Anhand der vorgestellten Versuchsergebnisse wird überprüft, ob ein Zusammenhang zwischen den Kenngrößen der Oberfläche, Wasserfilmdicke, dem Verdichtungsgrad und der Zugfestigkeit sowie den Bruchwegen erkennbar ist.
Abbildung 150zeigt, dass trotz der vergleichsweise behelfsmäßigen, jedoch immer gleich praktizierten, Art der Verdichtung mit Hilfe eines Stößels und Hammers, die Verdichtungsgrade alle über 90 % liegen. Höher als 98 % lassen sich nur wenige Leime verdichten. Ein Zusammenhang zwischen Verdichtungsgraden und der Oberfläche im Leim ist nicht erkennbar. Leime mit hohen Oberflächen liegen ebenso zwischen 91 und 98 % Verdichtungsgraden wie Leime in den unteren Oberflächenbereichen.
Abbildung 150: erreichte Verdichtungsgrade in Abhängigkeit der Oberfläche im Leim
Abbildung 151: maximalen Zugkräfte in Abhängigkeit der erreichten Verdichtungsgrade
Ein hoher Verdichtungsgrad ist daher keine Voraussetzung für hohe maximale Zugkräfte. Außerdem führen Leime mit einem höheren w/f Wert eher zu hohen Verdichtungsgraden als trockenere. Jedoch ist gerade bei den feuchteren Leimgemischen häufig ein duktiles Verhalten zu beobachten, das auf Gleiterscheinungen entlang der Wandungen hindeutet und zu geringeren Zugkräften führt.
Der in Abbildung 86 dargestellte Zusammenhang, der einen annähernd linearen Festigkeitsabfall um die Hälfte bei sehr geringen Unterschieden im Verdichtungsgrad von ca. 2% darstellt, basiert auf nur sechs Versuchen bei der fehleranfälligen Versuchsaufbauvariante 1 und einer Rezeptur, bei der lediglich der w/f Wert variiert wurde. Angesichts der in Abbildung 151 dargestellten Resultate, die auf deutlich mehr Versuchen hervorgegangen sind, und die keinen erkennbaren Zusammenhang belegen, kann die Darstellung in Abbildung 86 jedoch nicht mehr als allgemein gültiger Zusammenhang bestätigt werden.
Der Verdichtungsgrad bei erdfeuchtem Leim hat zudem eine andere Bedeutung als z.B.im Grundbau. Wierig stellte Analogien zu den Proctorkurven aus dem Grundbau auf. Erdfeuchte Betone und Leime stellen generell disperse Partikelsysteme dar, die ungesättigt sind. Es ist immer auch Luft in den Systemen enthalten, damit die Flüssigkeitsbrücken an den Oberflächen der Partikel Haftkräfte ausüben können. Ohne Luft wäre der Verdichtungsgrad bei 100 % bzw. zumindestens sehr hoch in Bereichen von 99 100 %. Gleichzeitig fallen die kapillaren Bindemechanismen dann jedoch aus, weil sich keine Menisken ausbilden können aufgrund fehlender Luft an den Grenzflächen. Auch die weiteren Bindemechanismen der Adsorptionsfilme und der van der Waals Kräfte können dann nicht mehr wirken, weil die hohen Wassergehalte zu größeren Partikelabständen führen. Daher handelt es sich bei erdfeuchten Zementleimen und Betonen generell um ungesättigte Systeme. Genau der Grenzbereich zum Übergang in ein solches System wird bei der Projektierung von Selbstverdichtenden Betonen durch den Puntke Versuch und den Beta P Wert angenähert, siehe hierzu Kap.3.3. Im erdfeuchten, ungesättigten Bereichen müssen daher die Verdichtungsgrade zwangsläufig geringer sein, weil keine Sättigung der Gesamtporen in der Matrix existieren kann.
Ausgehend von den dargestellten Kontaktgeometrien kugeliger Partikel in Kap. 2.4.2 kann der erforderliche Luftgehalt, der vorhanden sein muss, um die kapillaren Kraftmechanismen einer Flüssigkeitsbrücke vollständig zu aktivieren, überschlägig berechnet werden. Das Wasserfilmvolumen errechnet sich dabei aus der Volumendifferenz der Partikel mit Wasserfilm und ohne Wasserfilm. Für den Kontaktfall zweier Partikel mit jeweils 10 µm Durchmesser und einem massenbezogenen w/f Verhältnis von 0,20 liegt der erforderliche Luftgehalt bei ca. 2 Vol. %. Wenn weniger Luft vorhanden ist, verringert sich die Kontaktzone Wasser Luft entlang des Wassermeniskus und die Haftkraft infolge kapillarer Wirkung der Flüssigkeitsbrücke nimmt ab. Höhere Luftvolumina führen nicht zu einer Erhöhung der Haftkraft, weil nicht mehr Luft für die Ausbildung der Kontaktzone benötigt wird. Eine Luftzunahme über die erforderlichen 2 Vol. % hinaus verringert die Packungsdichte und damit die Partikelbindungen je Volumeneinheit.
