Baustoffkunde

Das Schwindverhalten von Beton wird maßgeblich beeinflusst von der Lage des Bauteils, von dessen Dimensionierung, der Konsistenz des Betons und der Temperatur

- Konsistenz

- Wassergehalt

- Ausschalzeitpunkt

- Belastungsbeginn

- Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit)

- Größe der Belastung

Konsistenz: Hat Einfluss, da durch Belastung ungebundenes Wasser aus dem betonierten Bauteil gedrückt wird.

Zementart: Hat Einfluss, da die Zementart für die Mindestdruckfestigkeit und die Trocknungsgeschwindigkeit verantwortlich ist und damit direkten Einfluss auf die aufnehmbare Belastung und das ungebundene Wasser hat.

Ausschalzeitpunkt: Hat Einfluss, da der Beton nach dem Ausschalen Temperatur und Belastungen ausgesetzt wird. Belastungsbeginn: Hat Einfluss, da Kriechen belastungsabhängig ist, d.h., ohne Belastung gäbe es per Definition kein Kriechen. Je mehr Wasser zu Belastungsbeginn hydratisiert ist, desto weniger Kriechen.

Umgebungsbedingungen: Haben Einfluss, da diese die Hydratation und Festigkeitsentwicklung wesentlich beeinflussen.

Größe der Belastung: Hat Einfluss, da Kriechen eine belastungsabhängige Verformung ist.

- Konsistenz

- Wassergehalt

- Ausschalzeitpunkt

- Belastungsbeginn

- Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit)

- Größe der Belastung Konsistenz: Hat Einfluss, da Schwinden durch Verdunsten von Wasser entsteht. Je mehr Wasser enthalten ist, desto mehr kann auch verdunsten.

Zementart: Hat Einfluss - je schneller der Beton hydratasiert, desto weniger Wasser kann verdunsten.

Ausschalzeitpunkt: Hat Einfluss, da der Beton nach dem Ausschalen Temperatur und Belastungen ausgesetzt wird.

Belastungsbeginn: Hat keinen Einfluss, da Schwinden belastungsunabhängig ist.

Umgebungsbedingungen: Haben Einfluss - je höher die Temperatur, desto höher die Gefahr der Verdunstung.

Größe der Belastung: Hat keinen Einfluss, da Schwinden belastungsunabhängig ist. 

Neben der statisch erforderlichen Festigkeit werden die Anforderungen an das Bauwerk/Bauteil maßgeblich von den direkt an der speziellen Betonoberfläche herrschenden Umweltbedingungen bestimmt. Daher ist jedes Bauteil in Abhängigkeit von diesen Bedingungen nach Expositionsklassen zu klassifizieren. Sie müssen bei der Bemessung und Konstruktion berücksichtigt werden. Die Grenzwerte für die Betonzusammensetzung der zugehörigen Expositionsklasse sind einzuhalten. Grundsätzlich wird differenziert, ob die Umgebungsbedingungen maßgeblich für den Korrosionsschutz oder für die Dauerhaftigkeit des Betons sind. Jeder Expositionsklasse wird eine dreistellige Abkürzung zugeordnet. Die Abkürzungen beinhalten folgende Angaben:

• X für Expositionsklasse
• Art des Angriffs
• Abstufung nach Intensität des Angriffs Folgende Expositionsklassen werden unterschieden:
• X0 - kein Angriffsrisiko

Bewehrungskorrosion:

• XC - Bewehrungskorrosion verursacht durch Carbonatisierung
• XD - Bewehrungskorrosion verursacht durch Chloride ohne Meerwasser
• XS - Bewehrungskorrosion verursacht durch Meerwasser

Betonangriff:

• XF - Betonangriff verursacht durch Frost- und Frost-Taumittel
• XA - Betonangriff verursacht durch chemischen Angriff
• XM - Betonangriff verursacht durch Verschleiß

Um Stahlkorrosion zu vermeiden sind folgende Gesichtspunkte zu beachten:

• Keine Chloride (Wasser, Gesteinskörnung)
• Ausreichende Betondeckung (vollständige Verdichtung)
• Dichtes Porengefüge, z. B. durch:
• Hüttensandreiche Hochofenzemente 
• Ausreichende Nachbehandlung
• Kleiner w/z-Wert

