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Beton

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Datei:Beton angeschliffen.jpg
Querschnitt durch Beton
Datei:BetonBild 090225 Transportbeton.jpg
Betonverarbeitung auf einer Baustelle
Datei:Erneuerung Viadukt Gaberndorf.jpg
Links noch eingeschalter Stahlbeton, rechts der bereits erhärtete Beton im fertigen Zustand.
Datei:CT image stack concrete from beach Montpellier, France.avi.ogg
Flug durch einen µCT-Bildstapel eines Stückes Beton, gefunden am Strand von Montpellier, Frankreich. Durch langen Salzwasser-Kontakt haben sich die Calcium-basierten Füllstoffe (Muschel- und Schneckenschalen) aufgelöst und Lufteinschlüsse hinterlassen.

Beton [beˈtõ, beˈtɔŋ] (österr. und z.T. bayr. [beˈtoːn], schweiz. [ˈbetɔ̃]; vom gleichbedeutenden franz. Wort béton) ist ein Baustoff, hergestellt als ein Gemisch aus einem Bindemittel und einer Gesteinskörnung.

Für den künstlich hergestellten Stein kommt in der Regel das Bindemittel Zement zum Einsatz. Die Gesteinskörnung (früher Zuschlag) setzt sich üblicherweise aus Kies und Sand zusammen. Zugabewasser (früher Anmachwasser) führt dazu, dass das Bindemittel chemisch reagiert, dabei erhärtet und ein festes, disperses Baustoffgemisch entsteht. Das Wasser wird bei diesem Prozess zum größten Teil chemisch gebunden. Ein frischer Beton trocknet deshalb nicht während der Erhärtung, sondern benötigt viel mehr Wasser zum Abbinden, um seine Festigkeit zu entwickeln. Beton kann außerdem Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten, die die Eigenschaften des Baustoffs gezielt beeinflussen.

Beton wird in modernen Anwendungen oft nicht allein, sondern als Hauptbestandteil eines Verbundwerkstoffs eingesetzt. In Verbindung mit Betonstahl oder Spannstahl kann Stahlbeton bzw. Spannbeton hergestellt werden. Durch die Zugabe von Stahl-, Kunststoff- oder Glasfasern lässt sich ein Faserbeton herstellen.

Grundlegende Eigenschaften und Verwendung

Der Baustoff Beton zeichnet sich besonders durch seine Druckfestigkeit aus. Im Bauwesen als Konstruktionsbaustoff verwendeter Beton hat üblicherweise mindestens eine Druckfestigkeit von 20 Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²). Das entspricht in etwa der Gewichtskraft einer Masse von 200 Kilogramm auf einen Quadratzentimeter. Beton mit geringerer Festigkeit wird meist nur als Behelfsmaterial, z.B. für Sauberkeitsschichten oder Verfüllungen, verwendet. Moderne Hochleistungsbetone hingegen erreichen mittlerweile Festigkeiten von über 150 N/mm². Alle Betone gemeinsam haben, dass sie Zugspannungen nur in geringem Umfang aufnehmen können. Für die meistens eingesetzten Normalbetone gilt die Faustformel, dass die Zugfestigkeit ca. 10% der Druckfestigkeit beträgt. Beton wird daher in der Regel als Stahlbeton hergestellt, indem Bewehrungsstahl in Form von Stäben oder Matten in den Bereichen eingelegt wird, in denen bei Belastung mit Zugspannungen zu rechnen ist. Die Ummantelung des Stahls mit Beton ist zudem in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft: Zum einen schützt der hohe pH-Wert des Betons den Stahl vor Korrosion. Zum anderen wird der Stahl im Brandfall nicht direkt einer hohen Temperaturentwicklung ausgesetzt und behält dadurch länger seine Festigkeit, als ungeschützter Stahl.

Stahlbeton wird heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Beim Bau von Häusern meist für Decken, Stützen und Ringanker, bei größeren Gebäuden oft auch für Wände und Gründungen. Der Bau von Hochhäusern, Tunneln, Brücken, Stützwänden usw. ist gänzlich ohne Beton meist nicht möglich.