Abbildung 152: Maximalwerte der Zugkraft aller Versuche bei der jeweiligen Oberfläche im Leim
In Abbildung 99 war bereits erkennbar, dass die Versuche überwiegend in der Bereichen der Leimoberflächen von 3.900 bis 4.300 und von 5.300 bis 5.900 cm2/g durchgeführt wurden. Diese Verteilung der beiden Bereiche findet sich auch in anderen Darstellungsbereichen wieder, wie z.B. in Abbildung 152.
Es ist daran erkennbar, dass ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der maximalen Zugkraft und der Oberfläche im Leim nicht existiert. Die Punkte streuen in den genannten Bereichen erheblich. Es zeigt sich lediglich, dass nur sehr wenige Werte oberhalb von 30 N liegen. Werte der Zugfestigkeiten unter 10 N deuten auf ein duktiles Bruchbild hin, siehe auch Abbildung 158. Innerhalb dieses Korridors von 10 N bis 30 N befinden sich ca. 90 % der Resultate.
Der Bruchweg bei maximaler Zugkraft, der in Abbildung 153 der Oberfläche im Leimgegenübergestellt ist, zeigt ebenfalls nur generelle Tendenzen. So ist er bei ca. 80 % aller Versuche geringer als 2 mm und nur in Ausnahmen größer als 4 mm.
Jedoch ist die Oberfläche im Leim keine Größe, aus der sich eine Prognose über den zu erwartenden Bruchweg ableiten lässt.
Abbildung 153: Bruchweg bei maximaler Zugkraft aller Versuche in Abhängigkeit der Oberfläche im Leim
Ähnlich verhält es sich bei der Wasserfilmdicke in Abbildung 154. Der bereits genannte Bereich, in dem sich alle maximalen Zugfestigkeiten befinden, ist auch hier erkennbar. Darüber hinaus ist ein leichter Schwerpunkt der Werte in dem Bereich von 0,30 bis 0,35 µm erkennbar. Als alleinige Prognosegröße für die maximale Zugfestigkeit ist die Wasserfilmdicke jedoch zu gering mit der Zugfestigkeit korrelierend.
Ein Zusammenhang mit einer guten Übereinstimmung besteht auch nicht zwischen den Bruchwegen und den Maximalkräften wie sie in Abbildung 155 dargestellt sind.
In Abbildung 156ist die Bruchkraft bei dem kurzen Weg von 0,6 mm gegen die Oberfläche im Leim aufgetragen, doch auch hierbei ist kein eindeutiger Zusammenhang zu erkennen.
Abbildung 154: Maximale Zugkraft aller Versuche in Abhängigkeit der Wasserfilmdicke
Abbildung 155: Bruchwege aller Versuche in Abhängigkeit der max. Zugkraft
Abbildung 156: Zugkraft FZ0,6 bei 0,6 mm Weg in Abhängigkeit der Oberfläche im Leim
Ob bei einzelnen Versuchen ein Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Leime, der w/f Werte, den Kurvenverläufen oder den hier genannten Parametern besteht, lässt sich anhand der vorgestellten Grafiken nicht erkennen.
Daher folgt ergänzend eine Analyse der Versuchsdaten mit Hilfe der Tabellenfunktionen von Excel.Über die Sortier und Suchfunktion wurden für die Zugkraft die jeweils fünf höchsten Werte herausgesucht um zu prüfen, ob anhand der Zusammensetzung Tendenzen zu erkennen sind, sowie die Rezepturen mit den fünf niedrigsten Werten (Abbildung 157 und Abbildung 158).
Abbildung 157: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den fünf höchsten
maximalenZugkräften
Hier zeigt sich, dass vier Leime einen w/f Wert von 0,21 aufweisen, davon drei unter Zugabe von Mikrosilika.Alle drei Leime versagen gem. Fall 1. Bei Verwendung von Metakaolin in Verbindung mit Mikrosilika beträgt der w/f Wert 0,23 (Fall 2). Alle fünf Kurven weisen nach dem Erreichen der Höchstkraft einen deutlichen Abfall auf, d.h. der Bruch hat in der Matrix ohne Kraftumlagerung stattgefunden. CEM II und CEM III mit jeweils 5 % Mikrosilika erreichen die Maximallast bei so geringem Weg, dass die Zugkraft bei 0,6 mm Weg bereits wieder deutlich gesunken ist. In diesem Vergleich ist der reine CEM I Leim mit w/z=0,21 deutlich in der Versagensart Fall 3.
