Ein Plädoyer für die Prüfung des w/z-Wertes

Alle Eigenschaften des Betons werden maßgeblich durch den w/z-Wert gesteuert.

Die neue DIN 1045 Juli 2001 ordnet in fein abgestuften Expositionsklassen jeder Abstufung einen bestimmten nicht zu überschreitenden w/z-Wert zu. Die ebenfalls vorgegebene Druckfestigkeitsklasse ist nicht das entscheidende Kriterium für den Erfolg soweit die besonderen Eigenschaften angesprochen sind. Die Druckfestigkeit lässt sich in vielen Fällen auch mit höheren (ungünstigeren) w/z-Werten und höherwertigen Zementen erreichen.

Trotz der ausschlaggebenden Bedeutung des w/z-Wertes für das Erreichen der zugesicherten Eigenschaften des Betons, wird in DIN 1045-3:2001-07 im Anhang A  (Prüfungen für die maßgebenden Frisch- und Festbetoneigenschaften)  weder in Tabelle A1 noch A2 die einfach durchzuführende w/z-Prüfung als Abnahmekriterium explizit genannt. Auch die Beschreibungen der einfachen einschlägigen Prüfverfahren werden derzeit in keinem offiziellen Papier mehr erwähnt. Nur in der "Leerzeile 7" der oben genannten Überwachungstabellen lässt sich unter " Andere Eigenschaften" der Nachweis des w/z-Werts als Abnahmekriterium unterbringen.

Dem Bauunternehmer kann nur dringend geraten werden, diese Zeile mit dem w/z-Nachweis auszufüllen und als Abnahmekriterium zu vereinbaren, denn er allein ist der Vertragspartner des Bauherren und nicht das Transportbetonwerk.

Prüfverfahren für die w/z-Wert Ermittlung.

Die hier geschilderten Verfahren, für deren Wiederaufnahme in die Qualitätssicherung der Baustelle ich plädieren will, ermitteln weder die Zementmenge noch die Betonzusammensetzung, aber der für Erfolg oder Versagen maßgebenden Anteil des Wassers in der Mischung kann damit ohne großen Aufwand geprüft werden. Und sofort noch an der Baustelle muss daraus der w/z-Wert ermittelt und mit dem Sollwert verglichen werden.

Beton wird heute meistens als Transportbeton an die Baustelle geliefert. Der Lieferung ist ein Lieferschein beigegeben, auf dem entweder alle Einwaagen oder mindestens die Betonsorte angegeben ist, deren Sollzusammensetzung dann aus dem Sortenverzeichnis entnommen werden kann.

Die verantwortlichen Betontechnologen im TB-Werk werden ihre Waagen im + - 3% Bereich halten, werden über eine mehr oder weniger zuverlässige Feuchtigkeitsmesseinrichtung für den Sand verfügen und werden die direkte Wasser- und Zusatzmittelzugabe zuverlässig im Griff haben. Wir können uns im Normalfall darauf verlassen, dass die trockenen Mehlzugaben (Zement, Füller, Gesteinsmehl etc) richtig eingewogen und angegeben sind. Wir können ebenfalls darauf vertrauen, dass die feuchten Zuschlagmengen und die Wasserzugaben korrekt angegeben sind.

Wie viel Wasser der feuchte Zuschlag tatsächlich enthält und wie viel Wasser im Fahrmischer ohne Erfassung auf dem Lieferschein der Betonmischung noch zugefügt wurde, das soll mit den unten beschriebenen Prüfverfahren erfasst werden:

Übersicht über die Prüfverfahren:

1.0 Die Probenahme.

Der Probenahme muss die größte Aufmerksamkeit gewidmet werden. Es ist leider praktisch unmöglich eine vollkommen exakte Durchschnittsprobe aus einem Mischer oder einem Betonlieferfahrzeug zu entnehmen. Die Probenahme erfolgt im Normalfall am Auslauftrichter des Lieferfahrzeugs. Ein erfahrener Betonprüfer beobachtet den Entladevorgang und die Gleichmäßigkeit der Lieferung und nimmt verteilt über einen längeren Entladevorgang aus dem mittleren Entladebereich mit einer Mehlschaufel in einen bereitgestellten Eimer oder eine Schubkarre schöpfend, eine nach seiner (subjektiven) Ansicht dem Durchschnitt der Lieferung entsprechende größere Betonmenge von der er ca. 10 kg für die Trocknung oder ca. 18 kg für die Dichtebestimmung braucht, der Rest steht für Konsistenzprüfung und Würfelherstellung zur Verfügung. Entscheidend für das richtige Ergebnis ist, dass der Mörtelgehalt in der Probe dem Durchschnitt des Mörtelgehalts in der Mischung entspricht. Wie die augenscheinliche Abschätzung der Konsistenz auf (+ -) 2 cm, kann auch die Abschätzung der Mörtelverteilung auf (+ - ) 10-20 dm³ von einem erfahrenen und motivierten Betonprüfer erreicht werden.

1.1 Trocknungsverfahren.

In DIN 1048 Teil 1 Juni 91 unter Ab. 3.4.2 wird verlangt, dass innerhalb 20 Minuten und ständigem Rühren mit entsprechend starker Hitze das Wasser aus dem Beton ausgetrieben sein muss. Es werden zwei Versuche mit jeweils nur 5 kg Frischbeton vorgegeben. Mit dem hier vorgeschlagenen Bratversuch erhält man das gleiche Ergebnis und der Versuch ist auf der Baustelle leichter und sicherer auszuführen. Leichter - weil der Betonprüfer nicht ständig rühren muss, sondern sich seinen anderen Aufgaben widmen kann und sicherer, weil keine Staubpartikel durch die aufsteigende Heißluft vom Wind verweht werden, die später fälschlicherweise als Wasser berechnet werden.

Für den Bratversuch benötigt man eine ausreichend große, runde Stahlpfanne mit schräg nach außen geneigten Rändern. Der Durchmesser sollte ca. 40 cm die Höhe der Ränder ca. 4cm betragen. Zwischen 4 und 5 l Beton entsprechend ca. 10 kg sollen eingefüllt werden können. Weiter ist ein geeignetes organisches Öl (zum Beispiel Rüböl) zum Einreiben der Pfanne erforderlich und ein Paket handelsübliche Stahlwolle. Der verstaubte Gaskocher (möglichst rund) wird wieder aus der Versenkung geholt und eine neue Gasflasche besorgt.

Das Tara der Pfanne wird im Labor auf 1 g genau gewogen, dann wird die Pfanne mit einem satt mit Öl getränktem Lappen innen eingerieben. Es wird erneut auf 1 g gewogen und so die Ölmenge ermittelt, die später bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Die Menge wird meist ca. 10 g betragen. Dies wird nur einmalig ermittelt.

Auf der Baustelle wird nur noch Tara der eingeölten Pfanne ermittelt, dann ca. 10 kg Beton aus der noch mal aufgerührten Probemenge eingefüllt und das Ganze kurz auf dem Rüttler verdichtet. Es wird erneut gewogen (Tara + Gh) und die Pfanne auf den Kocher gesetzt. Die Probe bleibt solange auf dem Kocher, bis die Oberfläche gleichmäßig hell erscheint. Jetzt kann man noch den Beschlagungstest mit der Brille oder einer kühlen Glasscheibe machen. Sobald kein Beschlagen mehr festzustellen ist, kann das Gas abgedreht werden. Nachdem die Pfanne soweit abgekühlt ist, dass gewogen werden kann, wird (Tara + Gd) festgestellt.

Mit (Tara + Gh)  - (Tara + Gd) - -Einstreichölmenge wird das Wasser in der Probe (mw) ermittelt.

Die Pfanne wird umgedreht und mit einem leichten Faustschlag auf den Boden der Pfanne sollte - sofern ein geeignetes Bratenöl verwendet wurde - der trockene Betonkuchen herausfallen. Mit der Stahlwolle wird noch kurz ausgerieben, dann ist die Pfanne wieder für den nächsten Einsatz bereit. Einölen nicht vergessen!

