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Beton

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Datei:StKarli Luzern small.jpg
St. Karl in Luzern, 1. Betonkirche der Schweiz
Arbeiter betonieren eine Bodenplatte

Beton ([beˈtõː, beˈtɔŋ], österr. [beˈtoːn], schweiz. [ˈbetɔ̃]) ist ein künstliches Gestein aus Zement, Betonzuschlag (Sand und Kies oder Splitt) und Wasser. Er kann außerdem Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten.

Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements, wodurch sich kleinste Kristallnadeln bilden, 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.

Beton kann zwar hohen Druck aushalten (40 MN/m² und mehr; entspr. ca. 250 Kleinwagen auf einem DIN A4 Blatt!), versagt aber schon bei niedrigen Zugbeanspruchungen (4 MN/m² und weniger). Trotzdem würde ein Betonstab, auf Zug nur durch sein Eigengewicht belastet, erst bei ungefähr 160 m Länge reissen. Beton wird daher im Hochbau und im Tiefbau häufig in Zusammenhang mit Betonstahl als Stahlbeton bzw. mit Spannstahl als Spannbeton verwendet. Bei diesem Verbundbaustoff übernimmt der Beton vor allem Druckkräfte und der vom Beton umhüllte Stahl vor allem Zugkräfte.

Das künstliche Gestein Beton hat zwei besondere zeitabhängige Eigenschaften. Erstens erfährt es durch die Austrocknung eine Volumenabnahme bzw. Verkürzung, was als Schwinden bezeichnet wird. Zweitens verformt es sich unter gleichbleibender Last, das sogenannte Kriechen. Der größte Teil des Wassers wird jedoch als Kristallwasser gebunden. Beton trocknet also nicht, vielmehr bindet er ab, d.h., der zunächst dünnflüssige Zementleim (Zement + Wasser) steift an, erstarrt und wird schließlich fest, je nach Zeitpunkt und Ablauf der chemisch-mineralogischen Reaktion des Zements mit dem Wasser, der Hydratation. Durch das Wasserbindevermögen des Zementes kann der Beton, im Gegensatz zum gebrannten Kalk, auch unter Wasser erhärten und fest bleiben.

Der Frischbeton wird heutzutage meist mit Autobetonpumpen oder Kränen zur Einbringstelle gefördert.

Unterscheidungsmerkmale

Beton lässt sich unterscheiden nach

Die Betoneigenschaften sind abhängig von der

  • Zusammensetzung (Zementgehalt, Menge Anmachwasser, Wasserzementwert, Kornabstufung, Qualität der Zuschlagstoffe, Mehlkorngehalt)
  • Verarbeitung (Verdichtung, Nachbehandlung)

Geschichte

Kuppel des Pantheon von innen

Dauerhafter Kalkmörtel als Bindemittel konnte schon an 10.000 Jahren alten Bauwerksresten in der Türkei nachgewiesen werden. Gebrannter Kalk wurde unter anderem durch die Ägypter beim Bau der Pyramiden verwendet. Die Römer entwickelten den opus caementitium (opus = Werk, caementitium = Zuschlagstoff), aus dessen Namen das Wort Zement abgeleitet ist. Dieser Baustoff, auch als römischer Beton bezeichnet, bestand aus gebranntem Kalk, Wasser, Sand und Bruchsteinen und zeichnete sich durch eine hohe Druckfestigkeit aus. Damit wurde unter anderem die Kuppel das Pantheon in Rom, welche einen Durchmesser von 43 Metern hat, hergestellt. Fraglich ist die Verwendung des römischem Betons bei der Kuppel des Doms in Florenz (Dom Santa Maria del Fiore). Die Kuppel wurde von 1420 bis 1431 unter Filippo Brunelleschi gebaut und war mit einem Durchmesser von 45 Meter und einer Höhe von 107 Meter damals die größte Kuppel der Welt.

Der Name Beton kommt aus dem französischen und leitet sich vom lateinischen Bitumen (schlammiger Sand, Erdharz, Bergteer, Kitt) ab. Die Wortschöpfung geht auf Bernard de Bélidor zurück, der das Wort Beton erstmalig 1753 in seinem Standardwerk "Architecture hydraulique" als Synonym für ein Mörtelgemisch benutzte.