Abbildung 158: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den fünf niedrigsten Wertender Max. Zugkraft
Alle Kurven in Abbildung 158verlaufen sehr flach ohne ausgeprägte Maxima, die Absolutwerte der Zugfestigkeit sind sehr gering. Das Versagen tritt unmittelbar nach Überschreiten des Eigengewichtes des oberen Probekörperteiles auf (Fall 4).Alle fünf Leime wurde mit Siliziumcarbid oder Metakaolin bzw. Kombinationen beider Stoffe hergestellt. Der Vergleich der Kenndaten der zehn Leime bestätigt, dass eine Zuordnung der Leime anhand der tabellierten Parameter (w/f Werte, Oberflächen, Wasserfilmdicken und Verdichtungsgrade) nicht möglich ist.
Jedoch fällt bei der Gegenüberstellung der jeweiligen fünf Leime aus der Abbildung 157 und Abbildung 158auf, dass die Leime innerhalb einer Gruppe jeweils Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung aufweisen und sich deutlich von der jeweils anderen Gruppe unterscheiden.
Metakaolin und Siliziumcarbid sind beide extrem kantig und gebrochen. Die Mikrostruktur des Metakaolin ist offen und porös, die Partikel wirken in der REM Darstellung schichtig und zweidimensional plattig. SiC hatextrem glatte Oberflächen und sehr scharfe Ränder.
Eine Verzahnung der SiC Partikeloberfläche mit Zement ist daher nur sehr schwierig im Vergleich zu Metakaolin. Demgegenüber sind die Leime der maximalen Zugkräfte mit Mikrosilika (in einem Fall in Kombination mit Metakaolin) hergestellt bzw. ohne Zusatzstoffe. In der Maximalgruppe sind alle drei verwendeten Zemente vertreten, wohingegen in der Minimalgruppe CEM I dominiert und CEM III gar nicht vertreten ist.
Auch sind die Kurvenverläufe innerhalb beider Gruppen klar unterschiedlich. Maximale Zugkräfte weisen Verläufe der Fälle 1, 2 und 3 gem. Abbildung 148 auf, minimale Zugkräfte verlaufen alle entsprechend Fall 4.
Abbildung 159 und Abbildung 160 zeigen die Sortierungen der Leime mit den Höchsten bzw. den niedrigsten Zugkräften bei 0,6 mm Weg.
Abbildung 159: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den höchsten Zugkräften bei 0,6 mm Weg
Abbildung 160: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den fünf niedrigsten
Zugkräftenbei 0,6 mm Weg
Auch bei dieser Gegenüberstellung bestehen erkennbare Unterschiede lediglich in der Zusammensetzung innerhalb der beiden Gruppen. In der Minimalgruppe zeigen alle fünf Kurven duktile Verläufe mit sehr langen Wegen, die w/f Werte liegen alle bei 0,23 bzw. 0,25 und damit deutlich höher als in der Maximalgruppe. In drei Fällen handelt es sich um Rezepturen mit zwei Zusatzstoffen, darunter Metakaolin (einzeln oder in Kombination mit FA bzw. SiC). Mit einer Ausnahme sind die Verdichtungsgrade zwischen 97,6 und 98,2. Im Vergleich zu Abbildung 157 zeigt sich, dass diese höheren Verdichtungsgrade nicht zu hohen Zugkräften führen. Auch zeigen die Kurven einen stark verspäteten Kraftanstieg, der ausgeprägter ist als bei der Minimalgruppe der Abbildung 158, jedoch ebenfalls zu Fall 4 zählt. Weil die einzelnen Partikelbindungen keine derart großen Wege überbrücken können, ohne dass die Partikel die Bindung zueinander verlieren, werden hierbei Gleiteffekte entlang der Wandung der Probekörper ursächlich für die große Wege sein, bevor dann ein Bruch eintritt. Hierfür sprechen auch die hohen w/z Werte, die für insgesamt feuchtere Leime und damit erhöhte Gleiteffekte sorgen. Die Maximalgruppe weist ebenfalls stark ähnliche Verläufe auf, die überwiegend den Fällen 1 und 2 entsprechen. Auffällig ist, dass alle fünf Leime mit CEM I hergestellt wurden, in Verbindung mit Mikrosilika bzw. Flugasche (in einem Fall in Kombination von Mikrosilika und Metakaolin).
Bei einer Sortierung nach den Leimen mit den geringsten Wegen bei maximaler Zugkraft ist CEM I innerhalb der ersten zwölf Plätze mit jeweils einem Weg von 0,3 mm nur dreimal vertreten, dabei mit Zugkräften im Bereich von 8 9 N. Die ersten fünf Plätze werden belegt von den Zementen CEM II und CEM III jeweils in Verbindung mit Mikroslilika, Metakaolin bzw Siliziumcarbid.