Auswertung für 1.2 
Die Betonzusammensetzung ist nur aus dem Sortenverzeichnis bekannt.

Folgende Beziehungsgleichung ist leicht einzusehen:

und daraus

Mit Wwirk und dem aus der Trockenmischung bekannten Zement und eventuell Füllergehalt kann der w/z oder w/z eq ermittelt werden.

Auswertung für 1.3 
Alle Einwaagen sind auf dem Lieferschein ausgedruckt.

Der Bratversuch wird wie vor unter 1.1 ausgeführt. Alle Einwaagen auf dem Lieferschein werden zusammenaddiert, sofern das Gesamtgewicht der Mischung nicht schon ausgedruckt ist. Da die Beziehungsgröße jetzt die nasse Betonmasse ist, wird auch auf die nasse Probenmasse bezogen.

und daraus

 Wwirk = Wges -Gd n

Mit Wwirk und den aus den Lieferscheinangaben bekannten Zement- und eventuellen Füllermassen wird w/z oder w/z eq ermittelt.

2.1 Dichtebestimmungsverfahren.

In der alten DIN 1048 Dezember 78 ist im Teil 1 unter Ab. 3.4.2 noch das Thaulow Verfahren zur Ermittlung des w/z-Wertes genannt. Das Verfahren besteht darin, dass mit einer möglichst exakten Dichtebestimmung der feuchten Masse und bekannter Dichte der Trockenmasse der Wassergehalt in der feuchten Masse bestimmt wird. Durch eine geschickte Umformung der anfallenden Gleichungen wird der w/z-Wert als direktes Ergebnis erhalten. Entscheidend für die Wahrheit des Ergebnisses ist der sogenannte k-Wert = Zuschlag / Zement. Mit diesem Verhältnis und den Trockendichten aller Bestandteile wird die Trockendichte des Betons ermittelt und über die "Nassdichte" ( = Frischbetondichte des entlüfteten Betons) die zugehörige Wassermenge.

Die Prüfung wurde mit exakt 10 kg Frischbeton und einem wunderschönen Edelstahltopf und einer Glasscheibe ausgeführt.

Hier wird die Dichtebestimmung mit dem auch für weitere Prüfungszwecke sehr nützlichen LP-Topf beschrieben.

Am LP-Topf wird zunächst einmalig das genaue Volumen des Topfes ohne und mit aufgesetztem Deckel durch Wägung auf 1 g genau und Wasserfüllung unter Berücksichtigung der Wasserdichte in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt. Die Ermittlung des Topfvolumens ohne Deckel wird durch Abstreifen der Wasseroberfläche mit einer ebenen Glasplatte erleichtert und wird V_T genannt. V_T sollten 8000 cm³ sein. Danach wird der Deckel aufgesetzt und weiter befüllt. Zur Kontrolle wird festgestellt, ob der LP- Gehalt des voll aufgefüllten Topfes 0,0 % beträgt! Das ermittelte Volumen ist V_TDund Tara besteht aus dem gebrauchsfertigen (leicht feucht) Gewicht von Topf mit Deckel. Selbstverständlich wird bei dieser Gelegenheit auch die korrekte Anzeige des Manometers gemäß Gebrauchsanweisung kontrolliert und gegebenenfalls nachjustiert. Vorsicht! Der angezeigte Luftgehalt in % bezieht sich nur auf das Volumen des Topfes ohne Deckel also V_T.

Prüfvorgang zur Dichtebestimmung bei gleichzeitiger Ermittlung des LP-Gehalts:

Im Unterschied zur normalen Luftporenprüfung (LP-Beton) wird der Topf nur zu ca. ¾ mit Frischbeton aus der Probemenge gefüllt. Nach Verdichtung auf dem Rüttler wird mit aufgelegtem Deckel gewogen und anschließend mit Wasser aufgefüllt. Der Deckel aufgesetzt und weiter mit Wasser gefüllt. Der Topf feucht abgewischt und wieder gewogen. Dann wird eine LP-Prüfung vorgenommen. Vorsicht: Der hier ermittelte LP-Gehalt muss erst noch umgerechnet werden.