Unbewehrter Beton wird immer dann verwendet, wenn überwiegend Druck und keine großen Zugspannungen auftreten können. Das sind meist Kellerwände, kleinere Fundamente und Bodenplatten, aber begünstigt durch ihre gebogene Form auch Staumauern. Weitere Einsatzgebiete sind vorgefertigte Elemente wie Blocksteine für den Mauerwerksbau oder Waschbetonplatten. Auf Grund der geringen Kosten, der beliebigen Formbarkeit und einer vergleichsweise hohen Dichte von ca. 2,4 Tonnen pro Kubikmeter (t/m³) wird Beton z.B. auch für Gegengewichte an Kränen oder als Wellenbrecher verwendet.

Beton weist zudem zwei zeitabhängige Eigenschaften auf, die in Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung mehr oder weniger stark ausgeprägt sein können. Beim Schwinden verringert sich das Volumen eines Bauteils durch Austrocknung und chemische Vorgänge. Kriechen tritt bei allen belasteten Bauteilen auf und bezeichnet die mit der Zeit zunehmende Verformung, trotz gleichbleibender Belastung.

Unterscheidungsmerkmale

Beton lässt sich unterscheiden nach

  • der Trockenrohdichte (Leichtbeton, Normalbeton, Schwerbeton)
  • der Druckfestigkeit
  • dem Ort der Herstellung, der Verwendung oder dem Erhärtungszustand (Baustellenbeton, Transportbeton, Ortbeton, wasserundurchlässiger Beton, Unterwasserbeton, Frischbeton, Festbeton)
  • der Konsistenz (steif, plastisch, weich, sehr weich, fließfähig, sehr fließfähig)
  • nach Verdichtung (Rüttelbeton, Stampfbeton, Walzbeton, Fließbeton, Spritzbeton, Schockbeton)
  • nach Zuschlag (Sandbeton, Kiesbeton, Splittbeton)

Die Betoneigenschaften sind abhängig von der

Ein Gemisch aus Zement (oder anderen Bindemitteln) mit feiner Gesteinskörnung (per Definition bis 4 mm, in Ausnahmefällen bis ca. 16 mm) wird als Mörtel bezeichnet. Mörtel wird überwiegend schichtweise aufgebracht (Putzmörtel, Mauermörtel), aber auch vergossen oder verpresst.

Geschichte

Datei:Pantheon-Kuppel von innen.JPG
Kuppel des Pantheons in Rom von innen

Dauerhafter Kalkmörtel als Bindemittel konnte schon an 10.000 Jahre alten Bauwerksresten in der heutigen Türkei nachgewiesen werden. Gebrannter Kalk wurde von den Ägyptern beim Bau der Pyramiden verwendet.

Die Römer entwickelten das opus 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, dem mortar (Mörtel), gemischt mit Ziegelmehl, und zeichnete sich durch eine hohe Druckfestigkeit aus. Damit wurden unter anderem die Aquädukte und die Kuppel des Pantheons in Rom hergestellt, welche einen Durchmesser von 43 Metern hat und bis heute erhalten ist.

Eine wesentliche Verbesserung, die von den Römern entwickelt wurde, war die Verwendung inerter 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.

Das Wort Beton ist übernommen aus gleichbedeutendem französisch béton, dieses aus altfranzösisch betun (Mörtel, Zement), abgeleitet von lateinisch bitumen (schlammiger Sand, Erdharz, Bergteer, Kitt).[1] Bernard de Bélidor beschreibt die Herstellung und Verwendung von Beton in seinem Standardwerk „Architecture hydraulique“ (Bd. 2, Paris 1753). Das Wort erscheint dann auch in der deutschen Übersetzung „Architectura hydraulica“ (Bd. 2, Augsburg 1769).

