Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unterBeton (Begriffsklärung) aufgeführt.
Querschnitt durch BetonEinbau von Transportbeton mittelsBetonpumpeeingeschalterStahlbeton (links), bereits abgebundener Beton im fertigen Zustand (rechts)Flug durch einenµCT-Bildstapel eines Stückes Beton, gefunden am Strand vonMontpellier. Durch langen Salzwasser-Kontakt haben sich die Calcium-basierten Füllstoffe (Muschel- und Schneckenschalen) aufgelöst und Lufteinschlüsse hinterlassen.Goetheanum in Dornach, ein Gebäude mit Sichtbetonfassade
Normalbeton enthältZement als Bindemittel undGesteinskörnung (früherZuschlag) als Zuschlagstoff. DasZugabewasser (früherAnmachwasser) leitet den chemischen Abbindevorgang, d. h. dieErhärtung ein. Um die Verarbeitbarkeit und weitere Eigenschaften des Betons zu beeinflussen, werden der MischungBetonzusatzstoffe undBetonzusatzmittel beigemengt. Das Wasser wird zum größten Teil chemisch gebunden. Das Gemisch darf daher erst nach dem Erhärten vollständig trocknen.
Frischer Beton kann alsZweistoffsystem ausflüssigemZementleim und festem Zuschlag angesehen werden. Zementleim härtet zuZementstein. Dieser bildet dieMatrix, welche die Gesteinskörnung umgibt.[3]
Als problematisch gilt bislang der Einfluss der Betonproduktion auf die Umwelt. Die Betonindustrie gehört zu den Hauptverursachern vonTreibhausgasen, die dieglobale Erwärmung bewirken. Die Betonproduktion ist für etwa sechs bis neun Prozent aller menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich, was dem Drei- bis Vierfachen der Größenordnung des gesamtenLuftverkehrs entspricht.
Es werden weltweit erhebliche Mengen Wasser,Kies, Zement und Sand für die Herstellung von Beton verbraucht. Das globaleVorkommen an geeignetem Sand wird vor allem durch die Betonherstellung immer knapper.
Unbewehrter Beton kann nur geringeZugspannungen aufnehmen, ohne zu reißen, da seineZugfestigkeit nur rund ein Zehntel seiner Druckfestigkeit beträgt. Zugspannungen werden daher üblicherweise durch eingelegte Stäbe oder Matten ausBewehrungsstahl aufgenommen, die eine Zugfestigkeit von über 400 N/mm² besitzen.Diese Kombination hat sich aus mehreren Gründen als vorteilhaft erwiesen:
Beton und Stahl haben einen ähnlichenWärmeausdehnungskoeffizienten, so dass im Verbundmaterial keine temperaturbedingten Spannungen auftreten,
Unbewehrter Beton wird fürSchwergewichtswände, gebogeneGewichtsstaumauern undandere kompakte, massive Bauteile verwendet, die überwiegend auf Druck belastet werden. Größere Zugspannungen müssen entweder konstruktiv vermieden werden oder es darf von einem Bruch des Materials keine Gefährdung ausgehen.Dies ist beispielsweise bei kleineren vorgefertigten Elementen wie Blocksteinen für den Mauerwerksbau oder (Waschbeton-)Platten im Gartenbau der Fall. Auf Grund geringer Kosten, beliebiger Formbarkeit und vergleichsweise hoherDichte von etwa 2400 kg/m³ wird Beton auch fürGegengewichte anKränen und fürWellenbrecher verwendet.
Zu beachten ist dasSchwinden des Bauteil-Volumens bei Austrocknung sowie durch chemische Vorgänge. Das Schwindmaß ist dabei abhängig von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials. Ein gewissesKriechen tritt bei allen belasteten Bauteilen auf und bezeichnet die mit der Zeit zunehmende Verformung unter Belastung.
derKonsistenz in Klassen von steif bis (sehr) fließfähig,
der Art der Verdichtung in Rüttelbeton, Stampfbeton, Walzbeton, Fließbeton, Schüttbeton, Spritzbeton, …
der Art der Gesteinskörnung in Sandbeton, Kiesbeton, Splittbeton, …
dem Erhärtungszustand in den noch verarbeitbarenFrischbeton, den bereits eingebauten und verdichtetengrünen Beton, denjungen Beton, dessen Aushärtung bereits begonnen hat und schließlich den ausgehärtetenFestbeton,[3]
den Anforderungen zur Qualitätssicherung inRezeptbeton (Herstellungsklasse R nach ÖNORM 4200 bzw. Klasse B I nach DIN 1045) undBeton nach Eignungsprüfung (Herstellungsklasse E bzw. Klasse B II nach DIN).[3]
Ebenso wie Beton istMörtel ein Gemisch aus einemBindemittel,Gesteinskörnung und Zusatzstoffen bzw. -mitteln. Der Unterschied besteht in der Größe des Zuschlags, der bei Mörtel höchstens 4 mm im Durchmesser aufweisen darf. Eine Überschneidung besteht beiSpritzputzen undMauermörteln, die in besonderen Fällen einGrößtkorn von bis zu 16 mm enthalten können, sowie beiEstrich, der im Regelfall mit 8 mm Körnung angemischt wird.
In der zweiten Hälfte des 3. vorchristlichen Jahrhunderts wurde inKarthago oderKampanien eine Betonmischung aus Zement und Ziegelsplittern entwickelt. Diese wurde gegen Ende desZweiten Punischen Krieges erstmals beim Bau von Wohngebäuden in Rom verwendet.[4] Die Römer entwickelten aus dieser Betonmischung in der Folgezeit dasOpus caementitium (opus = Werk, Bauwerk;caementitium =Zuschlagstoff, Bruchstein), aus dessen Namen das Wort Zement abgeleitet ist. Dieser Baustoff, auch als römischer Beton oder Kalkbeton bezeichnet, bestand aus gebranntem Kalk, Wasser und Sand, demmortar (Mörtel), gemischt mitZiegelmehl undVulkanasche,[5] und zeichnete sich durch eine hohe Druckfestigkeit aus. Damit wurden unter anderem dieAquädukte und die Kuppel desPantheons inRom hergestellt, die einen Durchmesser von 43 Metern hat und bis heute erhalten ist.