Ein Druckablassventil am leicht schräg gehaltenen Topf wird geöffnet und soviel Wasser unter eventuellem nochmaligen pumpen abströmen lassen, dass nach der Abnahme des Deckels kein Wasser mehr über den Topfrand läuft.

Jetzt erst beginnt die eigentliche Dichtebestimmung zur Ermittlung des Wassergehalts. Der im Topf unter Wasser stehende Beton wird soweit aufgerührt, dass möglichst keine Luftporen mehr zu erwarten sind. Dann wird wieder langsam Wasser nachgefüllt und der überstehende Schaum abgestrichen. Der Deckel wird aufgesetzt, mit Wasser befüllt, der LP-Gehalt überprüft und erneut gewogen. Der LP-Gehalt sollte jetzt möglichst nahe bei 0,0 und auf jeden Fall deutlich unter 1% liegen.

Man kann den ersten Teil der Prüfung natürlich auch überspringen, aber wenn schon eine Dichteprüfung mit dem LP-Topf durchgeführt wird, ist es immer nützlich auch über den natürlichen Luftgehalt im Beton informiert zu sein, die Auswirkungen unerwünscht hoher LP-Gehalte auf die Druckfestigkeit sind bekannt.

1.Schritt: 
Berechnung der Frischbetondichte und Ermittlung der Luftporen. 

pentl.(1):
hier rechnet man genauer mit pentl.(2), aber der Vergleich der beiden pent ist auch interessant.

2. Schritt: 
Ermittlung der entlüfteten Frischbetonrohdichte für die Ermittlung des Wassergehalts bzw. des w/z-Wertes. (nach Aufrühren und erneuter Wasserfüllung)

Auswertung für 2.2 
Die Betonzusammensetzung aus dem Sortenverzeichnis ist bekannt

Im Vertrauen darauf, dass der Betonlieferant die angegebenen Massen im Sortenverzeichnis auf exakt einen m³ berechnet angibt, müssen nur die Trockenmassen addiert werden, die Summe ist das Trockengewicht der Mischung (Mi d). Das Volumen von Mi d erhält man durch Abzug von Wasser und flüssigen Zusatzmitteln und Luftgehalt in dm³ von 1000 dm³ (der vereinbarten Liefermenge).

Damit wird die Trockendichte p_Mid = Mi d / V_{Mi d} ermittelt. (Luftgehalt 1.5% = 15 dm³)

Zuverlässiger kann die Trockendichte natürlich aus der Mischungsberechnung entnommen werden

Aus der leicht einsehbaren Gleichung

gelangt man durch Umformung zu

Mit dem oben bekannten Bindemittelgehalt wird w/z oder w/z eq ermittelt.

Auswertung für 2.3
Alle Einwaagen sind auf dem Lieferschein ausgedruckt.

Aus dem Lieferschein werden die Einzelsummen aller Einwaagen entnommen und notiert. Die Trockendichten aller Einwaagen müssen bekannt sein oder erfragt werden oder selbst ermittelt werden. Der Zuschlag spielt dabei die Hauptrolle, aber den kann man durch einfaches Auswaschen einer Betonprobe (muss noch nicht einmal ein Sieb dabei sein) gewinnen, kann ihn trocknen und die Dichte auch nachträglich bestimmen bzw. kontrollieren. Jeder Betonprüfer weiß, was er ungefähr als Zuschlagdichte in seinem Gebiet einsetzen muss und das genügt zunächst für die erste Beurteilung immer.
Die Dichten von Zement, Füller, Gesteinsmehlen etc,. können der einschlägigen Literatur entnommen werden.

Es gelten folgende Zusammenhänge:

Die Dichten p z , p f , pM müssen erfragt oder der Literatur entnommen werden, die maßgebende Größe Zuschlagdichte p g kann auch nach Auswaschen des Zuschlags selbst ermittelt werden.

pMih ist die oben beschriebene Frischbetondichte entlüftet pentl.(2) .