Die Entwicklung des Betons in der Neuzeit begann 1755 mit dem Engländer John Smeaton. Dieser führte, auf der Suche nach einem wasserbeständigen Mörtel, Versuche mit gebrannten Kalken und Tonen 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:

Ein weiterer großer Entwicklungssprung war die Erfindung des Stahlbetons durch Joseph Monier (Patent: 1867). Deshalb wird der Bewehrungsstahl oder Betonstahl auch heute noch gelegentlich als Moniereisen bezeichnet.

Beton wird in der Zeitgenössischen Kunst auch für Denkmäler oder Skulpturen verarbeitet. Exotisch ist die Verwendung im Schiffbau (zum Beispiel in einem Betonschiff).

Frischbeton

Der Beton, bei dem der Zementleim noch nicht abgebunden ist, wird als Frischbeton bezeichnet. Während des Abbindens des Zementleims wird der Beton als junger Beton oder grüner Beton bezeichnet. Nachdem der Zementleim abgebunden hat, wird er Festbeton genannt.

Bestandteile und Zusammensetzung

Die Zusammensetzung des Betons ist von vielen Parametern, wie z. B. Festigkeitsklasse und Umweltbedingungen, abhängig. Bei einem normalen Beton der Festigkeitsklasse C25/30 hat ein Kubikmeter als Mengenanteile 300 kg Zement, 180 l Wasser sowie 1890 kg Zuschläge, was einem Mischungsverhältnis (nach Gewichtsanteilen) von 1 : 0,6 : 6,3 entspricht.

Konsistenz

Die Konsistenz des Frischbetons ist so zu wählen, dass er ohne wesentliches Entmischen 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. Mit zunehmender Fließfähigkeit wird der Beton teurer. Bei einem Pumpen des Betons (siehe Betonpumpe) sollte die Betonkonsistenz mindestens im plastischen Bereich, d. h. Ausbreitmaßklasse F2, besser F3, liegen. Zur Kontrolle der Konsistenz gibt es genormte, baustellengerechte Verfahren, wie den Ausbreitversuch, den Setzversuch und den Verdichtungsversuch. Das nachträgliche Zumischen von Wasser zum fertigen Frischbeton, z. B. bei Ankunft auf der Baustelle, ist nach den deutschen Vorschriften unzulässig, weil dadurch der Wasserzementwert und in der Folge Werkstoffeigenschaften negativ beeinflusst werden können. Transportbeton darf aber vor Ort mit Fließmittel vermischt werden, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Die zulässige Höchstmenge liegt bei 2 Liter/m³, was aus einem plastischen Beton einen leicht fließfähigen Beton macht.

Konsistenzbereiche des Frischbetons nach DIN 1045–2
Konsistenzbereich Ausbreitmaßklassen Verdichtungsmaßklassen Geeignete Verdichtungsmaßnahmen
  Klasse Ausbreitmaß (mm) Klasse Verdichtungsmaß  
sehr steif C0 ≥1,46 Kräftiges Stampfen, sehr intensives Rütteln
steif F1 ≤340 C1 1,45–1,26 Sehr intensives Rütteln
plastisch F2 350–410 C2 1,25–1,11 Rütteln
weich F3 420–480 C3 1,11–1,04 Rütteln
sehr weich F4 490–550     Stochern oder leichtes Rütteln
fließfähig F5 560–620     Stochern oder leichtes Rütteln
sehr fließfähig F6 ≥630     Stochern oder leichtes Rütteln
Selbstverdichtender Beton >700     selbstverdichtend

Einbau und Verdichtung

Beton ist schnellstmöglich nach dem Mischen bzw. der Anlieferung einzubauen und mit geeigneten Geräten zu verdichten. Durch das Verdichten sollen die Lufteinschlüsse ausgetrieben werden, damit ein dichtes Betongefüge mit wenigen Poren entsteht. Rütteln, Schleudern, Stampfen, Stochern, Spritzen und Walzen sind je nach Betonkonsistenz und Einbaumethode geeignete Verdichtungsverfahren. Als Verdichtungsgerät kommt auf Hochbaustellen heutzutage in der Regel der Innenrüttler, auch Flaschen- oder Tauchrüttler genannt, zur Anwendung. Bei der Herstellung hoher Wände oder Stützen können auch Außenrüttler, auch Schalungsrüttler genannt, verwendet werden. Beim Einbau von Beton für Straßen oder Hallenböden kommen in der Regel Rüttelbohlen zum Einsatz. Rütteltische werden insbesondere im Fertigteilwerk benutzt.

