5.1b Stellen Sie die normgemäßen Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung zusammen. (siehe Anlage: Beton 1 und Beton 2)

5.2 Betonentwurf Für ein Außenbauteil (Frost bei mäßiger Wassersättigung ohne Taumittel –

Expositionsklassen XF1, XC4) sollen Sie unter Beachtung folgender Vorgaben eine Betonzusammensetzung entwerfen: Festigkeitsklasse: C30/37 Zielfestigkeit: 45 MPa Zement: CEM I 32,5 R Zusatzstoff: Flugasche Anrechenbarkeitswert kf: 0,4 Gesteinskörnung: Sand/Kies Größtkorn: 16 mm Körnungsziffer: K = 3,8 (Mehlkorngehalt 67 kg/m3) Konsistenz: F3 Wasserbedarf: 188 l/m3 (ohne Berücksichtigung der Wassereinsparung durch Flugasche) Äquiv. Wasserzementwert: (w/z)eq = w/(z + 0,4·f) ≤ 0,48


5.2a Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen erfolgt der Einsatz von

Flugasche als Betonzusatzstoff. Bei der Anwendung von Flugasche müssen zwei Anforderungen im Rahmen der Anrechnungsregeln erfüllt werden, nämlich die Anforderung an die Mindestflugaschezugabe und die maximal anrechenbare Flugaschemenge. Welche Anforderungen müssen jeweils konkret erfüllt werden? Wieso ist die maximal anrechenbare Menge begrenzt?

Begrenzung erfolgt aus Korrosionsschutzgründen.

5.2b Berechnen Sie den Zementgehalt unter Ausnutzung der maximal anrechenbaren Flugaschemenge. Prüfen Sie, ob die Mindestanforderungen (min z, (w/z)eq und Mehlkorngehalt) eingehalten werden. (siehe Anlage: Beton 1, Beton 2, Beton 3) Sofern Sie den Aufgabenteil 5.2a nicht lösen konnten setzen Sie für den maximal anrechenbaren Anteil der Flugasche 40 % an.


5.2c Für den Fall, dass die Mindestanforderungen nicht eingehalten wurden, führen Sie eine geeignete Korrektur der Mischungsberechnung durch, ohne von den grundsätzlichen Vorgaben abzuweichen.

5.3 Frischbetontemperatur 5.3a Berechnen Sie, ob die Anforderung an die Frischbetontemperatur von < 25 °C

eingehalten wird, wenn die Ausgangsstoffe folgende Temperaturen aufweisen: Zement: 300 kg/m3 50 °C cz = 0,85 Gesteinskörnung: 1900 kg/m3 30 °C cg = 0,82 Füller 38 kg/m3 20 °C cf = 0,82 Wasser: 140 kg/m3 10 °C cw = 4,19


Frischbetontemperatur = 27,1 °C

5.3b Für den Fall, dass die Anforderung von < 25 °C nicht erfüllt ist, welche einfache Maßnahme würden Sie treffen, um die Anforderungen zielsicher zu erfüllen. Weisen Sie nach, dass die Anforderung erfüllt wird.

- Gesteinskörnung kühlen (um ~ 5 °C für FB-Temp. = 24 °C

5.3c Welche grundsätzlichen Maßnahmen sind für das Betonieren im Sommer anzuwenden, um hohen Temperaturen betontechnologisch zu begegnen? Nennen Sie mindestens vier Maßnahmen.

5.4 Verantwortlichkeiten Die europäische Norm unterscheidet zwischen Beton nach Eigenschaften und

Beton nach Zusammensetzung. Hinsichtlich der Verantwortlichkeiten werden der Verfasser der Festlegung, der Hersteller und der Verwender unterschieden. Füllen Sie folgende Tabelle aus indem Sie folgende Positionen den jeweiligen Verantwortlichen zuordnen: A Festlegung der Eigenschaften B Festlegung der Zusammensetzung C Erstprüfung D Konformität der Zusammensetzung E Konformität der Eigenschaften F Annahmeprüfung G Überprüfung der Eigenschaften


5.5a DIN 1045-3 behandelt unter anderem die Nachbehandlung und den Schutz von Beton. Beschreiben Sie die jeweiligen Ziele, die die Nachbehandlung bzw. der Schutz des jungen Betons gewährleisten sollen.

5.5b Welche beiden grundsätzlichen Maßnahmen zur Nachbehandlung können

unterschieden werden? Nennen Sie jeweils zwei Beispiele.


5 Beton – Studiengang Architektur

5.1 Expositionsklassen Als Betontechnologe sind Sie für die Konzeption der Betonzusammensetzung

für ein Bauvorhaben verantwortlich, bei dem ein Deichweg für Feuerwehrfahrzeuge an der Nordsee erstellt werden soll.