Über die beiden Gleichungen mit den zwei Unbekannten Gd und Wges

 gelangt man nach Auflösung zu:

Wges ist die gesamte Wassermenge einschließlich der flüssigen Zusatzmittel der Lieferung.
Aus dem Lieferschein sind die als richtig vorausgesetzten Zugaben von Zement und Füller bekannt, also kann jetzt w/z oder w/z eq berechnet werden.

Bemerkung zum Dichteverfahren:
Das Verfahren der w/z Kontrolle über die Dichte erscheint gegenüber dem einfachen Bratversuch auf den ersten Blick umständlich und ungenau wegen der zusätzlich erforderlichen Trockendichten und etwas mehr Rechenarbeit. Die Trockendichten lassen sich aber leicht vorher beschaffen und so aufbereiten, dass nur noch wenig Rechenarbeit vor Ort geleistet werden muss (siehe obige Formel). Der Vorteil des Verfahrens ist die Schnelligkeit, mit der gearbeitet werden kann, weil man nicht auf die Trocknung warten muss. Der nächste Vorteil ist, dass man auch über den nicht ganz unwichtigen Luftgehalt (1. Schritt) informiert ist (Einfluss auf die Druckfestigkeit) und außerdem kann man über die Dichte (mit LP) nachrechnen, ob auch tatsächlich die bestellten m³ geliefert werden.

Es wurde inzwischen sogar ein Gerät entwickelt, mit dem der Luftgehalt und die Dichte entlüftet sehr genau am Würfel geprüft werden können. Nach den notwendigen Vorermittlungen der Trockendichten unterstützt die entsprechende Software den Versuch so, dass der w/z-Wert fast nebenher bei der Würfelherstellung ermittelt wird und eine Kontrolle des Liefervolumens vorliegt. Das Gerät heißt HYDRO 5 und Informationen darüber erhalten Sie unter GnTV-GmbH@t-online.de

Fehlerdiskussion:

1. 
Zu 1.1 Probenahme.

Wenn man sich Beton als Zweistoffsystem aus Mörtel (alle Bestandteile kleiner 2 mm) und Grobzuschlag (alle Bestandteile >2 mm) vorstellt, ist einleuchtend, dass der Mörtelgehalt der Probe dem Mörtelgehalt der gesamten Mischung entsprechen muss, denn im Mörtel befindet sich das Wasser. Der Fehler, der durch ungleichen Mörtelgehalt in Probe und Gesamtmischung entstehen kann, ist abhängig vom Augenmaß des Betonprüfers. Eine Treffsicherheit von kleiner als + - 20 dm³ kann von einem motivierten Prüfer erreicht werden. Bei üblichem Mörtelgehalten von z.B. 500 dm³ ergibt eine Fehleinschätzung bei der Probenahme um 20 dm³ einen falschen Wassergehalt von + - 100 x 20/500 = 4% Z.B. Für Wist =183 l, eine Falschaussage von 183 x 0,04 = + - 7,3 l.
Oder für w/z ist = 0,50, eine Fehlermittlung von 050 x 0,04= + - 0,02 . Dieser mögliche Fehler bei der Probenahme wirkt sich sowohl beim Bratversuch als auch bei der Dichtebestimmung gleich aus.

2.
Zu 1.2 Bratversuch unter Annahme trockene Betonmischung ist bekannt (Mid).

Bei sorgfältiger Versuchsdurchführung ist nur der Fehler aus der Probenahme möglich.

3.
Zu 1.3 Bratversuch mit allen Einwaagen aus dem Lieferschein.

Der Fehler aus der Probenahme ist möglich.