Beim Einbau und Verdichten darf sich der Beton nicht entmischen, d. h. Absetzen größerer Zuschlagskörner unten und Bildung einer Wasser- oder Wasserzementschicht an der Oberfläche. Diese wässerige Schlämpeschicht entsteht meist, wenn die Rütteldauer zu lang war. Das Absondern von Wasser an der Betonoberfläche wird auch als 'Bluten' bezeichnet. Die Entmischung wirkt sich insbesondere nachteilig auf die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons aus. Bei richtiger Verdichtung und passender Konsistenz bildet sich an der Oberfläche eine dünne Feinmörtelschicht. Beim Einbau sollte die Betontemperatur zwischen +5 °C und +30 °C liegen, anderenfalls sind besondere Maßnahmen erforderlich.

Nachbehandlung

Eine Nachbehandlung des frischen Betons ist zum Schutz der Betonoberfläche gegen Austrocknung und somit zur Sicherstellung einer geschlossenen, dichten und dauerhaften Betonoberfläche erforderlich. Dazu muss auch in den oberflächennahen Bereichen des Betons genügend Wasser für die Hydratation des Zements vorhanden sein. Dieses darf insbesondere nicht durch Sonneneinstrahlung, Frost und/oder Wind verdunsten. Es gibt verschiedene Nachbehandlungsmethoden, um den Erhärtungsprozess sicherzustellen.

Nachbehandlungsmethoden im Sommer

Bei der einen wird Wasser zugeführt, z. B. durch das Auflegen einer wasserspeichernden Abdeckung, den Einsatz spezieller Nachbehandlungsfolien, durch das kontinuierliche Besprühen oder Fluten mit Wasser. Bei der anderen Methode wird das schnelle Austrocknen des Betons, z. B. durch das Belassen in der Schalung, durch das Abdichten mit Kunststofffolien oder durch das Auftragen filmbildender Nachbehandlungsmittel, verhindert.

Nachbehandlungsmethoden im Winter

Frischbeton muss (z. B. bei einer Lufttemperatur von unter −3 °C) zum Erhärten während der ersten drei Tage eine Mindesttemperatur von +10 °C haben. Dieses kann z. B. durch eine Abdeckung mit einer Folie mit Wärmedämmung oder mit einem beheizten Bauzelt sichergestellt werden. Auch hier ist zu beachten, dass dem Beton genügend Wasser für die Hydratation des Zements zur Verfügung steht.

Nachbehandlungsdauer

Die erforderliche Zeitdauer der Nachbehandlung kann je nach den Betoneigenschaften, den Umweltbedingungen, die den Expositionsklassen entsprechen und den klimatischen Randbedingungen zwischen einem Tag, einer Woche oder auch mehr betragen.

Erhärtung

Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements unter Wasseraufnahme. Es wachsen Kristallnadeln, 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 dieser hydraulischen Reaktion entwickelt sich bei silikatischen Zuschlagstoffen zusätzlich die sogenannte puzzolanische Reaktion.

Festigkeit

Festigkeitsklassen

Datei:Spannung-Dehnung Beton.png
Spannungsdehnungsbeziehung von Beton für verschiedene Festigkeiten

Die Druckfestigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften des Betons. Die DIN 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 der Nomenklatur steht für englisch concrete (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.