Die letzte Gegenüberstellung in der Abbildung 161 und Abbildung 162 enthält die maximalen und die minimalen Verdichtungsgrade.
Abbildung 161: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den fünf maximalen Verdichtungsgraden
Abbildung 162: Verläufe und Kenndaten der Rezepturen mit den fünf minimalen Verdichtungsgraden
Die Maximalgruppe der Abbildung 161 zeigt extrem ähnliche Verläufe der Kurven, die alle dem Fall 4 entsprechen. Auch hierbei werden Zugkräfte erst bei großen Wegen aufgebaut und halten über vergleichsweise lange Distanzen an, ein Verhalten, das wiederum dem Bereich der Gleiterscheinungen entlang der Wandungen zugeordnet werden kann, bevor der Bruch in der Feststoffmatrix einsetzt. Die w/f Werte betragen 0,23 bzw. 0,25 und sind am oberen Ende der beprobten w/f Werte im Rahmen dieser Arbeit. In der Minimalgruppe liegen die w/z Werte in vier Fällen bei 0,21 und in einem Fall bei 0,19 und damit im unteren Bereich. Niedrige w/f Werte bei gleichzeitig niedrigen Verdichtungsgraden belegen einen zu trockenen Leim, dessen Partikel während der Verdichtung schlechter aneinander vorbeigleiten, um eine dichte Lage einzunehmen. Jedoch ist auch hierfür die mit in den Tabellen enthaltene Wasserfilmdicke keine Kenngröße. Diese Leime enthalten im Zugversuch ein Maximum, das zwar gering, jedoch deutlich ausgeprägt ist. Darin unterscheiden sich die Verläufe dieser Minimalgruppe eindeutig von denen der Maximalgruppe. Es kommt ohne Gleiterscheinungen an den Wandungen zu einem Bruch in der Matrix bei meist geringen Zugkräften.
In der Maximalgruppe beträgt der Mittelwert des Verdichtungsgrades 98,94, in der Minimalgruppe nur 90,51. Demgegenüber liegen die mittleren Verdichtungsgrade der maximalen Zugkräfte in der Abbildung 157 und Abbildung 159 bei 95,11 bzw. 95,24.
In diesem Vergleich charakterisiert ein Verdichtungsgrad von ca. 90 % zu trockene Mischungen und ein Verdichtungsgrad von ca. 99 % zu feuchte Mischungen.
Für eine Übersicht der Verteilung der einzelnen Leimzusammensetzungen in Abhängigkeit der Zugkraft sind in Anhang 2 die Resultate aller Versuche enthalten, sortiert nach der Höhe der Zugkraft. Anhand dieser Auflistung ist erkennbar, dass die Höhe der Zugkraft nicht von der Zementart beeinflusst wird. Alle drei Zemente sind in den Leimvarianten ohne Zusatzstoffe ebenso wie mit einem oder zwei Zusatzstoffen nicht auffällig konzentriert in einem Bereich der Zugkraft enthalten, sondern zufällig verteilt.
Kürzere Wege bis zur maximalen Zugkraft erzielen Zemente CEM II und CEM III, teils in Kombination mit verschiedenen Zusatzstoffen.
Wie bereits Abbildung 157darstellt, zeigen Leime mit Mikrosilika als Bestandteil hohe Zugkräfte bei allen drei Zementen.Siliziumcarbid führt zu sehr geringen Zugkräften, diese Leime sind auf den hinteren Plätzen enthalten. Leime mit Metakaolin variieren stark, ebenso wie mit Flugasche. In beiden Fällen ist keine eindeutige Zuordnung zu der Höhe der Zugkraft vorhanden.
Der Einfluss der Oberfläche im Leim auf die Zugkraft ist gering. Die mittlere Zugkraft der zehn Leime mit den größten Oberflächen im Leim liegt bei 22,9 N bei einem Mittelwert der Oberfläche im Leim von 5.842 cm2/g. Die mittlere Zugkraft der zehn Leime mit den geringsten Oberflächen im Leim beträgt 18,9 N bei einem Mittelwert der Oberfläche im Leim von 3.956 cm2/g. Ein großer Unterschied von ca. 1.900 cm2/g (entsprechend einer Zunahme von ca. 48 %) führt lediglich zu einer Zunahme der Zugkraft von 21 %. Wie auch in der Übersicht in Abbildung 152 bereits ersichtlich, besteht dieser Zusammenhang jedoch auch nicht erkennbar über alle Größen der Leimoberfläche hinweg.