Das Gesamtgewicht wird dem Lieferschein entnommen aber im Fahrzeug waren noch 20 dm³ nicht erfasstes Wasser. Beispiel: Mih (aus Lieferschein) = 2341 kg , mit Mih sind 183 dm³ Wasser erfasst aber tatsächlich sind 20 dm³ mehr vorhanden. Mit dem Bratversuch wird dann ermittelt:

4.
Zu 2.2 Die Betonzusammensetzung aus dem Sortenverzeichnis oder die Mischungsberechnung ist bekannt.

Der Fehler aus der Probenahme ist möglich.
Falls der Aufsteller der Mischungsberechnung die Trockendichten nicht richtig ermittelt hat und hier zum Beispiel die tatsächliche Trockendichte der Gesamtmischung um 0,02 höher liegt als ausgewiesen, erhält man im Falle der unten aufgeführten Beispielmischung eine um ca. 10 dm³ geringere Wassermenge als tatsächlich vorhanden. Falls die tatsächliche Trockendichte um 0,02 geringer ist als ausgewiesen, wird ca. 10 dm³ mehr Wasser ermittelt als vorhanden.

5. 
Zu 2.3 Alle Einwaagen sind auf dem Lieferschein ausgedruckt.

Der Fehler aus der Probenahme ist möglich.

Für das unten aufgeführte Beispiel gilt:

Wird die Zuschlagdichte um 0,02 zu gering in die Formel eingesetzt, werden 8 dm³ zuwenig Wasser ermittelt.

Wird die Zuschlagdichte um 0,02 zu hoch in die Formel eingesetzt, werden 8 dm³ zuviel Wasser ermittelt.

Wird die Zementdichte um 0,01 zu gering in die Formel eingesetzt, werden 6 dm³ zuwenig Wasser ermittelt.

Wird die Zementdichte um 0,01 zu hoch in die Formel eingesetzt, werden 6 dm³ zuviel Wasser ermittelt.

Wird die Füllerdichte um 0,01 zu gering in die Formel eingesetzt, werden 2 dm³ zuwenig Wasser ermittelt.

Wird die Füllerdichte um 0,01 zu hoch in die Formel eingesetzt, werden 2 dm³ zuviel Wasser ermittelt.

Beispielrechnung siehe unten.

Zusammenfassung der Fehlerdiskussion:

Bei beiden Versionen des Bratversuchs entstehen Fehler praktisch nur durch die Probenahme und die sind bei sorgfältiger Arbeit <= + - 4% der tatsächlichen Wassermenge bzw. des w/z-Wertes angesiedelt. Nach mehreren Versuchen aus den laufenden Lieferungen darf der Mittelwert als zutreffender Wert angesehen werden.

Die Ermittlung des Wassergehaltes über die Dichte bietet über die Probenahme hinaus zwar noch mehr Fehlermöglichkeiten an, die sich aber auch gegenseitig aufheben können. Sofern die notwendigen Vorermittlungen sorgfältig vorgenommen werden oder wenigstens die Dichte des Zuschlags nach Auswaschung ermittelt wird, können die möglichen Fehler ebenfalls auf die Probenahmefehler reduziert werden. Das Arbeiten mit dem vorerwähnten HYDRO 5 bietet hier einige zusätzliche Kontrollmöglichkeiten und besonders vorteilhaft ist, dass ermittelter w/z-Wert und Druckfestigkeit an der gleichen Betonprobe direkt verglichen werden kann.

Ausblick.

Viele Generationen von Betontechnologen sind das Problem der nachtäglichen w/z-Wert Bestimmung am Frischbeton immer mutig angegangen, weil sie ihren Beton wirklich im Griff haben und möglichst zutreffende Voraussagen besonders über die zu erwartende Festigkeit machen wollten. Heute, in einer Zeit wo jeder Betonprüfer mit Laptop ausgerüstet ist und die Zertifizierung nach DIN 9000 schon fast den Baustellenstandard bildet, sollte die Abnahmeprüfung an der Baustelle wirklich nicht alleine aus dem Lesen des Lieferscheins und dem Abmessen des Ausbreitkuchens bestehen.

Betoningenieure, falls Sie Baustellen überwachen, dann bestehen Sie auf einer vernünftigen Qualitätssicherung bei der Betonabnahme, und machen Sie bei besonders wichtigen Betonagen den Nachweis des w/z-Werts zum Vertragsbestandteil !

  Ein Plädoyer für die Prüfung des w/z-Wertes

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