Beton - damit kannten sich schon die Römer aus

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Jeder kennt ihn, doch kaum einer weiß genaueres über ihn - den Beton. Dabei bauten schon die alten Römer vor zweitausend Jahren mit Beton so eindrucksvolle Bauten wie das Pantheon oder das Kolosseum. Auch in unserer Zeit zählt der Beton immer noch zu den wichtigsten Baustoffen. Deshalb wird es Zeit, etwaige Wissenslücke zu schließen und Sie etwas genauer mit dem vielseitigen Baumaterial vertraut zu machen. Theoretisch beschäftigen sich Bauingenieur­studenten mit Wasserzementwert, Hydratationsgrad, Spannungs-Dehnungslinien und ähnlich "spannenden" Dingen. Praktisch geht es auf der Baustelle beispielsweise um das richtige Einbringen und Verdichten des Betons. Bei uns erfahren Sie einiges über die Bestandteile, Eigenschaften und Verarbeitung des Betons.

Bestandteile des Betons

  •  Zuschläge
  •  Zement
  •  Zement - Arten und Zusammensetzung
  •  Zement - Eigenschaften und Verwendung
  • Betonzusatzmittel und -zusatzstoffe

  Betoneigenschaften

  • Konsistenz des Frischbetons
  • Wasserzementwert
  • Druckfestigkeit des Festbetons

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Bestandteile des Betons

Beton ist ein künstliches Gemisch, bestehend aus Zuschlägen (Sand und Kies), Zement, Wasser und eventuell noch Zusatzstoffen und -mittel, welche die Betoneigenschaften beeinflussen. Die Anteile von Zuschlag, Wasser und Zement sind abhängig von der gewünschten Festigkeit und Verarbeitbarkeit des Betons. Im Normalfall nimmt der Zuschlagstoff etwa 70%, der Zement 12% und das Wasser 18% des Betonvolumens ein. Das Gemisch aus Wasser und Zement nennt man Zementleim. Dieser erhärtet und wird zum Zementstein und übernimmt beim Festbeton die Aufgabe des Bindemittels.

 

1.) Zuschläge

beton2.gifZuschläge sind ein Gemenge aus natürlichen oder künstlichen, verschieden großen Gesteinskörnern. Bei der Betonbereitung sollten die verschiedenen Kornfraktionen getrennt zugeführt werden. Je nach Anforderung und Verwendung des Betons, gehören zu einem Betonrezept mindestens zwei bis drei verschiedene Korngruppen. Eine Korngruppe beinhaltet Gesteinkörner einer bestimmten Größe, z.B. mit einem Durchmesser zwischen 16 mm und 32 mm oder zwischen 1 mm und 4 mm. Der prozentuale Anteil einer Korngruppe am Gesamtzuschlag wird über die Sieblinie dargestellt, die durch den Siebversuch ermittelt wird.


Beim Siebversuch liegen 10 Siebe mit unterschiedlicher Maschenweite übereinander, so daß bei jedem Sieb eine Korngruppe auf dem Sieb zurückbleibt. Die Beurteilung eines Zuschlags erfolgt über die sogenannten Regel- oder Grenzsieblinien. Grenzsieblinien gibt es für ein Größtkorn von 8 mm, 16 mm, 31,5 mm und 63 mm. Liegt ein Zuschlag über der Grenzsieblinie C, ist er zu sandreich und für die Betonherstellung nicht geeignet. Ebenfalls nicht geeignet ist Zuschlag, der sich unterhalb der Grenzlinie A befindet, da er zu grobkörnig ist. Brauchbar ist ein Korngemisch, daß im Bereich zwischen den Grenzsieblinien B und C sich befindet. Günstigsterweise liegt der Zuschlag jedoch zwischen den Grenzsieblinien A und B. Ein werkgemischter Zuschlag darf ein Größtkorn von 32 mm besitzen. Das Größtkorn im Zuschlag ist jedoch so zu wählen, wie es Mischen, Fördern, Einbringen und Verdichten des Betons es erfordern. Das Größtkorn darf 1/3 der kleinsten Bauteilabmessung nicht überschreiten. Zudem muss der überwiegende Teil des Zuschlags kleiner als der Abstand der Bewehrungsstäbe sein oder bei geringer Betondeckung kleiner als der Abstand zwischen Bewehrung und Schalung.

