Inhaltsverzeichnis

Auf dieser Seite finden Sie grundlegende Artikel zur chemische Reaktion und der Carbid-Methode

-Was bedeutet die Einheit "CM-%"?

-Ist die Chemische Reaktion abgeschlossen?

-Wie prüfe ich das CM-Gerät?

-Was bezeichnen wir als freier Wasseranteil?

-Ist es möglich beim CM-Gerät ein korrektes Ergebnis zu erreichen, wenn eine Kugel fehlt?

Ist es möglich beim CM-Gerät ein korrektes Ergebnis zu erreichen, wenn eine Kugel fehlt?

Der Kugelsatz bei einem CM-Gerät hat neben der Eichung 3 Funktionen:

1. Starteffekt:
1. Zertrümmern der Carbidampullen
2. Mischeffekt:
1. Durchmischen mindestens eines Feststoffes mit einem anderen Feststoff oder auch flüssigem oder pastösen Stoff.
2. Je länger geschüttelt wird, desto besser kann das Carbid mit der Feuchten Probe durchmischt werden und desto schneller verläuft die Reaktion.
3. Zerkleinerungseffekt:
1. Soll Probenmaterial mit den Kugeln während der Reaktion noch zerkleinert werden, übernehmen die Kugeln bei entsprechendem Schüttelaufwand des Anwenders diese Funktion.
2. Dabei gilt: Je intensiver desto schneller ist das Prüfgut z.B. einer Estrichprobe zerkleinert.
3. Nach einer bestimmten Zeit, die von der Intensität und der Dauer des Schüttelaufwands sowie der Anzahl der Kugeln und der Probenmenge abhängt wird das Prüfgut nicht mehr weiter zerkleinert. Dies deswegen, weil der Wirkungsgrad von Zerkleinerungsprozessen sehr gering ist (grundsätzlich: Anzahl Stösse zwischen Kugel und Probenmaterial)

Diskussion: Wenn eine Kugel fehlt:

Der Kugelsatz mit 4 Kugeln (3 gross, 1 klein) dient nicht zuletzt auch dazu, das freie Volumen in der Druckflasche festzulegen. Es ist somit Teil der Eichung des gesamten Systems. Der Solldruck nach Reaktion von 1g Wasser (Kalibrierampulle) mit einer Carbidampulle beträgt einen Druck von 1.00 bar bei 20°C.

 Fehlt hier beispielsweise die kleine Kugel so ist der Fehler in der Druckmessung sicherlich nur im Bereich der 1 oder 2. Kommastelle relevant.

Wirkung auf Starteffekt:
Keine Wirkung

Wirkung auf Mischeffekt:
Verlängert die Reaktionsdauer, bis die Reaktion abgeschlossen ist. Die Durchmischung ist bei gleicher Schütteldauer und -intensität weniger gut.

Wirkung auf Zerkleinerungseffekt:
Wenn eine Kugel weniger vorhanden ist, kann das Probenmaterial bei gleicher Schütteldauer und -intensität nicht im gleichen Masse zerkleinert werden. Der schliesslich gemessene Druck fällt geringer aus als mit 4 Kugeln, weil ein Teil des Wasser nach 10 Minuten Reaktionszeit (Belegereifprüfung) noch immer in den Poren steckt. Hinweis: Bei der Prüfung der Belegereife ist die Chemische Reaktion nach 10 Minuten nicht abgeschlossen. Siehe dazu den bereits publizierten Beitrag: Welches Wasser messe ich mit der CM-Methode?

Die Auswirkung einer fehlenden Kugel auf den Druckanstieg liegt im Bereich von 0.1 bis max. 0.2 M-%.
Erheblich relevantere Einflüsse auf das Messergebnis aber ergeben sich aus den Vorbereitungsarbeiten für die CM-Messung. Darunter fallen

• die Wahl der Entnahmestelle für die CM-Messung (möglichst grössten Raum nach Vorprüfung mit einem elektrischen Feuchteprüfgerät oder eine Wärmebildkamera),
• die repräsentative Prüfgutentnahme (Fläche ca. 10 x 10 cm) über den gesamten Estrichquerschnitt sowie 
• die sorgfältige Prüfguthomogenisierung in PE-Beuteln

Warum?
Die Wirkung der Feuchte im Estrichs auf einen Parkettstab ist in einem grossen Raum wegen der grossen Gesamtlänge erheblicher als in einem kleinen Raum.
Der Estrich hat während der Trocknung ein vertikales Feuchtigkeitsprofil, das von unten nach oben einen Unterschied von bis zu 2.5 M-% ausmachen kann! Daher muss die Entnahme wie auch die Homogenisierung des Probenmaterials besonders sorgfältig durchgeführt werden.

