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Herstellung von Beton und Mörtel

Beton und Mörtel sind Gemische aus Bindemittel, Gesteinskörnungen (Zuschlag) und gegebenenfalls Betonzusätzen, die durch Zugabe von Wasser und durch Mischen verarbeitbar gemacht werden. Beton und Mörtel unterscheiden sich lediglich durch das Größtkorn der Gesteinskörnung des Zuschlags. Bei Beton hat das Größtkorn einen Korndurchmesser größer als 4 mm. Bei einem Größtkorn mit einem Durchmesser bis zu 4 mm handelt es sich um Mörtel. Die Herstellung von Beton und Mörtel ist identisch. Im Folgenden behandeln wir die Herstellung von Beton, die sinngemäß für Mörtel gilt.

 

Die Herstellung von Beton ist in der EN 206 in Verbindung mit der nur in Deutschland geltenden Anwendungsnorm DIN 1045 Teil 2 geregelt.  Für Beton der Betonfestigkeitsklasse C35/45 (vormals B45) werden z. B. folgende Gesteinskörnungen benötigt:   

      

 100 %1.815 kg
je m³ Beton
0 -   2 mm30 %545 kg
2 -   8 mm40 %725 kg
8 - 16 mm30 %545 kg

Zu diesem Körnungsgemisch kommen etwa 330 kg Zement der Zementfestigkeitsklasse CEM I 42,5 R hinzu, das sind 18 % des Volumens der Gesteinskörnungen. Durch Zugabe von sauberem Wasser wird eine chemische Reaktion des Zementes mit dem Wasser, ausgelöst. Aufgrund dieser sogenannten Hydratation bildet sich Zementstein, der bei optimal abgestufter Sieblinie die Gesteinskörnungen zu hochwertigem Beton verkittet und mit der Zeit aushärtet. Die erforderliche Wassermenge ist von der Kornzusammensetzung und der gewünschten Betonkonsistenz abhängig.

 

Um den Wasseranspruch des Körnungsgemisches abzuschätzen, bedient man sich der Körnungsziffer K, die aus der Sieblinie errechnet wird. Hierzu ist die Summe der in Prozent angegebenen Rückstände auf den Sieben 0,25 mm; 0,5 mm; 1 mm; 2 mm; 4 mm; 8 mm; 16 mm zu bilden und durch 100 zu dividieren. Je größer das Größtkorn und je sandärmer das Körnungsgemisch, umso größer ist die Körnungsziffer und je geringer der Wasseranspruch. Durch Zugabe von verflüssigenden Zusatzmitteln kann der Wasserbedarf reduziert werden.


Um aus den verschiedenen Gesteinskörnungen eine Sieblinie berechnen zu können, verweisen wir auf das Programm "die SIEBLINIE", das die Materialprüfungsanstalt Neuwied zur freien Benutzung zur Verfügung gestellt hat:

www.mpva.de  (Suchwort: Software).


Beton muss beim Einbringen in die Verschalung verdichtet werden, um Hohlräume zwischen den Gesteinskörnungen und Lunker zwischen Beton und der Schalung sowie zwischen den Bewehrungseinlagen zu vermeiden. Dies kann z. B. durch Innenrüttler geschehen. Bei dicht bewehrtem Beton ist ein Verdichten durch Nachrütteln erforderlich, um mögliche Hohlräume unter waagerechter Bewehrung zu beseitigen. Die Verdichtung ist auf die Betonzusammensetzung und die Frischbetonkonsistenz abzustimmen.

Erst durch die Verdichtung (mit anschließender Erhärtung) erhält der Baustoff Beton seine endgültigen Eigenschaften, nämlich die hervorragende Verbindung der verschiedenen Gesteinskörnungen durch den Zementleim zu einem monolithischen Stein, verbunden mit einer idealen Ummantelung der Bewehrungseinlagen zur Gewährleistung der konstruktiven Eigenschaften und des Korrosionsschutzes der Bewehrung.


Der Erhärtungsprozess des Betons ist vom Feuchtegehalt im inneren Gefüge abhängig und kommt zum Stillstand, wenn sein Feuchtegehalt unter ca. 80 - 90 % relative Feuchte absinkt. Dieser Erhärtungsprozess kann sich über Jahre erstrecken. Die wesentliche Druckfestigkeit wird nach ca. 28 Tagen erreicht. Daher ist der 28-Tage-Wert der Druckfestigkeit für die Festigkeitsklasse des Betons maßgebend. Die Technik des Betons ist bereits seit dem Altertum bekannt.