Eine wesentliche Verbesserung, die von den Römern entwickelt wurde, war die Verwendunginerter Zuschlagsstoffe, die hauptsächlich aus Resten von gebranntem Ziegelmaterial bestanden und die Eigenschaft besitzen, bei Temperaturänderungen keine Risse zu bilden. Dies kann noch heute an Orten in Nordafrika (z. B.Leptis Magna,Kyrene) beobachtet werden, wo es große Estrichflächen gibt, die etwa um 200–300 n. Chr. ausgeführt wurden und die trotz großer Temperaturdifferenzen zwischen Tag und Nacht noch heute völlig frei von Rissen sind.Die außergewöhnliche Jahrtausende überdauernde Haltbarkeit römischer Bauten wird auf die kombinierte Verwendung von Kalk und Branntkalk mittels Heißmischung bei der Betonfertigung zurückgeführt. In der Vergangenheit ging man davon aus, dass bei der Einarbeitung von Kalk in römischen Beton dieser zunächst mit Wasser zu einem hochreaktiven pastösen Material vermischt wurde, ein Prozess, der alsLöschen bezeichnet wird. Nach den Ergebnissen eines Forschungsverbundes bestehend aus demMassachusetts Institute of Technology und dem Instituto Meccanica dei Materiali wurde demgegenüber normaler Kalk und Branntkalk gleichzeitig der Ausgangsmischung zugefügt. Bei der hierdurch verursachtenexothermen Reaktion entstanden sogenannte millimetergroßeKalkklasten mit spezifisch spröder nanopartikulärer Struktur. Bei späterer durch diese Einschlüsse führenden Rissbildungen mit Wassereintritt entsteht eine gesättigte Lösung, die mit dem Kalk reagiert und alsCalcit aushärtet und damit eine weitere Rissbildung unterbindet.[6][7]
Das Wort Beton ist übernommen aus gleichbedeutendem französischbéton, dieses aus altfranzösischbetun (Mörtel, Zement), abgeleitet von lateinischbitumen (schlammiger Sand, Erdharz, Bergteer, Kitt).[8]Bernard de Bélidor beschreibt die Herstellung und Verwendung von Beton in seinem StandardwerkArchitecture hydraulique (Bd. 2, Paris 1753). Das Wort erscheint dann auch in der deutschen ÜbersetzungArchitectura hydraulica (Bd. 2, Augsburg 1769).
Die Entwicklung des Betons in der Neuzeit begann 1755 mit dem EngländerJohn Smeaton. Dieser führte, auf der Suche nach einem wasserbeständigen Mörtel, Versuche mit gebrannten Kalken undTonen durch und stellte fest, dass für einen selbsterhärtenden (hydraulischen) Kalk ein bestimmter Anteil an Ton notwendig ist.
Drei Erfindungen leiteten letztlich den modernen Betonbau ein:
Die desRomanzements 1796 durch den Engländer J. Parker,
die des künstlichen hydraulischen Kalks durchLouis-Joseph Vicat 1818 sowie
Zunächst wurde der Beton noch nicht armiert, sondern als Stampfbeton, ähnlich demPissébau, verwendet. Das älteste und auch erhaltene Gebäude in dieser Technik ist dieVilla Lebrun inMarssac-sur-Tarn, die der BauingenieurFrançois Martin Lebrun für seinen Bruder errichtete.[9]
Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden in Deutschland die ersten aus Beton errichteten Wohngebäude wie die Bahnwärterhäuser der Oberschwäbischen Eisenbahn, einige Mietshäuser der BerlinerVictoriastadt und dieVilla Merkel.
Ein wesentlicher Entwicklungssprung war die Erfindung desStahlbetons durchJoseph Monier (Patent: 1867), durch den die Herstellung auf Zug belasteter Bauelemente möglich wurde, wie etwaPlatten undUnterzüge. Zurückgreifend auf Joseph Monier wirdBewehrungsstahl oderBetonstahl auch heute noch gelegentlich als Moniereisen bezeichnet.
Alicia Penalba, Vertreterin der abstrakten Kunst, beim Erschaffen einer Betonskulptur
Die Betonproduktion ist für etwa sechs bis neun Prozent aller menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich. Dies hat zwei Hauptgründe: das Brennen des für die Betonherstellung benötigten Zements ist sehr energieaufwendig. Der größere Teil des freigesetzten Kohlendioxids löst sich jedoch während des Brennvorganges alsgeogenes CO2 aus dem Kalkstein.[10] Weltweit werden jährlich 4,1 Milliarden Tonnen Zement hergestellt, der im Mittel etwa 60 Prozent CaO enthält. Damit ergibt sich durch das Freisetzen des im Kalk gebundenen Kohlendioxids selbst bei optimaler Prozessführung ein Ausstoß von mindestens zwei Milliarden Tonnen CO2 oder sechs Prozent des weltweiten jährlichen CO2-Ausstoßes. In der Schweiz sind es neun Prozent aller menschengemachten Emissionen.