2.) Zement

Die Bezeichnung "Zement" stammt von den Römern, die ein betonartiges Mauerwerk mit gebranntem Kalk als Bindemittel "Opus Caementitium" nannten. Zemente sind feingemahlene hydraulische Bindemittel mit unterschiedlichen Eigenschaften und Festigkeitsklassen. Hydraulisches Bindemittel bedeutet, daß es durch Reaktion mit Wasser abbindet und erhärtet und nach dem Erhärten auch unter Wasser fest und beständig bleibt. Zur Zementherstellung werden Kalkstein und Ton benötigt, deren Gemisch in der Natur beipielsweise als Mergel vorkommt. Das Rohmaterial wird im Tagebau abgebaut, gebrochen, getrocknet, in einem bestimmten Massenverhältnis miteinander gemischt und fein gemahlen; es entsteht dadurch das Rohmehl.


Das Rohmehl wird bei etwa 1450°C zu Zementklinker gebrannt. Diese haben eine rundliche Form und einen Durchmesser von etwa ein bis zwei Zentimeter. Nach dem Abkühlen wird der Zementklinker mit etwas Gips und hydraulisch wirksamen Stoffen (z.B. Hüttensand, Flugasche) und/oder Kalkstein fein zu Zement gemahlen. Zement ist hygroskopisch, das heißt er kann Feuchtigkeit aus der Luft und aus dem Boden aufnehmen und bildet dann Zementklumpen. Man kann diesen Zement zwar, wenn er sich zwischen den Fingern zerdrücken läßt, noch verwenden, doch die Festigkeit des damit hergestellten Betons oder Mörtels verringert sich. Deshalb müssen Zementsäcke, die im Freien gelagert werden, sorgfältig vor Feuchtigkeit und Schlagregen geschützt werden.

Zementarten und -zusammensetzung

Zement ist in drei Hauptarten mit verschiedenen Mischungsverhältnissen eingeteilt. Folgende Zementarten gibt es nach der Zementnorm DIN 1164

ZementartBenennungKurzzeichen
CEM IPortlandzementCEM I
CEM IIPortlandhüttenzementCEM II/A-S
CEM II/B-S
PortlandpuzzolanzementCEM II/A-P
CEM II/B-P
PortlandflugaschezementCEM II/A-V
PortlandölschieferzementCEM II/A-T
CEM II/B-T
PortlandkalksteinzementCEM II/A-L
PortlandflugaschehüttenzementCEM II/B-SV
CEM IIIHochofenzementCEM III/A
CEM III/B

Der Hauptbestandteil für Zemente CEM I und CEM II ist Portlandzementklinker, für CEM III ist es Hüttensand und Portlandzementklinker. Die Kurzeichen hinter CEM geben die weiteren Bestandteile des Zements an und bedeuten folgendes:

A = größerer Anteil Portlandzementklinker

B = kleinerer Anteil Portlandzementklinker

S = Hüttensand

P = Natürliches Puzzolan

V = Kieselsäurereiche Flugasche

T = gebrannter Schiefer

L = Kalkstein

Zement - Eigenschaften und Verwendung

Die wichtigste Eigenschaft des Zements ist die Festigkeit. Zemente werden nach der Druckfestigkeit in drei Klassen (32,5; 42,5 und 52,5) eingeteilt, wobei die Zahlenwerte die Mindestdruckfestigkeit nach 28 Tagen in N/mm² angeben. Jede Festigkeitsklasse enthält zwei Zemente, einen Zement mit üblicher Anfangsfestigkeit und einen Zement mit hoher Anfangsfestigkeit, der mit R (=rapid) gekennzeichnet ist. Das bedeutet, daß nach zwei Tagen eine höhere Festigkeit erreicht werden muß, als bei einem Zement der gleichen Festigkeitsklasse ohne Zusatz "R".

Festigkeitsklassen von Zement nach DIN 1164
FestigkeitsklasseDruckfestigkeit in N/mm²
AnfangsfestigkeitNormfestigkeit
2 Tage7 Tage28 Tage
32,5-sondz.gif 16sondz.gif 32,5sondz1.gif 52,5
32,5 Rsondz.gif 10-
42,5sondz.gif 10-sondz.gif 42,5sondz1.gif 62,5
42,5 Rsondz.gif 20-
52,5sondz.gif 20-sondz.gif 52,5-
52,5 Rsondz.gif 30-
 
Eine Bezeichnung eines Zements könnte demzufolge beispielsweise folgendermaßen lauten:

Portlandhüttenzement CEM II/AS 32,5 R

Dies ist ein Portlandhüttenzement mit den Hauptbestandteilen Portlandzementklinker (größerer Anteil) und Hüttensand. Die Normfestigkeit nach 28 Tagen beträgt mindestens 32,5 N/mm² und die Anfangsfestigkeit nach zwei Tagen mindestens 10 N/mm².


Unabhängig von der Festigkeitsklasse werden die Zemente CEM I, CEM II und CEM III folgendermaßen verwendet:

Portlandzement

CEM IHochwertiger, schnell erhärtender Zement.
Für fast alle Anwendungsgebiete geeignet.