Selbstverdichtender Beton (SVB)

Seit etwa einem Jahrzehnt gibt es den selbstverdichtenden Beton. Während beim Normalbeton der Zementleim im Frischbeton wie ein Schmiermittel den gröberen Gesteinskörnungen das Aneinandervorbeigleiten ermöglicht, wird beim selbstverdichtenden Beton durch Hochleistungsverflüssiger und durch Erhöhung der Feinanteile die Fließfähigkeit des Betons erheblich verbessert. Ein selbstverdichtender Beton hat eine weichplastische Konsistenz und fließt allein unter dem Einfluss seines Eigengewichtes, so dass auch bei komplizierten Schalungen und hohem Bewehrungsgehalt alle Hohlräume ausgefüllt und gleichmäßig glatte Oberflächen erreicht werden. Lunker und Kiesnester können nicht entstehen.

Für die Herstellung von selbstverdichtendem Beton in der Betonfestigkeitsklasse C35/45 werden z. B. folgende Gesteinskörnungen benötigt:
 

 100 %1.548 kg
je m³ Beton
feine Gesteinskörnung0 -   2 mm42 %449 kg
grobe Gesteinskörnung2 -   8 mm29 %449 kg
grobe Gesteinskörnung8 - 16 mm29 %449 kg


Zu diesem Körnungsgemisch kommen etwa 297 kg (= 19 % des Gemisches der Gesteinskörnungen) an Betonzusatzstoffen, z. B. Flugasche oder Kalksteinmehl, und 280 kg Zement (= 18 % der Gesteinskörnungen) sowie Hochleistungsverflüssiger, die den Beton zusätzlich zu dem Anmachwasser formungswillig machen. Die Mischung beansprucht etwa 175 kg Wasser. Auf diese Weise entsteht eine Suspension, in der die einzelnen Gesteinskörner ohne Absetzerscheinungen schwimmen können, ohne sich untereinander im Fließverhalten zu stören und ohne zu entmischen.

 

Schrumpfungsfreier Beton (Quellbeton, Vergussmörtel)

Normalbeton, Stahlbeton und der selbstverdichtende Beton sind keine volumenbeständigen Baustoffe, sondern unterliegen dem Schrumpfen.

Zement benötigt zur chemischen Hydratation eine Wasserzugabemenge von ca. 25 - 28 %; man spricht von einem Wasserzementwert (w/z) von 0,25 - 0,28. Mit dieser Wasserzugabemenge kann aber kein verarbeitungsfähiger Beton hergestellt werden. Zur Herstellung einer verarbeitungsfähigen Betonrezeptur geht man von einem chemischen (25 % Wasserzugabemenge) und einem physikalischen (15 % Wasserzugabemenge) Wassergehalt aus, d. h. der Wasserzement (w/z)-Wert beträgt 0,40. Dabei wird lediglich eine steife Konsistenz erzielt, die z. B. in der Pflastersteinindustrie zum Einsatz kommt. Praxisgerechte w/z-Werte für Transportbeton und Fertigteile liegen meist bei 0,50 - 0,60.
Bei der Verwendung von Betonverflüssigern werden die Wasserzementwerte abgesenkt, erreichen aber in der Praxis dann lediglich Bereiche zwischen w/z 0,45 - 0,55.

Das Schrumpfen entsteht bei einem zementgebundenen Baustoff in der plastischen Phase sofort nach der Wasserzugabe und wird nach betontechnologischer Definition auch als Früh- oder Kapillarschwinden bezeichnet. Das Schrumpfverhalten wird ganz besonders vom Wasserzementwert und auch von der Nachbehandlungsart und der Nachbehandlungsdauer bestimmt.

Solange sich der Beton in der plastischen (weichen) Phase befindet, ist das Schrumpfen eigentlich nur der Volumenverlust des frischen Betons; das Volumen des frischen Betons verringert sich um den Anteil des "verschwindenden" Anmachwassers, das für die chemische Hydratation nicht benötigt wird, z. B. durch Verdunsten, Anhaften an der Schalung usw. Wenn die Nachbehandlung nicht sorgfältig durchgeführt wird, kann das Schrumpfen auf ein Maß von 3 ‰ (= 3 mm/m) anwachsen. Das Schrumpfen eines zementgebundenen Baustoffes kann ohne ein besonderes Quellmittel ("Quellbeton") nicht verhindert werden, es ist jedoch ausschließlich auf die Erstarrungsphase des Zementes beschränkt.