Druckfestigkeitsklassen für Normalbeton nach Eurocode 2 und Bezeichnung nach alter DIN 1045[2]
Überwachungs-
klasse
Festigkeitsklasse charakteristische Zylinder-
druckfestigkeit f_{ck} (N/mm²)
Mittelwert der Zylinder-
druckfestigkeit f_{cm} (N/mm²)
Mittlere Zugfestigkeit f_{ctm} (N/mm²) Mittlerer E-Modul E_{cm} (N/mm²) Bezeichnung nach
alter DIN 1045
1 C8/10* 8 B10
C12/15 12 20 1,6 27000 B15
C16/20 16 24 1,9 29000
C20/25 20 28 2,2 30000 B25
C25/30 25 33 2,6 31000
2 C30/37 30 38 2,9 33000 B35
C35/45 35 43 3,2 34000 B45
C40/50 40 48 3,5 35000
C45/55 45 53 3,8 36000 B55
C50/60 50 58 4,1 37000
3 C55/67 55 63 4,2 38000 B65
C60/75 60 68 4,4 39000 B75
C70/85 70 78 4,6 41000 B85
C80/95 80 88 4,8 42000 B95
C90/105 90 98 5,0 44000
C100/115 100 108 5,2 45000

Elastizitätsmodul

Der Elastizitätsmodul des Betons hängt in hohem Maße von den verwendeten Betonzuschlägen ab. Vereinfachend kann er im linear-elastischen Spannungszustand (d. h. maximal 40 % der Festigkeit) in Abhängigkeit von der Betonfestigkeit nach dem Eurocode mit der empirischen Gleichung E_{cm}=22.000 \cdot \left(\frac{f_{cm}}{10}\right)^{0,3} ermittelt werden. 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

Querdehnungszahl

Die Querdehnungszahl 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 berücksichtigt werden.

Schubmodul

Datei:Abbinden-NSC.png
Abbindeverhalten normalfesten Betons, gut zu erkennen ist die Verbundzone

Der Schubmodul kann näherungsweise wie bei isotropen Baustoffen mit Hilfe von Elastizitätsmodul und Querdehnungszahl bestimmt werden.

Verbundzone

Eine Schwachstelle im Gefüge des hydratisierten Betons stellt die Verbundzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung dar. Durch die Ansammlung von Ettringit und Portlandit (CH, Calciumhydroxid) an den Rändern der Gesteinskörner können sich keine verfestigenden CSH-Phasen bilden. Das hat eine verringerte Festigkeit in diesem Bereich zur Folge. Durch Zugabe von Puzzolanen wird das Portlandit über die puzzolanische Reaktion in CSH-Phasen umgewandelt. Puzzolane sind hochsilikatische Zuschlagsstoffe wie Mikrosilika oder Flugasche. Das hochalkalische Milieu löst sie partiell und leitet eine Reaktion mit dem Calciumhydroxyd (CH) zu CSH ohne zusätzliche Wasseraufnahme ein:

  • 2SiO2 + 3Ca(OH)2 → 3CaO + 2SiO2 + 3H2O

oder kurz:

  • S + CH → CSH

Vor allem bei der Entwicklung und Herstellung von hochfestem- und ultrahochfestem Beton hat dies eine große Bedeutung.[3]

Überwachungsklassen

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 u.s.w. angewandt. Geprüft wird mit mindestens drei Probekörpern jeden 3. Betoniertag oder alle 300 m³. In der Überwachungsklasse 3 erfolgt die Prüfung mindestens jeden 2. Betoniertag oder alle 150 m³.

Rohdichten

Die Rohdichte 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 als Schwerbeton bezeichnet, unterhalb von 2000 kg/m³ als Leichtbeton.[4] Leichtbeton hat porige Leichtzuschläge wie Blähton oder Bims. 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.

Poren im Beton

Neben der Festigkeit ist die Porosität 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 des Elastizitätsmodul ist nachweisbar.[5]
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 haben einen hohen Anteil an der Festigkeit und dem 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 Ausweichsraum für gefrierendes Wasser dar und erhöhen somit die Frostbeständigkeit des Betons. Eine gezielte Beeinflussung des Anteils an Luftporen ist durch Luftporenbildner möglich.
  • Verdichtungsporen (Ø > 1 mm)
    Verdichtungsporen entstehen durch unzureichende Verdichtung des Betons nach dem Einbau. Aufgrund ihrer Größe haben sie einen hohen Einfluss auf die Festigkeit des Werkstoffs. Bei der Herstellung von Sichtbetonoberflächen sind Verdichtungsporen unerwünscht.