Portlandhüttenzement

CEM IIWegen seiner geringen Wärmeentwicklung für massige Bauteile geeignet.

Portlandpuzzolanzement

Geschmeidiger, dichter Mörtel, der wenig zu Ausblühungen neigt. Eignet sich daher für wasserundurchlässige Mörtel und Beton.

Portlandflugaschezement

Durch die hydraulische Eigenschaften der Flugasche zur Festigkeitssteigerung geeignet.

Portlandölschieferzement

In Deutschland nur als braun gefärbter Zement hergestellt.

Portlandkalksteinzement

Dieser klebrige Zement eignet sich besonders zur Herstellung von Leichtbeton.

Portlandflugaschehüttenzement

Gute Nachhärtung und eine normale Wärme- und Festigkeitsentwicklung

Hochofenzement

CEM IIIEntwickelt beim Erhärten weniger Wärme und hat daher eine etwas geringere Anfangsfestigkeit. Eignet sich zum Betonieren massiger Bauteile.

3.) Betonzusatzmittel und -zusatzstoffe

Durch Betonzusatzmittel lassen sich die Eigenschaften des Frisch- und Festbetons beeinflußen. Diese Zusatzmittel sind flüssige oder pulverförmige Stoffe, die beispielsweise Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit oder den Erstarrungbeginn haben. Die Menge der Zusatzmittel muss jedoch durch eine Eignungsprüfung sorgfältig geprüft werden, denn was auf eine Betoneigenschaft positive Auswirkungen hat, kann auf sich auf eine andere Eigenschaft negativ auswirken.

Betonzusatzstoffe sind mineralische und organische Stoffe, die bestimmte Betoneigenschaften beeinflussen. So kann beispielsweise der Gehalt an Mehlkorn, das heißt der feinsten Körner im Beton bis 0,125 mm Durchmesser, erhöht werden. Auch organische Zusatzstoffe wie beispielsweise Kunstharzzusätze werden zugegeben, um Zugabewasser einzusparen und die Verarbeitbarkeit des Frischbetons zu verbessern. Betonzusatzstoffe sind auch Farbmittel zum Einfärben des Betons. Farbmittel sind meist Metalloxide, wie z.B. Eisenoxid für Rot, Gelb, Braun und Schwarz oder Chromoxid für Grün.

Folgende Zusatzmittel finden zur Zeit Verwendung:

BetonzusatzmittelVerwendung

Betonverflüssiger (BV)

Ermöglichen eine Verminderung der Wasserzugabe um bis zu 10 %. Die Verarbeitbarkeit des Frischbetons wird verbessert. Die Entmischungsgefahr wird geringer, das Bluten verhindert.

Fließmittel (FM)

Besonders stark wirkende Verflüssiger. Sie ermöglichen bei normaler Wassermenge die Herstellung eines Betons in fließfähiger Konsistenz. Der Beton läßt sich leichter und wirtschaftlicher einbauen.

Luftporenbildner (LP)

Erzeugen kleine, geschlossene Luftporen. Der Beton wird geschmeidiger und läßt sich besser verarbeiten. Widerstand gegen Frost und Taumittel wird erhöht.

Betondichtungsmittel (DM)

Dichtungsmittel setzen die Wasseraufnahme herab und vermindern die Kapillarwirkung.

Erstarrungsverzögerer (VZ)

Die Wärmeentwicklung verlangsamt sich und der Erstarrungszeitpunkt schiebt sich hinaus. Dadurch läßt sich der Beton länger verarbeiten und die Hydrationsvorgänge laufen langsamer ab. Dies ist günstig bei massigen Bauteilen und beim Betonieren bei hohen Außentemperaturen.

Erstarrungsbeschleuniger (BE)

Beschleuniger verkürzen die Erstarrungszeit, fördern aber die Korrosion und dürfen daher nicht bei Stahlbeton eingesetzt werden. Werden verwendet bei Betonfertigteilen zur Steigerung der Frühfestigkeit, bei Reparaturmörtel zum Schließen wasserundichter Stellen sowie bei Spritzbeton.

Einpreßhilfen (EH)

Erleichtern im Spannbetonbau das Einpressen des Zementmörtels und verbessern das Fließen in den Spannkanälen.

Stabilisierer (ST)

Stabilisierer machen Sichtbetonflächen glatter. Der Frsichbeton wird homogener und gleitfähiger und läßt sich damit besser verarbeiten und leichter pumpen. Stabilisierer werden vor allem auch bei Leichtbeton eingesetzt, da durch die Homogenität der Leichtzuschlag beim Glätten nicht aufschwimmt.