Weltweit werden eine Reihe von Ansätzen verfolgt, um die Emissionen der Zementherstellung zu begrenzen:[11][12]
Chemische Verfahren, bei denen mehrTonminerale und wenigerKalkstein und Hitze verwendet werden
Ersatz des Zements durch andere hydraulische Bindemittel (Puzzolane) wieHüttensand (Stahlschlacke)
Forscher entwickelten 2020 einen Beton-ähnlichen Werkstoff (living building material, LBM), der bei seiner Produktion keinKohlenstoffdioxid (CO2) freisetzt. Stattdessen wird das Treibhausgas sogar gebunden. Der Werkstoff geht von einer Mischung aus Sand und Gelatine aus, in der Bakterien (Gattung:Synechococcus) das Treibhausgas mittelsPhotosynthese in Form vonCalciumcarbonat (CaCO3) mineralisieren. Der Werkstoff ist ähnlich stabil wie gewöhnlicher Mörtel (Festigkeit: ∼3.5MPa, dies entspricht der Mindestfestigkeit von Portlandzementbasis). Die Forscher sehen das Material nicht als vollständigen Ersatz für Zement, sondern mögliche Einsatzzwecke beispielsweise in Strukturen mit geringer Belastung wie Pflaster, Fassaden und temporäre zivile sowie militärische Strukturen. Interessanterweise konnte mittels Einstellen von Temperatur und Feuchtigkeit die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen kontrolliert werden. In der Studie lebten in dem festen Material nach 30 Tagen bei 50 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit noch 9 bis 14 Prozent der Mikroorganismen.[13][14]
FürSand besteht eine weltweit hohe Nachfrage, da er neben Wasser, Kies und Zement einer der Hauptbestandteile von Beton ist. Der weltweite Abbau von Sand für die Bauwirtschaft und insbesondere die Betonproduktion führt zu einer Verknappung des Rohstoffes. 95 Prozent des weltweit vorhandenen Sands, insbesondere Wüstensand, sind allerdings schlecht für die Betonherstellung geeignet, da die Körner zu fein sind.[15][16] Anders als früher vermutet, spielt die abgeschliffene Form der Körner keine nennenswerte Rolle. Dem Wüstensand fehlen hingegen die Mittel- und Grobsandteile, welche im Beton als Stützkorn essentiell sind.[17][18]
Ein gewisser Prozentsatz des Sand- und Kiesanteils lässt sich durch den beimRecycling von Beton gewonnenen Betonbruch ersetzen (sieheRecyclingbeton).
2018 wurde ein Verfahren patentiert,[19] welches die Verwendung von Wüstensand und Feinsand erlaubt. Der Sand wird in einemMahlwerk zuSteinmehl verarbeitet,[18] das anschließend mit mineralischen Bindemitteln zu einemGranulat vermengt wird. Hieraus lässt sich besonders belastbarer Beton herstellen, der zudem 40 Prozent weniger Zement benötigt. Die Verwendung von Wüstensand lohnt sich in Europa nicht, da die Transportkosten oft ab ca. 50 km den Materialwert übersteigen. Allein in Deutschland fallen jedoch pro Jahr hunderttausende Tonnen bislang ungenutzten Feinsands an. Im Frühjahr 2020 sollten zwei erste Anlagen in Saudi-Arabien und in Ägypten in Betrieb genommen werden. 2019 prüfte das Institut für Angewandte Bauforschung (IAB) in Weimar den Baustoff. Im Erfolgsfall könnte auf Basis eines zertifizierten Prüfberichts des Instituts für Angewandte Bauforschung dasDeutsche Institut für Bautechnik derartigen Beton zur Verwendung in Deutschland freigeben.[20]
Als Frischbeton wird der noch nicht erhärtete Beton bezeichnet. Der Zementleim, also das Gemisch aus Wasser, Zement und weiteren feinkörnigen Bestandteilen ist noch nicht abgebunden. Dadurch ist der Frischbeton noch verarbeitbar, das heißt formbar und zum Teilfließfähig. Während des Abbindens des Zementleims wird der Beton als junger Beton odergrüner Beton bezeichnet. Nachdem der Zementleim abgebunden hat, wird der Beton Festbeton genannt.
Die Zusammensetzung eines Betons wird vor der industriellen Herstellung in einerBetonrezeptur nach Norm festgelegt, die durch Erfahrungswerte und Versuche angepasst wird. Die Zusammensetzung richtet sich insbesondere nach der gewünschtenFestigkeitsklasse, den Umweltbedingungen, denen das spätere Bauteil ausgesetzt sein wird, und der gewünschten Verarbeitbarkeit, beiSichtbeton auch nach dem optischen Erscheinungsbild. Dementsprechend werden Zement, Wasser,Gesteinskörnung,Betonzusatzstoffe undBetonzusatzmittel in einem bestimmten Verhältnis vermischt.
Zur Herstellung eines Kubikmeters Beton der Festigkeitsklasse C25/30 werden ungefähr 300 kg Zement, 180 l Wasser sowie 1890 kg Zuschläge benötigt.Um die genauen Festbetoneigenschaften abzuschätzen, reichen diese Angaben nicht aus. Sowohl der Zement als auch die Zuschläge können je nach gewähltem Produkt die Festigkeit erheblich beeinflussen. Zur Herstellung von kritischen Bauteilen müssen die Eigenschaften der Ausgangsstoffe bekannt und das Mischungsverhältnis durch Messung von Gewicht oder Volumen genau bestimmt werden können.
Bei der nicht-industriellen Herstellung wie aufKleinbaustellen wird in der Regel auf das Abwiegen der Bestandteile verzichtet.
DerWasser-Zement-Wert ist für die Festigkeit und Dichtigkeit von überragender Bedeutung. Von der Dichtigkeit hängt wiederum die Dauerhaftigkeit von Beton ab, der korrosiven Einflüssen ausgesetzt ist. Dies betrifft Stahlbeton, welcher der Witterung ausgesetzt ist. Auch Grundwasser kann korrosive Stoffe beinhalten.
Typischerweise wird zunächst das Anmachwasser mit dem zugehörigen Zementanteil zumZementleim vorgemischt. Meist wird bereits eine gewisse Menge Kies hinzugefügt, um das Vermischen des Zementpulvers mit dem Wasser zu beschleunigen.Wenn es auf den verwendeten Sand oder poröse Zuschläge zuvor geregnet hat, erhöht sich deren Feuchtigkeitsgehalt so deutlich, dass dies beim Mischungsverhältnis zu berücksichtigen ist. Bei Verwendung von feuchten Zuschlägen empfiehlt es sich, einen Anteil des abgemessenen Anmachwassers zurückzuhalten, um die so eingebrachte Feuchte auszugleichen.