Das Schwinden (Schwinden = Schwund) ist ebenfalls mit einem Verlust des Anmachwassers verbunden. Es handelt sich dabei allerdings um den Verlust des Teils des Anmachwassers, der in die zementgebundene Matrix aufgenommen, aber nicht chemisch gebunden wurde und bei guter Nachbehandlung des frischen Betons erst bei und nach Aushärtung des Betons (Entstehen des Zementsteins) während des Austrocknens verschwindet. Das Schwinden ist ein rein physikalischer Vorgang, der im Wesentlichen durch Veränderungen von Kapillarspannungen im Porensystem aufgrund des Austrocknens des Betons verursacht wird.

Beim "Verschwinden" des nicht gebundenen Kapillarwassers aus dem bereits erhärteten Beton und der daraus resultierenden Spannungen können sich Risse (Schwindrisse) ergeben, wenn die Schwindspannungen größer als die Zugfestigkeiten der Zementmatrix sind.

Schrumpfungsfreier Beton ist ein Beton, der über ein gesteuertes Quellen das "Schrumpfen" des Zementes in der plastischen Phase mit quellfähigen Additiven kontrolliert kompensiert und damit im Ergebnis eine Schrumpfung des Volumens in der plastischen Phase völlig verhindert. Die Kunst der Formulierung eines solchen Betons liegt darin, dass die Schrumpfkompensation dann endet, wenn der Zementstein von der Erstarrungsphase in die Erhärtungsphase gelangt. Für die Herstellung von schrumpfungsfreiem Beton werden - abgesehen von den chemischen Additiven - ausschließlich getrocknete Quarzkörnungen in engstufigen Fraktionierungen verwandt.

Schwindspannungen in der erhärteten Zementmatrix werden durch eine konsequente Nachbehandlung kompensiert, so dass eine Spannungsüberschreitung der Zugfestigkeit durch die Schwindspannung unterbleibt und somit Schwindrisse verhindert werden.

Schrumpfungsfreie Betone, vor allem schrumpfungsfreie Mörtel sind seit mehr als 40 Jahren bekannt; sie werden häufig für das Vergießen von Maschinen, Anlagen und Lagersockeln verwendet, womit die vollsatte und volumenbeständige Verfüllung von Hohlräumen mit einem volumenbeständigen Quellmörtel ("Vergussmörtel") gemeint ist. Diese Mörtel und Betone haben hohe Frühfestigkeiten und sind daher von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Eine ausführliche Darstellung der Geschichte und des Grundprinzips der Quellzusätze sowie der Quellzemente findet sich unter www.baustoffchemie.de/fachartikel.html.

Seit dem 15.12.2007 ist die Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) "Herstellung und Verwendung von zementgebundenem Vergussbeton und Vergussmörtel" bauaufsichtlich eingeführt, also in der Bauregelliste A Teil 1 aufgenommen, die gemeinsam von den Obersten Bauaufsichtsbehörden der Bundesländer durch das DIBt Deutsches Institut für Bautechnik geführt wird. Seither dürfen solche Vergussprodukte für tragende Bauteile nur verwendet werden, wenn sie aus bauaufsichtlich zugelassenen oder genormten Ausgangsstoffen nach dieser DAfStb-Richtlinie hergestellt sind, wenn der Hersteller das Übereinstimmungszertifikat einer bauaufsichtlich anerkannten Zertifizierungsstelle besitzt und wenn die Gebinde der Vergussprodukte das Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) tragen.  

Quellen

Der Begriff "Quellen" definiert in der Betontechnologie die Aufnahme von Wasser in einen Zementstein, wenn dieser einen hohen Kapillaranteil besitzt, insbesondere wenn er mit hohen Wasseranteilen hergestellt wurde. Dieser Begriff hat keinen Bezug zu Quellbeton bzw. Beton mit kontrollierter Voluminierung. 

Beim Normalbeton nehmen die im Beton vorhandenen Kapillaren das zur Verfügung stehende Wasser auf und verursachen eine Volumenzunahme und einen erneuten Volumenverlust beim Austrocknen.