Was bezeichnen wir als freier Wasseranteil?

Was bezeichnen wir als freier Wasseranteil?

Die Festlegung was als freier Wasseranteil betrachtet wird, ist an sich sehr einfach.
In der Praxis wird die Bestimmung der Feuchtegehaltes von Anhydritestrichen durch Trocknung bei 40°C vollzogen. Diese ist bewährt und stellt für diesen Bindemitteltyp den Stand der Technik dar.
Von einer höheren Trocknungstemperatur wird abgesehen, weil das Bindemittel dann zunehmend kristallin gebundenes Wasser abgibt. Dieses kristallin gebundene Wasser stammt von Calciumsulfat und wird in zwei Schritten bei ca. 70 und 105 °C (abhängig von der Feinheit der Temperaturschritte) freigesetzt.
In der Literatur ist mehrfach schon darauf hingewiesen worden, das in zementären Systemen neben Anhydrit und auch Ettringit als Hydratphasen gebildet werden:

Literaturhinweis 1: "Diss. Christiane Rössler, 2006, am F.A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar"
Literaturhinweis 2: "Diss. Severin Seifert, 2009, Friedrich-AlexanderUniversität Erlangen-Nürnberg"
Literaturhinweis 3: "Diss. Sebastian Seufert , 2011, Friedrich-AlexanderUniversität Erlangen-Nürnberg"

Ettringit hat knapp 50% seiner Molmasse als Wasser gebunden und kann davon etwa 2/3 abgeben. Dieser Prozess startet bereits bei niedrigeren Temperaturen als bei Anhydrit. Er hängt auch vom vorliegenden Wassergehalt der Luft ab, je höher Wasseranteil, desto höher muss die Temperatur sein, damit Kristallwasser freigesetzt wird.

Stufenweise Trocknung/ Darrung

Dieser Vorgang läuft bei einer Temperatur von 40°C im vernachlässigbaren Ausmass ab, und daher bietet es sich an, diese Temperatur zur Bestimmung des freien Wassergehaltes heranzuziehen.
Die Trocknung erfolgt bis zur Gewichtskonstanz der Probe. Die Höhe des Gleichgewichtszustandes wird im geringen Masse der Temperatur und im erheblichen Masse von der umgebenden Luftfeuchtigkeit einer inerten Probe vorgegeben. Eine erhöhte Temperatur beschleunigt lediglich das Erreichen des Gleichgewichtszustandes. Die relative Luftfeuchtigkeit, die sich in einem Trockenschrank einstellt hängt bei nicht klimatisierten, offenen Systemen ausschliesslich von der Umgebungsluft des Trockenschrankes ab.
Diese Laborluft wird angesaugt, erwärmt und in den Trockenschrank geblasen. Dadurch wird die Speicherfähigkeit der Luft erhöht und die relative Luftfeuchtigkeit sinkt ab, wie aus der nachstehenden Grafik leicht nachvollziehbar ist. Bei einer Laborluft von 20°C / 50%rF ergibt sich im Trockenschrank bei 40°C eine relative Luftfeuchte (Gleichgewichtsfeuchte) von etwas weniger als 20%rF. Eine Probe, die mit diesem Klima im Gleichgewicht steht darf als sehr trocken bezeichnet werden.

Stufenweise Darrung, Rahmenbedingungen

Trockene Estriche

Durch stufenweise Trocknung einer Probe kann der jeweilige Gewichtsverlust bei einer anliegenden Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit bestimmt werden. Durch die unterschiedlichen Trocknungstemperaturen können neben dem freien Wasser (Gewichtsverlust bei 40°C) auch charakteristische Eigenschaften einer zementären Probe bestimmt werden wie die nachstehende Grafik für drei verschiedene trockene Proben aufzeigt. So kann beispielsweise in die nachstehende Grafik aufzeigen, das die gelbe Probe ein Schnellestrich sein muss, während es sich bei der grünen Probe um einen konventionellen Calciumsulfat Anhydritestrich (CA) handelt. Die blaue Probe ist ein Zementestrich. Allen Proben ist gemeinsam, dass Sie bei 40°C nur einen sehr geringen Feuchtigkeitsverlust zeigen und damit als weing freies Wasser aufweisen.

Stufenweise Darrung 3-er trockener Estrichproben

Feuchte Estriche

Werden frische Proben einer Baustelle stufenweise getrocknet ergibt sich insbesondere für den Masseverlust bei 40°C ein völlig anderes Bild wie die nachstehende Grafik zeigt.