Beim manuellen Anmischen wird in einem zweiten Schritt dann nach und nach die Menge an Zuschlag hinzugefügt, die nötig ist, um die gewünschteKonsistenz zu erreichen.[21]
Ein sehr fließfähiger Beton beim Ausbreitversuch zur Konsistenzprüfung
Die Konsistenz des Frischbetons beschreibt, wie fließfähig bzw. steif der Frischbeton ist. Sie ist vorab entsprechend zu wählen, sodass der Beton ohne wesentliche Trennung der gröberen und feineren Bestandteile gefördert, eingebaut und praktisch vollständig verdichtet werden kann. Die dafür maßgebende Frischbetoneigenschaft ist die Verarbeitbarkeit. Die Frischbetonkonsistenz ist vor Baubeginn festzulegen und während der Bauausführung einzuhalten.
Die genormten Konsistenzbereiche erstrecken sich von „(sehr) steif“ über „plastisch“, „weich“ und „sehr weich“ bis hin zu „(sehr) fließfähig“. An die Konsistenzbereiche sind Messwerte geknüpft, die mit genormten, baustellengerechten Verfahren wie demAusbreitversuch, demSetzversuch und demVerdichtungsversuch geprüft und kontrolliert werden können. Das nachträgliche Zumischen vonWasser zum fertigen Frischbeton, z. B. bei Ankunft auf derBaustelle, verbessert zwar die Fließeigenschaften, ist nach den deutschen Vorschriften allerdings unzulässig, da dadurch derWasserzementwert (w/z-Wert) und in der Folge die Festbetoneigenschaften negativ beeinflusst werden. Einem Transportbeton darf vor Ort aberFließmittel beigemischt werden, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Die zulässige Höchstmenge liegt bei 2 l/m³, was aus einem plastischen Beton einen leicht fließfähigen Beton macht.
Die Einbaubedingungen legen die nötige Konsistenz fest. Für Bauteile mit komplizierten Geometrien oder hohen Bewehrungsgraden ist tendenziell ein eher fließfähigerer Beton vonnöten. Auch die Förderung des Frischbetons bestimmt die benötigte Konsistenz. Soll ein Beton beispielsweise mit einerBetonpumpe gefördert werden, sollte die Betonkonsistenz mindestens im plastischen Bereich, d. h.Ausbreitmaßklasse F2, besser F3, liegen.
Beton ist schnellstmöglich nach dem Mischen bzw. der Anlieferung einzubauen und mit geeigneten Geräten zu verdichten. Durch das Verdichten werden die Lufteinschlüsse ausgetrieben, damit ein dichtes Betongefüge mit wenigen Luftporen entsteht. Rütteln, Schleudern, Stampfen, Stochern, Spritzen und Walzen sind je nach Betonkonsistenz und Einbaumethode geeignete Verdichtungsverfahren. Als Verdichtungsgerät kommt auf Baustellen des Hochbaus heutzutage in der Regel derInnenrüttler (auch „Flaschen-“ oder „Tauchrüttler“ genannt) zum Einsatz. Bei der Herstellung hoher Bauteile oder bei sehr enger Bewehrung können auchAußenrüttler („Schalungsrüttler“) verwendet werden. Beim Einbau von Beton für Straßen oder Hallenböden ist eine Verdichtung mit Hilfe von Rüttelbohlen üblich. Rütteltische werden imFertigteilwerk benutzt.
Bereits beim Einbau ist darauf zu achten, dass sich der Beton nicht entmischt, d. h., sich größere Körner unten absetzen und sich an der Oberfläche eine Wasser- oder Wasserzementschicht bildet. Frischbeton darf deshalb nicht aus größerer Höhe in die Schalung fallen gelassen werden. Durch Rutschen, Fallrohre oder Schläuche ist der Beton bis in die Schalung zu leiten, sodass die maximale freie Fallhöhe nicht mehr als 1,5 m beträgt. Um anschließend gut verdichten zu können, muss der Beton außerdem in Lagen von höchstens 50 cm Höhe eingebaut werden. Erst nach der Verdichtung einer Lage folgt die nächste.[22]
Ein Entmischen, sodass sich an der Oberfläche eine wässrige Zementschlämme bildet, kann sich auch bei einer zu großen Rütteldauer einstellen.[23] Das Absondern von Wasser an der Betonoberfläche nach dem Einbau wird auch als „Bluten“ bezeichnet.[24] Die Entmischung wirkt sich insbesondere nachteilig auf die Festigkeit undDauerhaftigkeit des Betons aus. Bei richtiger Verdichtung und passender Konsistenz bildet sich an der Oberfläche nur eine dünne Feinmörtelschicht. Im restlichen Betonkörper sind die Gesteinskörner annähernd gleichmäßig verteilt.
Beim Einbau des Frischbetons sollte die Betontemperatur zwischen +5 °C und +30 °C liegen, anderenfalls sind besondere Maßnahmen erforderlich. Im Winter kann dies z. B. das Heizen der Schalung mit Gebläsen sein. Im Sommer ist gegebenenfalls eine Kühlung des Betons notwendig.[25]
Der Schutz der Betonoberfläche gegen frühzeitige Austrocknung ist zur Erzielung einer rissfreien, dichten und dauerhaften Betonoberfläche erforderlich. DieHydratation des Zements findet nur in feuchtem Milieu statt.