Insgesamt ist der Stahl im Stahlbeton durch die Alkalität des Porenwassers (pH=12,5-13,5) geschützt. Es bildet sich eine mikroskopisch-dünne Oxidschicht aus, die in diesem Zusammenhang den Stahl so zu schützen vermag, wie Edelstahl an normaler Luft geschützt ist. Die schützende Wirkung des Betons für den Bewehrungsstahl kann durch nachfolgende Angriffe auf den Beton z.T. aufgehoben werden:

Frost- und Frost-Tausalz-Angriff auf Beton

In erster Linie beruht die Frostschädigung auf der 9 % Volumenzunahme, die eintritt, wenn Wasser zu Eis gefriert. Durch die Behinderung der Expansion bauen sich in einem porösen Gefüge Spannungen auf, die die Festigkeit des Zementsteins überschreiten, so dass sich ein Mikroeissystem ausbildet. Durch einen Frostangriff können am durchfeuchteten Beton sowohl äußere wie innere Schädigungen auftreten. Die äußeren Schädigungen zeigen sich in Form von Abwitterungen und Absplitterungen. Diese Oberflächenschädigung verstärkt sich bei gleichzeitigem Einwirken von Taumitteln. Durch Einbringen von künstlichen Luftporen wird Expansionsraum für das Eis geschaffen und somit der Frost-Tausalz-Widerstand erhöht - durch einen niedrigen w/z-Wert wird das kapillare Saugen unterbunden.

• Treibende Angriffe Böden, Grundwasser und Abgase können Sulfate enthalten; wenn Sulfate in gelöster Form in den Beton eindringen, können sie mit noch nicht hydratisiertem C3A reagieren oder Bestandteile des Zementsteines zu Gips oder Ettringit umsetzen. Diese Reaktion ist mit einer Volumenvergrößerung verbunden und führt bei ausreichendem Vorhandensein von Wasser zu einer Schädigung oder Zerstörung des Betons. Es ist zu beachten, dass bei zunehmender Konzentration der Sulfatlösung das Angriffspotential steigt. Außerdem ist Beton in fließenden Gewässern stärker bedroht als in stehenden Gewässern, da durch den Wassertransport immer neue Sulfationen für die chemische Reaktion zur Verfügung stehen. Um einen hohen Sulfatwiderstand des Betons zu erzielen, müssen grundsätzlich zwei Maßnahmen ergriffen werden. Durch herabsetzen des w/z-Wertes wird der Beton dichter für eindiffundierende Sulfate. Außerdem muss die Menge der reaktionsfähigen Bestandteile im Zement durch Verwendung von HSZementanteilen begrenzt werden.
  • Alkali-Kieselsäure-Reaktion Der Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion beruht auf einer chemischen Reaktion zwischen unterschiedlichen Formen der Kieselsäure aus den Betonzuschlägen und den Alkalihydroxiden der Porenlösung des erhärteten Betons bzw. von außen eindringenden Alkalien. Das dabei entstehende Alkali-Kieselsäure-Gel wirkt durch Volumenvergrößerung infolge Wasseraufnahme treibend und kann zu Betonschäden führen. 
  • Verschleiß Verschleiß/Abnutzung ist der Masseverlust (Oberflächenabtrag) einer Stoffoberfläche durch: 
    • Schleifende Beanspruchung (Rutschen von Schüttgütern, Fußgänger auf Treppen) 
    • Rollende Beanspruchung Schlagende und kratzende Beanspruchung (Spikereifen, Schneeketten, Schneepflüge)

Passivierung der Stahloberfläche:

Stahl ist im Beton durch die Alkalität des Porenwassers (pH = 12,5…13,5) vor Korrosion geschützt. Im Bereich solcher pH-Werte bildet sich eine mikroskopischdünne Oxidschicht aus, welche anodische Eisenauflösung praktisch unterbindet. Somit verhält sich normaler Stahl bei pH-Werten über etwa 12 wie Edelstahl in normaler Atmosphäre.

Vorrausetzungen für Stahlkorrosion im Beton

Die Korrosion der Bewehrung tritt ein, wenn folgende Bedingungen vorliegen:

• Vorhandensein eines Elektrolyts (Wasser, feuchter Beton)
• Sauerstoff-Zufuhr an den Stahl
• Vorhandensein von Potentialunterschieden zwischen Bereichen der Metalloberfläche (immer gegeben) Aufhebung der Passivschicht der Bewehrung durch CO2 oder Chloride. 