 

Betoneigenschaften

Die wichtigsten Betoneigenschaften sind die Konsistenz und der Wasserzementwert des Frischbetons sowie die Druckfestigkeit des Festbetons.

1.) Konsistenz des Frischbetons

Die Konsistenz nach DIN 1045 bezeichnet Steifigkeit, Beweglichkeit und Zusammenhang des Frischbetons bei der Verarbeitung. Sie wird durch den Wassergehalt bzw. durch die Menge des Zementleims im Beton bestimmt und richtet sich nach der Art des Bauwerks und des Betoneinbaus. Feingliedrige Querschnitte und dicht bewehrte Bauteile erfordern in der Regel einen weichen Beton, in anderen Fällen ist ein steifer oder plastischer Beton notwendig. In der DIN werden vier Konsistenzbereiche unterschieden. Ermittelt wird die Konsistenz eines Betons durch Prüfungen nach DIN 1048. Mit der Ausbreitprüfung wird das Ausbreitmaß a und mit der Verdichtungsprüfung das Verdichtungsmaß v festgestellt. Anhand der Prüfungsergebnisse kann der Beton dem entsprechenden Konsistenzbereich zugeordnet werden.

KonsistenzbereichEigenschaften beim SchüttenVerdichtungsmaß vAusbreitmaß a [cm]
KS (steif)Noch losesondz.gif 1,20-
KP (plastisch)Schollig bis knapp zusammenhängend1,19 bis 1,0835 bis 41
KR (weich)Gut zusammenhängend, schwach fließend1,07 bis 1,0242 bis 48
KF (fließfähig)Gut fließend-49 bis 60
 

2.) Wasserzementwert

Das Verhältnis von Wasser zu Zement im Zementleim des Frischbetons, der Wasserzementwert w/z, ist entscheidend für die Qualität des Betons.

beton3.gif

Bei 140 l = 140 kg Wasser und 280 kg Zement ergibt sich demzufolge ein Wasserzementwert von 0,5 (140/280). Bei gleicher Wassermenge und 350 kg Zement verringert sich der Wasserzementwert auf 0,4 (140/350).

Je höher der Wasserzementwert (also je mehr Wasser verwendet wird), desto besser läßt sich der Beton verarbeiten und verdichten. Jedoch nimmt die Qualität des Betons nach der Erhärtung bei höheren Wasserzementwerten auch ab. Zum Erhärten des Betons ist ein w/z-Wert von etwa 0,4 notwendig. Ein Beton mit solch einem Wert ist jedoch nicht verarbeitbar, weshalb die Wassermenge erhöht wird. In diesem Fall wird nicht das ganze Wasser bei der chemischen Reaktion (Hydration) mit dem Zement benötigt und liegt als Überschußwasser im Beton vor. Der Raum, welcher durch das Überschußwasser im Beton eingenommen wird, bezeichnet man als Kapillarporenraum. Diese Kapillarporen sorgen dafür, daß die Festigkeit herabgesetzt wird und der ausgehärtete Beton mehr Wasser aufsaugen kann. Dies führt wiederum dazu, daß dieser Beton anfälliger gegen Frostschäden ist und es zu Abplatzungen kommen kann. Frischbeton mit hohem Wassergehalt schwindet beim Aushärten zudem stärker, wodurch Risse entstehen.

3.) Druckfestigkeit von Normalbeton

Die DIN 1045 unterteilt Normalbeton in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit in verschiedene Überwachungsklassen ein. Früher kannte man die z.B. die Bezeichnungen B15 oder B25, wobei das "B" für Beton stand. Heute denkt man europäisch und so wird mit der Bezeichnung "C" für concrete (deutsch: Beton) gearbeitet. Insgesamt ist die Druckfestigkeit die wichtigste Eigenschaft von Beton, d.h. je druckfester, desto besser. Anhand der im Labor an einem Würfel ermittelten Druckfestigkeit wird die Festigkeitsklasse festgelegt. Hat der Zylinder z.B. eine charakteristische Druckfestigkeit von 20 N/mm², so wird der der Festigkeitsklasse C20/25 zugeordnet.


ÜberwachungsklasseFestigkeitsklassecharakteristische Zylinderdruckfestigkeit fck (N/mm²)Mittelwert der Zylinderdruckfestigkeit fcm (N/mm²)Mittlere Zugfestigkeit fctm (N/mm²)
1C8/10*8--
C12/1512201,6
C16/2016241,9
C20/2520282,2
C25/3025332,6
2C30/3730382,9
C35/4535433,2
C40/5040483,5
C45/5545533,8
C50/6050584,1
3C55/6755634,2
C60/7560684,4
C70/8570784,6
C80/9580884,8
C90/10590985,0
C100/1151001085,2