Sonneneinstrahlung und Wind bewirken ein schnelles Austrocknen der Oberfläche. Zur Vermeidung von Schwindrissen ist der Beton im Sommer über mehrere Tage feuchtzuhalten, indem er geflutet oder regelmäßig mit Wasser besprüht wird. Alternativ kann die Verdunstung auch durch das Belassen derBetonschalung, durch das Abdecken der Oberfläche oder durch den Auftrag von filmbildenden Beschichtungen(Curingmittel) eingeschränkt werden. Im Winter ist die Oberfläche zusätzlich vor Frost zu schützen.[26][27]
Die notwendige Zeitdauer der Nachbehandlung kann je nach Betoneigenschaften und Umweltbedingungen zwischen einem Tag und mehreren Wochen betragen. Grundsätzlich sollte so früh wie möglich mit der Nachbehandlung begonnen und diese möglichst lange beibehalten werden.[28]Über die Messung des Kapillardrucks des Betons lassen sich Rückschlüsse auf die zur Aushärtung benötigte Wassermenge ziehen. Eine solche Messung findet jedoch eher in Prüflaboren Anwendung.[26][27]
Der Zement dient alsBindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. DieFestigkeit des Betons entsteht durch dieexotherme Reaktion der Auskristallisierung derKlinkerbestandteile des Zements unter Wasseraufnahme. Es wachsenKristallnadeln, die sich fest ineinander verzahnen. Das Kristallwachstum hält über Monate an, sodass die endgültige Festigkeit erst lange nach dem Betonguss erreicht wird. Es wird aber wie in der DIN 1164 (Festigkeitsklassen von Zement) angenommen, dass bei normalen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen nach 28 Tagen die Normfestigkeit erreicht ist. Neben dieserhydraulischen Reaktion entwickelt sich bei silikatischen Zuschlagstoffen zusätzlich die sogenanntepuzzolanische Reaktion.
DieDruckfestigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften des Betons. DieDIN 1045-2 (Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton) schreibt eine Beurteilung durch die Prüfung nach 28 Tagen Wasserlagerung anhand von Würfeln mit 15 cm Kantenlänge (Probewürfeln) oder 30 cm langen Zylindern mit 15 cm Durchmesser vor. Die Vorschriften für die Geometrie und Lagerung der Prüfkörper sind weltweit nicht einheitlich geregelt und haben sich auch in den einzelnen Normgenerationen geändert. Anhand der ermittelten Druckfestigkeit, die im Bauteil abweichen kann, lässt sich der Beton den Festigkeitsklassen zuordnen. Ein C12/15 hat danach die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit von 12 N/mm² sowie eine charakteristische Würfeldruckfestigkeit von 15 N/mm². Das C in derNomenklatur steht für englischconcrete (deutsch: „Beton“). Im Zuge der Harmonisierung des europäischen Normenwerks sind diese Betonfestigkeitsklassen in der aktuellen Normengeneration europaweit vereinheitlicht. In der folgenden Tabelle sind die Bezeichnungen nach der alten DIN 1045 noch zur Information in der letzten Spalte angegeben.
Die Beton-Festigkeitsklasse ist nicht zu verwechseln mit derZement-Festigkeitsklasse (Normfestigkeit von 32,5, 42,5 und 52,5 N/mm²) nach EN 197.
Druckfestigkeitsklassen für Normalbeton nachEurocode 2 und Bezeichnung nach alter DIN 1045[29]
Spannungsdehnungsbeziehung von Beton für verschiedene Festigkeiten
DerElastizitätsmodul des Betons hängt in hohem Maße von den verwendetenBetonzuschlägen ab. Vereinfachend kann er im linear-elastischen Spannungszustand (d. h. maximal 40 Prozent der Festigkeit) in Abhängigkeit von der Betonfestigkeit nach demEurocode mit derempirischen Gleichung ermittelt werden.[30] Somit beträgt der Elastizitätsmodul bei den Betonfestigkeitsklassen von C12/15 bis C50/60 nach Eurocode zwischen 27.000 N/mm² und 37.000 N/mm².
DieQuerdehnungszahl schwankt im Bereich der Gebrauchsspannungen je nach Betonzusammensetzung, Betonalter und Betonfeuchte zwischen 0,15 und 0,25. Gemäß den Normen kann der Einfluss mit 0,2 bei ungerissenem Beton berücksichtigt werden. Für gerissenen Beton ist die Querdehnungszahl zu Null zu setzen.[30]
DerSchubmodul kann näherungsweise, wie beiisotropen Baustoffen, aus Elastizitätsmodul und Querdehnungszahl errechnet werden.
DieRohdichte des Betons hängt vom Zuschlag ab. Bei Normalbeton beträgt die Trockenrohdichte zwischen 2000 und 2600 kg/m³. Meist können 2400 kg/m³ angesetzt werden. Betone oberhalb von 2600 kg/m³ werden alsSchwerbeton bezeichnet, unterhalb von 2000 kg/m³ alsLeichtbeton.[31]
Leichtbeton hat porige Leichtzuschläge wie Blähton oderBims. Er ist normativ in die Rohdichteklassen 1,0 – 1,2 – 1,4 – 1,6 – 1,8 – 2,0 eingeteilt, welche den Rohdichten zwischen 1000 und 2000 kg/m³ entsprechen. Stahlbeton hat näherungsweise eine um 100 kg/m³ erhöhte Rohdichte.
Abbindeverhalten normalfesten Betons, gut zu erkennen ist die Verbundzone
Eine Schwachstelle im Gefüge des hydratisierten Betons stellt die Verbundzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung dar. Durch die Ansammlung vonEttringit undPortlandit (CH, Calciumhydroxid) an den Rändern der Gesteinskörner können sich keine verfestigendenCSH-Phasen bilden. Das hat eine verringerte Festigkeit in diesem Bereich zur Folge. Durch Zugabe vonPuzzolanen wird das Portlandit über diepuzzolanische Reaktion in CSH-Phasen umgewandelt. Puzzolane sind hochsilikatische Zuschlagsstoffe wieMikrosilika oderFlugasche. Das hochalkalische Milieu löst sie partiell und leitet eine Reaktion mit dem Calciumhydroxyd (CH) zu CSH ohne zusätzliche Wasseraufnahme ein:
Neben der Festigkeit ist diePorosität des Betons ein wichtiges Qualitätskriterium. Die verschiedenen Arten von Poren unterscheiden sich voneinander teilweise stark in Entstehung und Auswirkung. Grundsätzlich sinkt mit steigender Kapillar-, Luft- und Verdichtungsporosität die Festigkeit proportional. Auch eine Verringerung desElastizitätsmodul ist nachweisbar.[33]
Man unterscheidet folgende Arten von Poren:
Gelporen (Ø ca. 0,1–10 nm)
Das physikalisch gebundene Anmachwasser, welches als Gelwasser bezeichnet wird, ist in Gelporen gespeichert. Da immer der gleiche Anteil Wasser in Gelwasser umgewandelt wird, lässt sich ihre Entstehung nicht vermeiden.