Die Entwicklung des Betons in der Neuzeit begann 1755 mit dem Engländer J. Smeaton. Dieser führte, auf der Suche nach einem wasserbeständigen Mörtel, Versuche mit gebrannten Kalken und Tonen durch und stellte fest, dass für einen selbst erhärtenden (hydraulischen) Kalk ein bestimmter Anteil an Ton notwendig ist. Die Erfindung des Romanzements 1796 durch den Engländer J. Parker sowie des Portlandzements durch seine Landsmann J. Aspdin im Jahre 1824 leitete letztendlich 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 Modernen Kunst auch für Denkmäler oder Skulpturen verarbeitet. Exotisch ist die Verwendung im Schiffbau (zum Beispiel in einem Betonboot).

Frischbeton

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 hat ein Kubikmeter als Mengenanteile ungefähr 280 kg Zement, 170 l Wasser sowie 1950 kg Zuschläge, was einem Mischungsverhältnis von 1:0,6:7 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 teuerer. Bei einem Pumpen des Betons sollte die Betonkonsistenz mindestens im plastischen Bereich, d.h. Ausbreitmaßklasse F2 besser F3, liegen. Zur Kontrolle der Konsistenz gibt es genormte baustellengerechte Verfahren, den Verdichtungsversuch und den Ausbreitversuch. Das nachträgliche Zumischen von Wasser zum fertigen Frischbeton, z.B. bei Ankunft auf der Baustelle, ist nach den deutschen Vorschriften unzulässig.

Konsistenzbereiche des Frischbetons nach DIN 1045-2
Konsistenzbereich Ausbreitmaßklassen Verdichtungsmaßklassen
Klasse Ausbreitmaß [mm] Klasse Verdichtungsmaß
sehr steif - - C0 ≥1,46
steif F1 ≤340 C1 1,45 - 1,26
plastisch F2 350 - 410 C2 1,25 - 1,11
weich F3 420 - 480 C3 1,11 - 1,04
sehr weich F4 490 - 550
fließfähig F5 560 - 620
sehr fließfähig F6 ≥630
SVB - >700

Festigkeitsklassen

Die Druckfestigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften des Betons. Die DIN 1045-1:2001-07 schreibt eine Beurteilung durch die Prüfung nach 28 Tagen anhand von Würfeln mit 15 cm Kantenlänge (Probewürfeln) oder 30 cm langen Zylindern mit 15 cm Durchmesser vor. Anhand der ermittelten Druckfestigkeit 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.

Druckfestigkeitsklassen für Normalbeton nach DIN 1045-1
Überwachungs- klasse Festigkeits- klasse charakteristische Zylinderdruckfestigkeit (N/mm²) Mittelwert der Zylinderdruckfestigkeit (N/mm²) Mittlere Zugfestigkeit(N/mm²)
1 C12/15 12 20 1,6
C16/20 16 24 1,9
C20/25 20 28 2,2
C25/30 25 33 2,6
2 C30/37 30 38 2,9
C35/45 35 43 3,2
C40/50 40 48 3,5
C45/55 45 53 3,8
C50/60 50 58 4,1
3 C55/67 55 63 4,2
C60/75 60 68 4,4
C70/85 70 78 4,6
C80/95 80 88 4,8
C90/105 90 98 5,0
C100/115 100 108 5,2

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 2 und 3 ist u.a. durch eine anerkannte Überwachungsstelle zu überprüfen. Die Überwachung ist ungefähr vergleichbar mit den Anforderungen an einen Beton der Betongruppe BII der alten DIN 1045:1988-07.

Rohdichten

Die Rohdichte des Betons hängt vom Zuschlag ab. Bei Normalbeton beträgt diese 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. 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.

Bauphysik

Für Beton kann eine Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl zwischen 70 und 150 angesetzt werden. Der Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit beträgt 2,1 für Normalbeton, der Wärmeausdehnungskoeffizient nach den Stahlbetonnormen 10-5.

Dauerhaftigkeit

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.

Schädigungsmechanismen sind: Betonkorrosion - Carbonatisierung; Bewehrungskorrison - Rost; chloridinduzierte Bewehrungskorrosion; Sulfattreiben; Alkali-Kieselsäure-Reaktion; Kalktreiben; Frost-Tau-Wechsel; Sonneneinstrahlung

Um die Dauerhaftigkeit zu erhöhen, kann Beton nachbehandelt werden. Siehe dazu: [1].

Betonsorten

Nach Herstellung

Baustellenbeton

Baustellenbeton ist Beton, der in einem eigenen Werk direkt auf der Baustelle hergestellt wird, im Gegensatz zu Transportbeton, der mit Mischfahrzeugen von einer stationären Anlage angeliefert wird. Dies ist in Deutschland nur bei Baustellen mit großem Betonbedarf, die eventuell auch nur auf langen Anfahrtswegen zu erreichen sind, üblich. Die Baustellenbetonwerke liefern, sofern technisch und personell bei dafür ausgelegt, sämtliche Betonfestigkeitsklassen und -sorten wie eine stationäre Anlage.