Depassivierung der Stahloberfläche

Die Passivität der Betonoberfläche, und damit der Korrosionsschutz, kann örtlich begrenzt oder auch großflächig verloren gehen. Dafür sind die beiden folgenden Prozesse verantwortlich:

• Absinken des pH-Werts der Porenlösung durch Carbonatisierung des Betons auf Werte unter etwa 10. 
• Überschreiten eines kritischen Grenzwerts für den Chloridgehalt an der Stahloberfläche durch eindringende Chloridionen

Lösende Angriffe (Betonkorrosion):

• Säureangriff Calciumhydroxid (Ca(OH)2) reagiert mit Säuren unter Salzbildung. Die Salze können anschließend aus dem Zementstein ausgewaschen werden, so dass ein Substanzverlust eintritt - generell gilt, dass Wasser mit einem pH-Wert kleiner als 6,5 „sauer“ und somit betonaggressiv sind. Beton gilt daher in keiner Weise säurebeständig. Der lösende Angriff spielt sich an der Betonoberfläche ab und führt zu einer Aufrauung des Betons und weiter zum Absanden. Wenn der Beton porös ist, geht der Angriff viel rascher vor sich und führt zu einer Zerstörung des Betongefüges.
• Weiches Wasser (Hydrolyse) Wenn Betonoberflächen ständig mit weichem bzw. salzfreiem Wasser beaufschlagt werden, wird die Konzentration der Porenlösung an der Betonoberfläche verdünnt. Um den Verlust auszugleichen, kann festes Calciumhydroxid in Lösung gehen. Langfristig wird dann der Zementstein ausgelaugt. Typisch dafür ist eine leichte Braunfärbung der Oberfläche durch das im Zement enthaltene Eisen.
• Salze Salze sind Neutralisationsprodukte von Säuren, welche i.d.R den Beton nicht angreifen. Ausnahmen sind die gesondert betrachteten Sulfate und Salze mit schwächeren Basen als Calciumhydroxid. Der basische Anteil wird bei diesen Salzen durch Ca—Ionen verdrängt - so findet wie bei den Säuren ein lösender Angriff statt. Dies gilt für Magnesium- und Ammoniumchlorid. 

Treibende Angriffe

Böden, Grundwasser und Abgase können Sulfate enthalten; wenn Sulfate in gelöster Form in den Beton eindringen, können sie mit noch nicht hydratisiertem C3A reagieren oder Bestandteile des Zementsteines zu Gips oder Ettringit umsetzen. Diese Reaktion ist mit einer Volumenvergrößerung verbunden und führt bei ausreichendem Vorhandensein von Wasser zu einer Schädigung oder Zerstörung des Betons. Es ist zu beachten, dass bei zunehmender Konzentration der Sulfatlösung das Angriffspotential steigt. Außerdem ist Beton in fließenden Gewässern stärker bedroht als in stehenden Gewässern, da durch den Wassertransport immer neue Sulfationen für die chemische Reaktion zur Verfügung stehen. Um einen hohen Sulfatwiderstand des Betons zu erzielen, müssen grundsätzlich zwei Maßnahmen ergriffen werden. Durch herabsetzen des w/z-Wertes wird der Beton dichter für eindiffundierende Sulfate. Außerdem muss die Menge der reaktionsfähigen Bestandteile im Zement durch Verwendung von HS-Zementanteilen begrenzt werden.

Aufgrund des porigen Gefüges - hohen w/z-Werts - ist dieser Beton besonders anfällig gegenüber Korrosion und chemischen Angriff da es hier erhöht zum Eindringen von Salzen(Chloriden) kommen kann und der Schutz durch das alkalische Porenwasser nicht mehr gegeben sein kann.