Schrumpfporen (Ø ca. 10 nm)
Da die Reaktionsprodukte der Hydratation ein kleineres Volumen als die Ausgangsstoffe haben, kommt es zu Schrumpfvorgängen. Es bilden sich Schrumpfporen. Ihre Entstehung kann ebenfalls nicht vermieden werden.
Kapillarporen (Ø 10 nm – 100 µm)
Bei w/z-Werten > 0,42 bleibt für die Hydratation nicht benötigtes Wasser im Beton zurück, welches mit der Zeit austrocknet und Kapillarporen hinterlässt. Diese sind verantwortlich für Transportprozesse und beeinflussen stark die Festigkeit und den E-Modul des Werkstoffs. Ihr Gesamtvolumen ist durch die Wahl eines günstigen w/z-Werts steuerbar.
Luftporen (Ø 1 µm – 1 mm)
Durch den Mischvorgang gelangt Luft in das Zementgel, welche Luftporen bildet. Sie stellen einen Ausweichraum für gefrierendes Wasser dar und erhöhen somit die Frostbeständigkeit des Betons. Eine gezielte Beeinflussung des Anteils an Luftporen ist durchLuftporenbildner möglich.
Verdichtungsporen (Ø > 1 mm)
Verdichtungsporen haben ihre Ursache in unzureichender Verdichtung des Betons nach dem Einbau. Aufgrund ihrer Größe können sie die Festigkeit des Werkstoffs deutlich beeinflussen. AnSichtbetonoberflächen sind Verdichtungsporen überdies unerwünscht – optisch, haptisch und weil sich Schmutz in den offenstehenden Poren einlagert.
Für Beton kann eineWasserdampfdiffusionswiderstandszahl zwischen 70 (feucht) und 150 (trocken) angesetzt werden. DieWärmeleitfähigkeit beträgt etwa 2,1 W/(m·K) für Normalbeton, die spezifischeWärmekapazität 1000 J/(kg·K). Beide Werte sind jedoch stark vom Zuschlagstoff abhängig. DerWärmeausdehnungskoeffizient beträgt nach den Stahlbetonnormen 10−5/K (z. B. DIN 1045-1:2001-07). Allerdings kann dieser je nach Art desBetonzuschlags, Zementgehalt sowie Feuchtezustand des Betons zwischen 6 und 14 · 10−6/K variieren. DerFeuchtegehalt beträgt bei 23 °C und 50 Prozent relativerLuftfeuchtigkeit 25 Liter Wasser je Kubikmeter Beton und bei 80 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit 40 l/m³. Alle diese Betoneigenschaften sind außerdem erheblich temperaturabhängig und gelten näherungsweise nur deutlich unterhalb 100 °C.
Die mögliche Energieaufnahme eines Betonbauteils bis zum Versagen wird alsArbeitsvermögen bezeichnet. DerGraph desSpannungs-Dehnungs-Diagramms wird bei Beton auchArbeitslinie genannt. Das Arbeitsvermögen ist als die Fläche unter der Arbeitslinie definiert und umfasst damit alleelastischen und irreversiblen Verformungsanteile.[34]
Für die Überprüfung der maßgebenden Frisch- und Festbetoneigenschaften wird der Beton in drei Überwachungsklassen eingeteilt. Daraus ergibt sich der Umfang und die Häufigkeit der Prüfungen, was in DIN 1045-3 geregelt ist. Beton der Überwachungsklassen 1, 2 und 3 ist u. a. durch Eigenüberwachung der ausführenden Firma und eine anerkannte Überwachungsstelle zu überprüfen. Wobei die Prüfungen in der Überwachungsklasse 1 nur der Selbstkontrolle der ausführenden Firma dient. Die Überwachungsklasse 2 wird bei Betonen mit erhöhten Anforderungen wie z. B.WU-, Spann-, Unterwasser- und Strahlenschutzbeton usw. angewandt. Geprüft wird mit mindestens drei Probekörpern jeden 3. Betoniertag oder alle 300 m³. In der Überwachungsklasse 3 erfolgt die Prüfung mindestens jeden Betoniertag oder alle 50 m³.[35]
Unter einerBetonsorte[36] versteht man die festgelegten (Mindest-)Betongüteeigenschaften (Betonfestigkeitsklasse undExpositionsklasse). Hingegen unterBetongüte[36] versteht man sämtliche den aufgrund der Betonzusammensetzung und Verarbeitung tatsächlich ergebende Eigenschaften, also die tatsächliche Festigkeit und die tatsächliche Beständigkeit, aber auch der tatsächliche Porengehalt sowie den tatsächlichen Standardabweichungen von Eigenschaften.Lieferwerke haben meist eine Auswahl von Standardbetonsorten, die von Kunden bestellt werden können. Für diese liegen jeweils Betonrezepturen und Prüfberichte vor, die die jeweils geforderte Güte sicherstellen. Bei großen Bauvorhaben und Spezialvorhaben stellen die Bauunternehmen gegebenenfalls in Absprache mit dem Bauherrn und den Lieferwerken eigene Betonsorten in einem Sortenverzeichnis zusammen.