Transportbeton

Transportbeton ist Beton, der in großen stationären Mischanlagen zentral hergestellt und dann mit Betonmischfahrzeugen auf den Baustellen angeliefert wird. Eine andere Bezeichnung von Transportbeton ist Fertigbeton, weil er bereits fertig gemischt ist und nur noch eingebracht werden muß. Die Herstellung von Transportbeton ist in der Europäischen Norm EN 206 geregelt. Die Abrechnung von Transportbeton erfolgt im deutschen und europäischen Markt nach bestimmten marktinternen Regeln. Die meisten Unternehmen, die Transportbeton produzieren und abrechnen, bedienen sich dabei auf sie zugeschnittener Spezialsoftware aus dem eigenen Hause oder von den wenigen freien Anbietern (z.B. http://www.cibamberg.de)

Ortbeton

Mit Ortbeton bezeichnet man Beton, der vor Ort auf der Baustelle verarbeitet wird und dort, meist in einer Schalung, abbindet, im Gegensatz zu Betonfertigteilen, die in erhärtetem Zustand direkt eingebaut werden. Ortbeton wird entweder als Transportbeton auf der Baustelle angeliefert oder dort als Baustellenbeton hergestellt. Nach dem Verfüllen in den Schalungen muss der Ortbeton verdichtet werden, eingeschlossene Luftblasen werden mit Rüttelmaschinen entfernt.

Nach Einbau

Spritzbeton

Spritzbeton ist Beton, der mit Druckluft in Rohrleitungen oder Schläuchen zu einer Spritzdüse gefördert wird, wo der Beton flächenartig aufgetragen und dadurch gleichzeitig verdichtet wird. Insbesondere im Tunnelbau bei der Sicherung freigelegter Flächen hat dieses Betonierverfahren eine große Bedeutung.

Unterwasserbeton

Unterwasserbeton ist Beton, der unter Wasser eingebaut wird. Damit sich der Beton beim Betonieren nicht entmischt sind besondere Betonierverfahren, wie das Benutzen von ortsfesten Trichtern (Kontraktorverfahren), notwendig. Der Beton muss ein gutes Zusammenhaltevermögen und eine gute Verarbeitbarkeit haben. Dazu sollte der Zementgehalt mindestens 350 kg/m³ betragen. Unterwasserbeton wird insbesondere bei Schlitzwänden und im Grundwasser als Sperrschicht bei Bodenplatten verwendet.

Walzbeton

Walzbeton ist ein erdfeuchter Beton, der mit einem Straßenfertiger in Lagen von etwa 20 cm Dicke eingebaut und vorverdichtet wird. Die Nachverdichtung erfolgt mit Gummiradwalzen. Walzbeton hat einen niedrigen Zementgehalt (80 – 150 kg/m³) und wird vor allem im Straßenbau und bei Industrieböden eingesetzt.

Nach Eigenschaften

Estrichbeton

Estrichbeton ist ein Spezialbeton zur Herstellung von Fußbodenschichten in Gebäuden. Erfüllt besondere Anforderungen, u.a. durch Begrenzung der Korngröße der Zuschlagstoffe, so dass dünne Schichten von wenigen cm Dicke bei guten Oberflächeneigenschaften hergestellt werden können.

Porenbeton

Porenbeton (früher 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. Vor dem Aushärten in gespanntem Sattdampf im Autoklaven werden die Blöcke zu Wandelementen, Dämmelementen oder Steinen geschnitten. Porenbeton besitzt im Vergleich zu konventionellem Beton wegen seiner geringen Rohdichte eine geringe Festigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Im Sinne der Begriffsdefinition von Beton ist Porenbeton kein Beton, er enthält keine Zuschlagsstoffe sondern große Luftporen. Bauteile aus Porenbeton können wie Bauteile aus Stahlbeton eine Bewehrung enthalten, die Zugkräfte aufnehmen kann.

Faserbeton

Beim Faserbeton werden dem Beton zur Verbesserung der Zugfestigkeit, und damit des Bruch- und Rissverhaltens, Fasern zugegeben. Diese Fasern sind in der Matrix (Zementstein) eingebettet. Sie wirken als Bewehrung. Bei höheren Zugbeanspruchungen treten Risse im Beton auf. Durch die Verwendung eines Faserbetons werden diese Risse verhindert oder zumindest in viele sehr feine und damit normalerweise unschädliche Risse aufgeteilt.