5.1a Benennen Sie die Expositionsklassen, die für den Deichweg maßgebend sind und begründen Sie Ihre Wahl. (siehe Aufgabenteil für die Studiengänge Bauingenieurwesen, BWL tQ und LA Holztechnik)

5.1b Stellen Sie die normgemäßen Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung zusammen. (siehe Aufgabenteil für die Studiengänge Bauingenieurwesen, BWL tQ und LA Holztechnik)

5.2 Betonentwurf 5.2a Erläutern Sie die Bedeutung der Bezeichnung C30/37.

C: Concrete = Normal- und Schwerbeton

30 charakteristische Betondruckfestigkeit Zylinder 37 charakteristische Betondruckfestigkeit Würfel Geprüft nach 28 Tagen

5.2b Welche Zielfestigkeit würden Sie bei der Entwicklung einer geeigneten Betonrezeptur anstreben?

Ca. 45 MPa, bez. auf Geometrie der Probekörper und Lagerungsbedingungen. „Sicherheitswert“ muss zur charakteristischen Festigkeit dazu gegeben werden, um auf der Baustelle die geforderten Eigenschaften sicher zu erfüllen. (Konformitätskriterien für die Druckfestigkeit bei Erstherstellung >fck+4)

5.2c Für den unter 5.2a genannten Beton soll ein CEM II 32,5 R verwendet werden. Ist die Herstellung eines normgemäßen C30/37 mit diesem Zement überhaupt möglich bzw. zulässig? Bitte begründen Sie ausführlich.

32,5 ist Zementdruckfestigkeitsklasse aus dem Normversuch mit W/Z =0,5, zu erwartende Festigkeit nach Norm bei diesem Zement ist > 40 MPa. Betonfestigkeit ist u. a. abhängig von W/Z-Wert. Mit angepasstem W/Z-Wert kann also die erforderliche Festigkeit des Betons zielsicher erreicht werden. Verwendung dieses Zements also durchaus möglich und zulässig.


5.2d Das zu verwendende Sand/Kies-Gemisch hat eine Körnungsziffer von k = 3,8. Wie kann dieser Wert bestimmt werden und welche Bedeutung hat der k-Wert bei der Entwicklung der Betonrezeptur?

Summe der Siebrückstände (ab dem 0,25 Sieb) geteilt durch 100 Wasseranspruch der Gesteinkörnung, sog. Wasseranspruchszahl

5.2e Es sollen Betonzusatzstoffe verwendet werden, die es ermöglichen den Zementgehalt zu reduzieren. Welche Materialien kommen hierfür in Frage? Worauf beruht die Anrechenbarkeit?

Flugasche und Mikrosilica Anrechenbarkeit beruht auf puzzolanischer Reaktivität, die einen Beitrag zur Festigkeitsentwicklung leistet.

5.3 Frischbeton 5.3a Beschreiben Sie zwei Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von

Frischbeton

Ausbreitversuch, Verdichtungsmaß, (Vebe,Slump)

5.3b Welchen prozentualen Luftporenanteil kann i. d. R. bei einem Frischbeton angenommen werden? Welche Größenordnung weist der Luftporenanteil bei so genannten LP-Betonen auf?

1,5-2,5% bei LP-Betonen abhängig vom Größtkorn bis ca. 5,5

5.3c In welchem Temperaturbereich soll die Frischbetontemperatur beim Einbau liegen? Welche grundsätzlichen Maßnahmen sind für das Betonieren im Sommer anzuwenden, um hohen Temperaturen betontechnologisch zu begegnen? Nennen Sie mindestens 4 Maßnahmen.

5-30°C


5.4 Bauwerksbeton Im Zuge einer Modernisierungsmaßnahme muss an einem bestehenden

Bauwerk die Betondruckfestigkeit ermittelt werden. 5.4a Nennen Sie eine zerstörungsfreie Prüfmethode für die Ermittlung der

Betondruckfestigkeit und erläutern Sie stichwortartig deren Funktionsweise.

Rückprallhammer Ein Schlaggewicht im inneren des Hammers trifft mit einer bestimmten Energie auf die Betonoberfläche und prallt zurück. Der Prallweg wird mit zunehmender Betondruckfestigkeit größer. Aus der Rückprallstrecke in SKT kann auf die Betondruckfestigkeit geschlossen werden.

5.4b Welche andere Möglichkeit zur Bestimmung der Druckfestigkeit an einem bestehenden Bauwerk steht Ihnen ebenfalls zur Verfügung?

Entnahme eines Bohrkerns und zerstörende Prüfung

5.4c Welche Ergebnisse würden Sie Ihren weiteren Planungen zugrunde legen, falls die unter a und b genannten Prüfmethoden abweichende Ergebnisse ergeben? (Antwort mit Begründung)

Ergebnisse der Bohrkernprüfung sind maßgebend Rückprallprüfungen liefert i. a. stark streuende Ergebnisse; Prallwert wird durch Vielzahl von Parametern beeinflusst (Karbonatisierung der Oberfläche, elastische Eigenschaften des Betons/der Gesteinskörnungen, Inhomogenitäten des Betonas usw.)