Alle Betone lassen sich entsprechend ihrer Herstellung, ihrer Einbauart oder ihrer besonderen Eigenschaften unterscheiden. Dabei gehört ein Beton nicht zwangsläufig nur einerArt an. Ein und dasselbe Produkt wird meist mehreren Kategorien zugeordnet. Beispielsweise ist jeder Beton entweder ein Transport- oder ein Baustellenbeton. Abhängig von den Eigenschaften sind diese Betone dann z. B. Luftporenbetone, hochfeste Betone usw. Die verwendeten Bezeichnungen der gebräuchlichen Betone sind in derListe gebräuchlicher Betone aufgeführt.
Für dauerhafte Betonbauwerke müssen die verlangten Gebrauchseigenschaften und die Standsicherheit unter den planmäßigen Beanspruchungen über die erwartete Nutzungsdauer bei normalem Unterhaltsaufwand konstant sein. Wichtig sind für eine ausreichendeDauerhaftigkeit des Betons die Betonzusammensetzung (Wasserzementwert und Zementgehalt), die Festigkeitsklasse, die Verdichtung und die Nachbehandlung des Betons.
Beton ist ein chemisch instabiler Baustoff. Verschiedene innere und äußere Einflüsse können die Beständigkeit von Beton nachhaltig beeinflussen. Durch die typische Anwendung von Beton im Verbund mitBewehrung ausStahl ergeben sich weitere die Dauerhaftigkeit von Beton beeinflussende Faktoren, wie zu geringe Überdeckung des Bewehrungsstahles durch Beton. Daher erfolgt mit denExpositionsklassen eine Klassifizierung der chemischen und physikalischen Umgebungsbedingungen, denen der Beton ausgesetzt ist, woraus die Anforderungen an die Zusammensetzung des zu verwendenden Betons sowie bei Stahlbeton die Mindestbetondeckung folgen.
Oberflächenschutzsysteme, wie Anstriche oder die Imprägnierung der Betonoberflächen mit einem Hydrophobierungsmittel, dienen der Verbesserung der Dauerhaftigkeit und können sowohl direkt nach der Herstellung aufgebracht werden oder im Zuge einer Betoninstandsetzung eine Maßnahme zur Lebensdauerverlängerung darstellen.
ZurBetoninstandsetzung zählen zudem alle Maßnahmen, bei denen Schäden (Risse, Abplatzungen usw.) behoben und die ursprünglichen Schutzeigenschaften des Betons möglichst wiederhergestellt oder verbessert werden. Die Instandsetzungsmaßnahmen werden von spezialisiertenBetoninstandsetzern durchgeführt.
ImBrückenbau, besonders bei Autobahnbrücken, wird der kathodischeKorrosionsschutz (KKS) mittels Fremdstromanode durchgeführt. Dazu wird einAnodengitter aus beschichtetemTitan auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht und mitSpritzbeton circa 2 cm bis 3 cm eingespritzt. Der Spritzbeton dient dabei alsElektrolyt. Der Strom wird überGleichrichter in die Bewehrung eingeleitet und so der kathodische Schutz erreicht. Die Maßnahme wird mit einem automatischen Überwachungssystem laufend überprüft.
Korrosion von Baustahl
Anodengitter für den KKS
Korrosion eines Pfeilers der Lieserschluchtbrücke
Zur Reduzierung desEigengewichtes von Betonteilen werden unter anderem sogenannteVerdrängungskörper eingebaut. Dies bewirkt, dass Hohlräume entstehen und weniger Beton notwendig ist. Häufig wird das bei Plattenkonstruktionen angewendet.
Früher wurden hierfür Teile ausPolystyrolschaum und anderen Schaumstoffen genutzt, die heute wegen nachteiliger Auswirkungen bei Bränden nicht mehr gestattet sind. Derzeit werden Kugeln oder würfelförmige Elemente ausPolyethylen oderPolypropylen eingesetzt, wodurch bis zu einem Drittel des Betons und folglich des Eigengewichtes eingespart werden kann. So sind große Bauteile, z. B. Dachkonstruktionen, mit Stützweiten von bis zu 19 Metern möglich.
Aufgrund von größeren Bauschäden aus der Vergangenheit ist in Deutschland der Einbau von Verdrängungskörpern beiBrückenbauten nicht mehr zulässig.
Die Bezeichnung „Beton“ wird auch in Zusammenhang mit anderen Baustoffen verwendet und soll deren hohe Festigkeit oder deren Zusammensetzungsprinzip beschreiben.
Faserbeton ist eine Erweiterung des künstlichen Baustoffes Beton. Es werden dem Beton bei der Herstellung Fasern zugegeben, um die Materialeigenschaften wieZug-,Druck- undScherfestigkeit sowie dasBruch- und Rissverhalten zu verbessern. Damit kann der Faserbeton im Gegensatz zu Beton besser Zugkräfte übernehmen. Dies führt unter anderem zu der Möglichkeit, jegliche Körperform statisch tragend herzustellen.
Asphaltbeton ist eine Bezeichnung für ein Gemisch aus Bitumen und Gesteinskörnung. Der Namensteil „-beton“ verweist hier auf das „Betonprinzip“ der Mischung, d. h., wie beim Baustoff Beton sind im Asphaltbeton verschiedene Gesteinskörnungsgrößen gleichmäßig verteilt und vollständig von Bindemittel ummantelt.