Stufenweise Darrung 3-er feuchter Estrichproben

Bei 40°C weisen die drei Proben hohe Gewichtsverluste auf und erlauben so die Bestimmung des Anteils an freiem Wasser der Proben. Die grüne Probe kann dank des charakteristischen Gewichtsverlustes bei 70°C als CA definiert werden, während die anderen Proben klassische zementäre Estriche sind.

Spachtelmassen

Auch Spachtelmassen mit einem sehr grossen Anteilen an Ettringit wie auch Anhydrit lassen sich auf diese Weise prüfen und mit einfachem gerätetechnischen Aufwand charakterisieren. Wir haben dazu nachstehend eine entsprechende Probe einer Spachtelmasse geprüft.

Stufenweise Darrung einer Spachtelmasse

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Probe durch den hohen Gewichtsverlust bereits bei 40°C noch einen erheblichen Anteil an freiem Wasser enthält. Der Gewichtsverlust bei 60°C weist auf einen hohen Ettringitgehalt hin, während der von Gewichtsverlust bei 70°C dem Anhydrit zugeschrieben werden kann.

Feuchtegradient eines Calciumsulfat-Fliessestrichs (CAF)

Wird die Probennahme an der Baustelle entsprechend durchgeführt, lässt sich für eine Entnahmestelle auch mit der stufenweisen Darrung auch ein Feuchtigkeitsprofil erzeugen. Die sich über den Querschnitt ergebende Zusammensetzung der unterschiedlichen Gewichtsverluste zeigt eine klare Schichtung der einzelnen Inhaltsstoffe. CAF enthält neben dem Anhydritbinder immer auch einen gewissen Anteil an zementären Komponenten zur Regelung des Abbindeverhaltens. Bei diesem Versuch erfolgte die Festlegung der Trocknungstemperatur bis 60°C in 10°C Schritten während sie darüber in 5°C durchgeführt wurde. Man kann durch sehr unterschiedlichen Gewichtsverluste bei 40°C den steilen Feuchtigkeitsgradienten erahnen, der sich die die Estrichkonstruktion zieht. Man sieht sehr deutlich auch, dass der Ettringitanteil über den Estrichquerschnitt nicht gleichmässig ist, und dass es im oberen Bereich erheblich mehr Anhydrit haben muss als weiter unten.

Schlussbemerkung

Bei all der technischen Einfachheit des hier beschriebenen Systems gibt es einen grossen Nachteil.

Eine derartige Charakterisierung benötigt mehrere Wochen. Für jede gewählte Temperatur muss die Probe bis zur Gewichtskonstanz  getrocknet werden. Als Abbruchkriterium war wie in der Norm DIN 18121 beschrieben ein Gewichtsverlust von weniger als 1 M-% innerhalb von 24 Stunden gewählt worden.

Dies hat zur Folge, dass man einiges an Geduld aufbringen muss, bis man Ergebnisse bekommt.

Was bedeutet CM-%?

Frage: Was bedeutet die Einheit [CM-%]?

Antwort: Die oftmals verwendete Einheit [CM-%] steht streng genommen für [M-%] gemessen mit dem CM-Gerät.

vertiefende Erläuterungen: Die Einheit [M-%] wird sehr häufig bei Darrproben verwendet und gibt dort den Anteil Gewichtsverlust gezogen auf die Trockenmasse an. Da bei der Prüfung der Belegereife die chemische Reaktion nicht abgeschlossen, sondern abgebrochen wird (Siehe dazu: Unser Beitrag), ergibt sich bei zementären Proben ein Unterschied zwischen dem Messergebnis einer CM-Messung und dem einer Darrprüfung.
Aus der bisherigen Praxis erwartet man einen Unterschied von 1 bis 1.5 M-%. Damit die Ergebnisse der beiden Messmethoden besser von einander unterschieden werden können, wurde bei den CM-Geräten sehr früh die Bezeichnung [CM-%] verwendet.

Wie überprüfe ich mein CM-Gerät?

Frage: Wie überprüfe ich mein CM-Gerät?

Antwort: Mit einer Kalibrierampulle kann ich jederzeit eine Vor-Ort Kalibrierung vornehmen.

Zur Verwendung der Kalibrierampulle schauen Sie sich dieses Video an:

Erläuterung: Aus einem Gramm reagiertem Wasser wird bei 20°C ein Solldruck von einem bar aufgebaut. Dies, nachdem die Reaktion beendet ist. Die zulässige Abweichung beträgt standardmässig 5% vom Solldruck und bedingt ein entsprechendes Flaschenvolumen. Die maximale Abweichung setzt sich aus folgenden vier Grössen zusammen.