5.5 Betonieren 5.5a DIN 1045-3 behandelt unter anderem die Nachbehandlung und den Schutz von

Beton. Beschreiben Sie die jeweiligen Ziele, die die Nachbehandlung bzw. der Schutz des jungen Betons gewährleisten sollen.


5.5b Welche beiden grundsätzlichen Maßnahmen zur Nachbehandlung können unterschieden werden? Nennen Sie jeweils zwei Beispiele.


6 Holz

6.1 Ein Vollholzbalken b/h = 80/160 mm weist eine mittlere Holzfeuchte von u = 80

% a und ein (Feucht-)Gewicht von mu = 49,5 kg auf. 6.1a Berechnen Sie die Masse des im Holz enthaltenen Wassers.

6.1b Berechnen Sie die Masse des Wassers, das durch Trocknen des Holzes auf u = 10 % freigesetzt wird.

6.2 Erläutern Sie den Begriff „Fasersättigungspunkt“.


6.3 Benennen Sie vier Vorteile von Brettschichtholz gegenüber Vollholz.

6.4 Die Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit wird nach DIN 4074 durchgeführt. Geben Sie 6 Sortierkriterien an, die nach Norm zu prüfen sind.


7 Kunststoffe und Bitumen

7.1 Nennen Sie jeweils drei Vor- und Nachteile von Kunststoffen.

7.2 Bei Kunststoffen werden drei unterschiedliche Bildungsmechanismen unterschieden. Beschreiben Sie den Bildungsmechanismus der Polymerisation.

7.3 Kunststoffe weisen i. d. R. ein ausgeprägtes Alterungsverhalten auf. Geben Sie vier typische Mechanismen bzw. Effekte an, die zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften führen.


7.4 Kunststoffe werden i. d. R. nicht für tragende Bauteile eingesetzt, da die

Kurzzeitfestigkeit durch hohe Abminderungsbeiwerte belegt wird. Benennen Sie die vier Abminderungsbeiwerte, die bei der Berechnung der zulässigen Spannung zu berücksichtigen sind.

7.5a Was beschreibt bzw. definiert der Brechpunkt nach Fraaß? Nennen Sie ein weiteres Prüfverfahren für Bitumen.

- Verhalten bei tiefen Temp., z.B. Versprödung bei winterlichen Temperaturen. - Prüfverfahren: EPRuK oder Nadelpenetration

7.5b Was versteht man unter der Plastizitätsspanne? Warum ist die Plastizitätsspanne ein wesentliches Beurteilungskriterium für ein Bitumen?

- Bereich zwischen BP nach Fraaß+EP RuK, etwa identisch mit der Dauergebrauchsspanne - liefert gute Vergleichsdaten für die Vorhersage der Wärmebeständigkeit

7.6 Welche Möglichkeiten bestehen prinzipiell, Bitumen ohne Erwärmung zu verarbeiten?

Ohne Erwärmung bedeutet prinzipiell Verdünnung mit Lösungsmittel. Zwei Möglichkeiten:

I. Herstellung einer echten Lösung mit verschiedenen Formen von organischen Lösungsmitteln. Macht im Prinzip die Destillation gezielt „rückgängig“. Durch Zugabe von Ölen nur noch leichtes Erwärmen oder kalte Verarbeitung möglich. Beispiele: Fluxbitumen, Verschnittbitumen, Kaltbitumen, Bitumenlack

II. Herstellung einer Emulsion durch Zugabe von Wasser und Emulgator. Feinverteilte Bitumenkügelchen werden in Wasser dispergiert. Dabei überzieht sich das Bitumen mit einer Oberflächenladung (kationische oder anionische Emulsion). Durch die „Gleichladung“ und damit verbundener Abstoßung der Bitumenteilchen werden diese in der Schwebe gehalten. Abbindevorgang erfolgt durch Kontakt mit Gestein und anschließender Verdunstung des Wassers.


8 Metallische Werkstoffe

8.1a Zeichnen Sie qualitativ das Spannungs-Dehnungsverhalten eines

unbehandelten Betonstahls nach DIN 488 im Zugversuch nach DIN EN 10002. Kennzeichnen und benennen Sie die auszuwertenden Kenngrößen des Stahlzugversuchs.

8.1b Zeichnen Sie in Ihr Diagramm ein was passiert, wenn Sie die Stahlprobe im Zugversuch bis in den plastischen Bereich belasten, anschließend auf 0 kN entlasten und wieder belasten.

8.2a Erläutern Sie, warum Bewehrungsstahl in Stahlbetonbauteilen

korrosionsgeschützt ist.

Bildung einer schützenden Passivoxidschicht Betondeckung


8.2b Erläutern Sie, wodurch der Korrosionsschutz der Stahlbetonbewehrung

aufgehoben werden kann?

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