Bauphysikalische Eigenschaften

Für Beton kann eine Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl zwischen 70 (feucht) und 150 (trocken) angesetzt werden. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt zirka 2,1 W/mK für Normalbeton, die spezifische Wärmekapazität 1000 J/(kg·K). Beide Werte sind jedoch stark vom Zuschlagstoff abhängig. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt nach den Stahlbetonnormen 10-5/K (zum Beispiel DIN 1045-1:2001-07). Allerdings kann dieser je nach Art des Betonzuschlags, Zementgehalt sowie Feuchtezustand des Betons zwischen 6 und 14·10-6/K variieren. Der Feuchtegehalt beträgt bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit 25 Liter Wasser je Kubikmeter Beton und bei 80 % relativer Luftfeuchtigkeit 40 l/m³. Alle diese Betoneigenschaften sind außerdem stark temperaturabhängig und gelten näherungsweise nur für einen Bereich deutlich unter 100 °C.

Betonsorten

Unter einer Betonsorte versteht man eine genau definierte Mischung, die immer wieder, entsprechend einer Betonrezeptur, hergestellt wird. Lieferwerke haben meist eigene Sorten, die von Kunden bestellt werden. Bei großen Bauvorhaben stellen oft auch die Bauunternehmen in Absprache mit dem Bauherrn und den Lieferwerken eigene Betonsorten in einem Sortenverzeichnis zusammen. Diese Betone sind dann für eine Baustelle und deren Besonderheiten „maßgeschneidert“.

Betonarten

Alle Betone lassen sich entsprechend ihrer Herstellung, ihrer Einbauart oder ihrer besonderen Eigenschaften unterscheiden. Dabei gehört ein Beton nicht zwangsläufig nur einer Art 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 der Liste gebräuchlicher Betone aufgeführt.

Dauerhaftigkeit, Schädigungen und Instandsetzung

Datei:Betonschaden.jpg
Betonstütze mit freiliegender Bewehrung

Für dauerhafte Betonbauwerke müssen die verlangten Gebrauchseigenschaften und die Standsicherheit unter den planmäßigen Beanspruchungen über die erwartete Nutzungsdauer bei normalem Unterhaltsaufwand konstant sein. Wichtig für eine ausreichende Dauerhaftigkeit des Betons sind 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 mit Bewehrung aus Stahl ergeben sich weitere die Dauerhaftigkeit von Beton beeinflussende Faktoren, wie zu geringe Überdeckung des Bewehrungstahles durch Beton. Daher erfolgt mit den Expositionsklassen eine Klassifizierung der chemischen und physikalischen Umgebungsbedingungen, denen der Beton ausgesetzt ist, woraus sich Anforderungen an die Zusammensetzung des zu verwendenden Betons sowie bei Stahlbeton die Betondeckung ergeben.

Folgende Schädigungsmechanismen können auftreten:

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.

Zur Betoninstandsetzung zählen zudem alle Maßnahmen, bei denen Schäden (Risse, Abplatzungen usw.) behoben und die ursprünglichen Schutzeigenschaften des Betons möglichst wiederhergestellt oder verbessert werden.

Beton in anderer Verwendung

Die Bezeichnung „Beton“ wird auch in Zusammenhang mit anderen Baustoffen verwendet und beschreibt deren hohe Festigkeit.

Porenbeton

Porenbeton (veraltet Gasbeton) ist ein mineralischer Werkstoff, welcher durch chemisches Aufschäumen einer Mörtelmischung erzeugt wird. Die alkalische Mörtelsuspension reagiert unter Bildung von Gas mit Pulvern unedler Metalle wie z. B. Aluminium. Porenbeton enthält so gut wie keine Zuschläge. Porenbeton besitzt im Vergleich zu konventionellem Beton wegen seiner geringen Rohdichte eine geringe Festigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit.