Mineralbeton ist eine Bezeichnung für ein hochverdichtetes Mineralstoffgemisch, meist unter Verwendung eines hohen Anteils gebrochenen Korns. DieSieblinie ist gemäß derFuller-Parabel aufzubauen, es ist der für die Verdichtung optimale Wassergehalt einzustellen. Beim Einbau sind Entmischungen zu vermeiden. Mineralbeton wird ohne Bindemittel zu einem hochstandfesten Baustoff, der etwa im Straßenoberbau verwendet wird. Gängiges Produkt ist die korngestufteSchottertragschicht mit 0 bis 32 mm gemäß ZTV SoB-StB 20.[37]
Schwefelbeton ist eine Mischung ausQuarzsand,Kalkstein oderSchottersteinen, der als Bindemittel 15–20 ProzentSchwefel beigemischt wird. Der Schwefel wird vorher mit dimerenCyclopentadien modifiziert und als plastischer Schwefel stabilisiert. Der Schwefelbeton verfügt gegenüber Beton über eine höhere Druck- und Zugfestigkeit sowie Frühfestigkeit, ist wesentlich korrosionsbeständiger gegenüber Säuren und Salzlösungen und hat eine um 40 Prozent bessere CO₂-Bilanz. Nachteilig sind das Erweichen bei Temperaturen über 120 °C und die Brennbarkeit. Die Einsatzmöglichkeit von Schwefelbeton ist dort von Bedeutung, wo er im Freien herkömmlichen Beton ersetzen kann, z. B. Eisenbahnschwellen,[38] oder Lagerung bzw. Umfüllung von aggressiven Chemikalien oder grundwasserschädlichen Stoffen. Die Verwendung ist in Deutschland bisher eingeschränkt.[39][40]
Kunstharzbeton nutzt – genauso wieKunstharzmörtel –ungesättigtes Polyesterharz,Methacrylatharz oderEpoxidharz als Bindemittel. Zement wird für die Festigkeit nicht benötigt. Hier kommen Härter und Beschleuniger in geringen Mengen zum Einsatz. Das Prinzip, Anwendungsbereiche und Verarbeitung sind allerdings typisch für Beton. Aufgrund der schnellen Aushärtung eignet sich der Beton gut für Ausbesserungen. Im Vergleich zu zementgebundenem Beton ergibt sich eine deutlich höhere Zugfestigkeit und ein kleiner Elastizitätsmodul.[41]
Beton, dessen Oberfläche nach Fertigstellung des Bauwerks noch sichtbar ist, wird allgemein als Sichtbeton bezeichnet. Im engeren Sinne bezeichnetSichtbeton Betonoberflächen mit besonderer gestalterischer Qualität.
Im Architekturstil desBrutalismus wurde demgegenüber gerade der rohe, unverfeinerte Beton als gestalterisches Mittel eingesetzt. Die Bauwerke des Brutalismus beeindrucken eher durch ihre Grobstruktur, d. h. durch ihreKubatur, als durch die Oberflächenqualität.
Ein Verfahren, bei dem Aushubmaterial mit 300 km/h weggeschleudert wird, wurde von einem Westschweizer Unternehmen, Pittet Artisans, entwickelt.[42] Das Material hat vergleichbare Eigenschaften wie Beton, kostet aber weniger und stößt wesentlich weniger CO2 aus, gemäß Studien derHochschule für Wirtschaft und Ingenieurwissenschaften des Kantons Waadt[43].
Peter Grübl, Helmut Weigler, Sieghart Karl:Beton – Arten, Herstellung, Eigenschaften. Ernst & Sohn, Berlin 2001,ISBN 3-433-01340-3.
Konrad Zilch, Gerhard Zehetmaier:Bemessung im konstruktiven Betonbau. Springer, Berlin 2009,ISBN 978-3-540-70637-3.
Roland Pickardt, Thomas Bose, Wolfgang Schäfer:Beton – Herstellung nach Norm: Arbeitshilfe für Ausbildung, Planung und Baupraxis. 19. Auflage. Bau + Technik, Düsseldorf 2012,ISBN 978-3-7640-0542-9.
↑Eva-Maria Krech, Eberhard Stock, Ursula Hirschfeld, Lutz Christian Anders:Deutsches Aussprachewörterbuch. 1. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin, New York 2009,ISBN 978-3-11-018202-6,S.369.
↑abcBeton, der. duden.de, Cornelsen Verlag GmbH, Berlin, Deutschland, abgerufen am 30. November 2022.
↑abcG. Stehno:Baustoffe und Baustoffprüfung. Springer-Verlag, 2013, S. 93ff.(books.google.de)
↑Frank Kolb:Rom. Die Geschichte der Stadt in der Antike. C. H. Beck. München 2002,ISBN 3-406-46988-4, S. 230.
↑Daniela Albat:Forscher entwickeln lebenden Beton. In:scinexx | Das Wissensmagazin. 16. Januar 2020 (scinexx.de [abgerufen am 23. April 2020]).
↑Chelsea M. Heveran, Sarah L. Williams, Jishen Qiu, Juliana Artier, Mija H. Hubler:Biomineralization and Successive Regeneration of Engineered Living Building Materials. In:Matter.Band2,Nr.2, 5. Februar 2020,S.481–494,doi:10.1016/j.matt.2019.11.016.
↑Sand wird knapp von der Allerwelts-Ware zum gesuchten Rohstoff.
↑abMichael Gassmann:Rohstoff: Zwei Deutsche wissen, wie man aus Wüstensand Beton macht. 22. Januar 2019 (welt.de [abgerufen am 29. Oktober 2019]).
↑Patent DE102017006720: Baustoffgranulat, Verfahren zum Herstellen eines Baustoffgranulats auf Basis von Mineralkörnern und seine Verwendung. Veröffentlicht am 21. Juni 2018, Erfinder: Helmut Rosenlöcher, Dagmar Tretbar.
↑abDIN EN 1992-1-1:Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Deutsche Fassung EN 1992-1-1:2004 + AC:2010, S. 27 ff.
↑DIN 1045-1 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Teil 1: Bemessung und Konstruktion, Abs. 3.1.4 bis 3.1.5
↑abAustrian Standards:ÖNORM B 4710-1: 2018 01 01 - Beton - Festlegung, Eigenschaften, Herstellung, Verwendung und Konformität - Teil 1: Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN 206 für Normal- und Schwerbeton. 1. Januar 2018 (bka.gv.at [abgerufen am 12. Januar 2024]).
↑Curtoa, L. Lanzonib, A.M. Tarantinob, M. Viviani: Shot-Eart for Sustainable Constructions. In: Construction and Building Materials, 2020, vol. 239, no. 10, article no. 117775. Abgerufen am 12. Juni 2023.