XC4 - Die Treppe ist ein Außenbauteil mit direkter Beregnung (wechselnd nass und trocken). XF4 - Es ist davon auszugehen, dass diese Treppe im Winter mit Taumittelns behandelt wird (hohe Wassersättigung, mit Taumittel) Aus beiden Beanspruchungen ergeben sich folgende Maßnahmen zur Dauerhaftigkeit des Objekts:

• Niedriger w/z-Wert (max. 0,5)
•  Mindestzementgehalt von etwa 300
• Festigkeitsklasse C30/37
• Wegen Tausalzbeanspruchung Einsatz von Luftporenbildner

• Niedriger w/z-Wert
• Puzzolanische Zusatzstoffe
• Normzemente mit hoher Druckfestigkeit ( CEM 42,5 oder CEM 52,5)
• Entsprechend feste Gesteinskörnung
• Fließmittel erforderlich (trotz geringem w/z-Wert muss die Verarbeitbarkeit gewährleistet sein)
• Hoher Zement- bzw. Zusatzanteil
• kleiner Anteil Feinkorn 

• Haufwerkbeton aus dichten Zuschlägen
• Haufwerkbeton aus leichten Zuschlägen mit porigem Gefüge
• Gefügedichter Beton aus porigen Zuschlägen
• Porenbeton (Gas- und Schaumbeton)

Der Lastabtrag im Vergleich zu Normalbeton ist bei einer Trockenrohdichte von 0,8 bis 2,0 kg/dm³ so zu sehen, dass hier die Festigkeit des Zuschlags gleich oder aber merklich geringer als die Festigkeit des Zementsteins ist. Das E-Modul ist ebenfalls merklich kleiner. Leichtbeton besitzt eine weitaus geringere Wärmeleitfähigkeit als Normalbeton und ist des Weiteren im Hochbau auf Grund seiner geringen Masse von Nutzen. 

Hydrationswärme! Es ist bei so einem massigen Bauteil beim Erhärten des Betons mit einer sehr hohen Hydrationswärme zu rechen. Diese kann das Bauteil beim Erhärten zerstören wenn nicht entsprechende betontechnologische Maßnahmen oder entsprechende Maßnahmen bei der Bauausführung ergriffen werden.

• Kunststofffasern
• Glasfasern
• Stahlfasern

Durch das Einbringen von Fasern in den Beton sollen verschiedene Effekte erreicht werden. Zum einen soll die Zug- und Druckfestigkeit erhöht werden, eine Steigerung der Dehnfähigkeit und Energieaufnahme oder auch eine Verminderung der Rissbildung an der Bauteiloberfläche erreicht werden.

Bezeichnet die lastunabhängige Volumenzunahme eines Körpers durch Feuchtigkeitsaufnahme

<-> Schwinden

Nimmt bei einer chemischen Reakion das Volumen des Reaktionsproduktes einen größeren Wert an als die Summe der Ausangsvolumina der Reaktionspartner, so ist dies Treiben.

<-> Schrumpfen

Stoffe, die grbere und feinere Körper fest untereinander kitten.

Produkt des Brennprozesses bei der Zementherstellung
 

Calciumsilikathydrate; diese Phasen sind verantwortlich für die Festigkeitsentwicklung des Zementsteins.

Chemische Reaktion unter Aufnahme von Wassermolekülen

Temperaturanstieg durch das Freiwerden von Energie infolge der exothermen Reaktion

nennt man einen Stoff, der nach dem Mischen mit Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärtet und auch beständig ist.

haben nur eine geringe Hydraulizität, die keine technisch verwertbaren Fertigkeiten liefert. Solche werden erst durch Anregung mit einem CaO-Träger erreicht.

Puzzolane (natürliche oder künstliche) sind ohne selbstständiges Bindevermögen, können mit Wasser und Kalk jedoch zementartige Eigenschaften bilden.

Eine Reaktion von amorpher Kieselsäure mit Calciumhydroxid und Wasser zu CSH-Phasen.
 

ph-Wert einer Lösung (z.B. Porenwasser) ist größer als 7, d.h. Überschuss an OH- Ionen gegenüber H²O+ Ionen.

Der SToff beteiligt sich nicht (oder nur geringfügig) an den in Betracht kommenden chemischen Reaktionen mit Wasser.

• nach der Kornrohdichte (schwere/normale/leichte Gesteinskörnung)
• nach dem Gefüge (Gesteinskörnungen mit dichtem/porigem Gefüge)
• nach der Herkunft (natürliche Gesteinskörnung wie z. B. Sand, Splitt, pder industriell hergestellte Gesteinskörnung wie z. B. Schlacken, Blähton)
• nach der Kornform (kugelig/würfelig/gedrungen/plattig)
• Art der Aufbereitung (ungebrochen/gebrochen)