• ± 1% beim Flaschenvolumen: Unsere maximal zulässige Abweichung.
• ± 1% bei den Kalibrierampullen: Unsere maximal zulässige Abweichung.
• zulässiger Fehler der Manometer:
• ± 2.5% bei unseren mechanischen Manometern (CLASSIC und ECO) ist der maximal zulässige Fehler bei einem Druck von 1 bar.
• verbleiben ± 0.5% zulässige Abweichung der Temperatur von 20°C.
• ± 0.4% bei unseren digitalen Manometern (Business) ist der maximal zulässige Fehler bei einem Druck von 1 bar.
• verbleiben ± 2.6% zulässige Abweichung der Temperatur von 20°C.

Welches Wasser messe ich mit der CM-Methode?

Frage: Ist die chemische Reaktion bei der Prüfung der Belegereife abgeschlossen?

Antwort: Nein die chemische Reaktion ist noch nicht abgeschlossen.

Das folgende kurze Video verdeutlicht diese Aussage.

Erläuterung: Jede chemische Reaktion läuft solange bis ihr Endpunkt erreicht ist. Dieser Endpunkt ist erreicht, wenn kein Wasser in Kontakt mit Karbid kommen kann. Wasser und Karbid müssen sich zur Reaktion berühren können. Die Umwandlung zu Acetylen, also die eigentliche Reaktion, erfolgt sehr schnell (wenige millionstel Sekunden).

Wie schnell die Reaktion ihren Endpunkt erreicht hängt davon ab, wie intensiv sich die beiden vorhandenen Reaktionspartner berühren können.

Bei der CM-Methode ist nur Wasser die mobile Komponente. Je langsamer sich Wasser bewegen kann und je länger der Weg ist, denn ein Teil Wasser zurücklegen muss, desto länger dauert es bis zum Ende der Reaktion. Wird die Druckflasche geschüttelt so wird auch Carbid zu einer mobilen Komponente.

Wird das Wasser auf dem Weg zum Karbid behindert (weil sich Wasser und Karbid nicht direkt berühren: Tropfen auf der Flascheninnenwand bei still stehender Flasche) und so muss das Wasser durch die Flascheninnenluft diffundieren. Es dauert also Tage anstatt Sekunden, bis alles Wasser reagiert hat.

Ein andere Art der Behinderung liegt vor, wenn die Wasser nicht auf der Oberfläche einer Probe vorliegt (Sandschüttung), sondern sich im Porensystem einer Probe befindet, also auf der inneren Oberfläche. Das Wasser kann sich in einem solchen Porensystem nur sehr langsam bewegen (Diffusion, Effusion) und daher läuft die Reaktion entsprechend langsam ab.

Estriche insbesondere zementäre Systeme weisen wegen ihrer Porenstruktur eine grosse innere Oberfläche auf. Die Poren kann man sich wie ein Kanalsystem vorstellen, ähnlich wie ein Irrgarten oder die Wasserwege von Venedig.

Lässt man, die Druckflasche ungeschüttelt stehen, dauert es ein paar Wochen bis zum Endpunkt der Reaktion. Wird die Druckflasche hingegen ständig geschüttelt, ist die Reaktion innert zwei Tagen bei Raumtemperatur abgeschlossen.

vertiefende Informationen: Grundsätzlich verläuft eine chemische Reaktion immer bis zu ihrem chemischen Gleichgewicht. Das chemische Gleichgewicht ist jeweils dann erreicht, wenn bei der Hinreaktion gleich viele Produkte entstehen, wie bei der Rückreaktion wieder die Ausgangsprodukte gebildet werden. Jede Reaktion hat also auch eine Rückreaktion, die wiederum die Ausgangsprodukte liefert.

Wo der Gleichgewichtszustand liegt, hängt von der Lage der Gleichgewichtskonstanten  ab (Massenwirkungsgesetz). Diese liegt im Fall der Reaktion von Calciumcarbid mit Wasser klar auf der Seite der Produkte, also dem gasförmigen Acetylen.

Der Restwasseranteil über Calciumcarbid kann berechnet werden und dieser liegt bei einem Partialdruck von ca. 2 x10-10 mbar.

Ziehen wir einen kleinen Vergleich heran: Der Dampfdruck von Wasser ist bei 20°C mit rund 23mbar etwa 100 Milliarden mal höher.