Betonglas

Betonglas ist ein Glasbaustein, der waagerecht angeordnet wird und hohe Druckfestigkeit aufweist.

Nicht zu verwechseln ist dies mit Betoglass, welches ein Verbundsystem beschreibt, mit dem Glas auf Beton befestigt werden kann.

Asphaltbeton

Asphaltbeton ist eine Bezeichnung für ein Gemisch aus Bitumen und Gesteinskörnung.

Mineralbeton

Mineralbeton ist eine Bezeichnung für ein hochverdichtetes Mineralstoffgemisch, meist unter Verwendung eines hohen Anteils gebrochenen Korns. Die Sieblinie ist gemäß der Fuller-Parabel aufzubauen, es ist ein für die Verdichtung optimaler Wassergehalt einzustellen. Beim Einbau sind Entmischungen zu vermeiden. Mineralbeton wird ohne Bindemittel zu einem hochstandfesten Baustoff, der etwa in Straßendecken verwendet wird. Gängiges Produkt ist die korngestufte Schottertragschicht als Frostschutzmaterial gemäß ZTVT-ST B95 0–32 mm.

Schwefelbeton

Schwefelbeton ist eine Mischung aus Quarzsand, Kalkstein oder Schottersteinen, der als Bindemittel 15–20 % Schwefel beigemischt wird. Der Schwefel wird vorher mit dimeren Cyclopentadien modifiziert und als plastischer Schwefel stabilisiert. Der Schwefelbeton besitzt gegenüber Beton eine höhere Druck- und Zugfestigkeit sowie Frühfestigkeit und ist wesentlich korrosionsbeständiger gegenüber Säuren und Salzlösungen. Nachteilig sind das Erweichen bei Temperaturen über 120 °C und die Brennbarkeit. Die Verwendung ist in Deutschland bisher eingeschränkt. Die Einsatzmöglichkeit von Schwefelbeton ist dort von Bedeutung, wo aggressive Chemikalien und grundwasserschädliche Stoffe zum Einsatz kommen bzw. gelagert oder umgefüllt werden.[6][7]

Einbauteile

Zur Reduzierung des Eigengewichtes von Betonteilen werden unter anderem sogenannte Verdrängungskörper eingebaut. Dies bewirkt, dass Hohlräume entstehen und weniger Beton notwendig ist. Häufig wird das bei Plattenkonstruktionen angewendet.

Früher wurden hierfür Teile aus Polystyrolschaum und anderen Schaumstoffen genutzt, die heute wegen nachteiliger Auswirkungen bei Bränden nicht mehr gestattet sind. Derzeit werden Kugeln oder würfelförmige Elemente aus Polyethylen oder Polypropylen 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 bei Brückenbauten nicht mehr zulässig.

Vorgefertigte Betonprodukte

Verwandte Themen

Literatur

Weblinks

 Wiktionary: Beton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Beton – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Commons: Betonhäuser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Wortbedeutung und Etymologie (französisch)
  2. Betonklassen im Vergleich - alte und neue Bezeichnungen und deren Zuordnung. Ingenieurbüro Süß, abgerufen am 15. Juli 2013 (PDF; 44 kB).
  3. www.vdz-online.de Kompendium Zementbeton 2-3_Entwurfskriterien PDF-Datei
  4. DIN 1045-1 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Teil 1: Bemessung und Konstruktion, Abs. 3.1.4 bis 3.1.5
  5. Simone Hempel: Skript BAUSTOFFE – TEIL 3, Übung 3-5, Beton – Struktur, Hydratation, Porosität, Institut für Baustoffe (TU Dresden), Auflage des WS 07/08
  6. Ralf Steudel, Hans-Joachim Mäusle: Flüssiger Schwefel – ein Rohstoff komplizierter Zusammensetzung, Chemie in unserer Zeit, 14. Jahrg. 1980, Nr. 3, S. 79, ISSN 0009-2851
  7. Diplomarbeit über Schwefelbeton
Dies ist ein als lesenswert ausgezeichneter Artikel.
Dieser Artikel wurde am 2. September 2005 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.


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