Relevant sind dabei nur Betone, deren Wasserzementwerte w/z ≥ 0,40 betragen. Bei hochwertigen Vergussbetonen oder -mörteln mit entsprechend niedrigen Wasserzementwerten hat das Quellen im erhärteten Zustand praktisch keine Bedeutung: der Kapillaranteil ist zu gering, das "Wasseraufsaugen" ist dann unbedeutend. Deshalb gelten im Straßenbau Betone z. B. als frostsicher, wenn deren Wasserzementwerte unter w/z ≤ 0,40 liegen.

Faserbeton

Durch Zugabe von Stahlfasern, Glasfasern oder Kunststoff-Fasern können die Zug- und Biegezugfestigkeit sowie die Schlagfestigkeit und die Verformbarkeit bei hoher Beanspruchung des Betons verbessert werden. Die Fasern wirken vor allem dadurch, dass sie die Bildung und Ausbreitung von Rissen behindern.

Je höher der Fasergehalt ist, desto größer ist der Einfluss von Fasern im Beton. Dementsprechend wird jedoch die Verarbeitbarkeit des Frischbetons eingeschränkt.

Von besonderem Vorteil ist die Zugabe von Fasern für Bauteile, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Ermüdungsverhalten, z. B. von Brücken, oder der Widerstand gegen schlagende Beanspruchung, z. B. bei Rammpfählen, kann durch die Zugabe von Stahlfasern verbessert werden. Die Hauptmenge von Stahlfaserbeton wird für die Herstellung von Industriefußböden verwendet (Stahlfaser-Estrich).

Siehe dazu das DBV-Merkblatt "Stahlfaserbeton", das vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein in Berlin herausgegeben wird.

 

Unterwasser-Beton

Unterwasser-Beton wird dann eingesetzt, wenn eine Trockenlegung des Arbeitsbereichs aus wirtschaftlichen oder auch technischen Gründen oder aus Gründen des Umweltschutzes nicht möglich oder nicht erwünscht ist: Bauwerke mit Fundamenten im Meeresboden, z.B. Offshore-Windkraft-Anlagen, Bauwerke im Grundwasserbereich, z.B. Schächte für U-Bahnen.

 

Da Beton zur Aushärtung Wasser benötigt, ist die Hydratation des Betons unter Wasser unproblematisch, auch bei Meerwasser trotz des Salzgehalts. Die Gefahr für das Betonieren unter Wasser ist das Verwässern des Betons. Mit steigendem Wassergehalt des Frischbetons sinkt die Festigkeit des Hartbetons.

 

Für die Güte des Unterwasserbetons sind die Betonrezeptur und das Einbauverfahren wesentlich. Eine optimale Sieblinie des Zuschlags mit einem erhöhten Anteilen an feinen Fraktionen der Gesteinskörnungen führt zu einem dichten Korngefüge und guten Zusammenhalt der Trockenmischung, dadurch wird das Ausspülen und Sedimentieren des Betons weitgehend verhindert. Spezieller Zement und ein Zementgehalt über 350 kg/m³ sowie ein abgestimmter Wassergehalt des Frischbetons sind weitere Voraussetzungen für Unterwasserbeton. Auf dem Förderweg zur Einbaustelle unter Wasser und beim Einbau darf sich der Frischbeton nicht entmischen. Es gibt 2 grundsätzlich verschiedene Einbauverfahren: Einbau eines fertig gemischten Betons unter Wasser und Unterwasserinjektion von Mörtel in die vorher eingebrachte Gesteinsschüttung. Oft wird eine Schalung (unten offener hohler Kasten) mit 2 Rohröffnungen an der Oberseite verwendet. Bei dem sogenannten Contractor-Verfahren z. B. wird der Frischbeton über ein Schlauchsystem in den Hohlkasten eingefüllt. Der Beton verdrängt das in dem Kasten befindliche Wasser und drückt es aus der zweiten Rohröffnung an der Oberseite des Kastens heraus. Die Schalung (Kasten) kann erst entfernt werden, wenn der Beton ausreichend erhärtet ist.

Siehe dazu das VDZ-Merkblatt "Unterwasserbeton", das vom Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e. V. in Köln herausgegeben wird.

 

Für tiefergehende Informationen verweisen wir auf weitere Merkblätter des Bundesverbandes der Deutschen  Zementindustrie e. V. www.vdz-online.de, des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins e. V. www.betonverein.de und auf den im Verlag Ernst & Sohn jährlich erscheinenden Betonkalender. 

 

(aktualisiert im Juli 2008)