Es können kurze oder lange in Zugbeanspruchungsrichtung eingelegte Fasern verwendet werden. Lange Fasern werden meist in Form von Glasfasertextilmatten eingesetzt. Man spricht dann von textilbewehrtem Beton oder auch Textilbeton.

Glasfasern Normales Glas reagiert mit den Alkalien des Betons. Deshalb müssen alkalibeständige Glasfasern verwendet werden (z.B: AR-Glasfaser).

Stahlfasern Es werden Stahlfasern verschiedenster Art verwendet. (Nichtrostend, Baustahl, aufgebogen, nicht aufgebogen,...)

Kunststofffasern Hier sind insbesondere die in den USA entwickelten Kevlarfasern interessant, da sie ähnlich gute Eigenschaften wie die der übrigen Fasern besitzen.

Kohlenstofffasern Kohlenstofffasern besitzen den höchsten E-Modul der hier angeführten Fasern.

Polymerbeton (PC)

Polymerbetone enthalten im Gegensatz zum normalen Beton ein Polymer (Kunststoff), z.B. Kunstharz, als Bindemittel, das die Gesteinskörnung (Zuschlag) zusammenhält. Zement wird im Polymerbeton wenn überhaupt nur als Füllstoff, also als Erweiterung der Gesteinskörnung in den Feinstkornbereich hinein eingesetzt und übernimmt keine Bindewirkung. Polymerbetone werden hauptsächlich in der Sanierung bestehender Bauteile benutzt. Durch die geringen Topfzeiten (Erhärtungszeiten) der Polymere von unter einem Tag können bei Straßen und Brücken lange Sperrzeiten vermieden werden.

Splittbeton

Splittbeton enthält Splitt einer Körnung sowie Zement und Wasser. Nach dem Abbinden ergibt sich ein zusammenhängendes Hohlraumsystem, durch das Wasser abfließen kann. Dadurch besteht geringere Frostgefahr im Winter. Splittbeton wird im Straßen- und Wegebau sowie beim Setzen von Randsteinen etc. angewendet. Splittbeton wird heute im Brückenbau häufig unter Verwendung von polymeren Bindemitteln hergestellt, da sonst die relativ große innere Oberfläche bei der Verwendung von hydraulischen Bindemitteln zu einer schnellen Auswaschung desselben und zur Entstehung von Aussinterungen in Tropftüllen und an Bauwerksunterseiten führt.

Asphaltbeton

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

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 Material ist Frostschutz 0-32.


Neuere Entwicklungen

Selbstverdichtender Beton

Durch geeignete Rezepturen oder Zusatzmittel ist es möglich Beton herzustellen, der ohne von aussen zugeführte Verdichtungsenergie (Rütteln) auskommt. Dieser Beton wird als selbstverdichtender Beton oder SCC-Beton bezeichnet.

Hochfester Beton

Durch den Zusatz von Hochleistungsverflüssigern und extrem feiner Zuschlagstoffe (Silika-Staub) ist es möglich, Betone hoher Festigkeit herzustellen.

Ultrahochfester Beton

Ultrahochfester Beton (UHFB), international als "Ultra High Perfomance Concrete (UHPC)" bezeichnet, stellt das Ergebnis der weitergeführten Forschungstätigkeit auf Grundlage des Hochfesten Betons dar. Aufgrund seines vorzugsweise geringen Größtkorndurchmessers und seiner hohen Reaktivität der festen Bestandteile umreißt die auf französische Forschungen in den achtziger Jahren zurückreichende Parallelbezeichnung „Reaktionspulverbeton“ bzw. "Béton de Poudres Réactives" (BPR) oder "Reactive Powder Concrete" (RPC) seine technologische Besonderheit sehr treffend.

Transluzenter Beton

Durch die Einlegen von optischen Fasern gelang es dem Ungarn Aron Losonczi, lichtdurchlässige Betonelemente herzustellen. Der "Leuchtbeton" wird unter dem Namen "LiTraCon" Anfang nächsten Jahres auf den Markt kommen.

Papierbeton

Papercrete oder Papier-Beton ist ein Baustoff, der leicht ist und eine hohe Festigkeit aufweist. Natürlich können auch andere Fiber- und Metall Verarbeitungsabfälle Anwendung finden. Entscheidend ist der Mix (Pabercrete ~ 60 Papier - 20 Staub/Mineral - 20 fein Zement.Man hat bereits einfache Geodätische Kuppeln mit diesem Material gebaut, wobei auch Metallgeflecht-Verstärkung (Reinforcement) verwendet werden kann.

Web-Links zum Papierbeton
http://www.northcoast.com/~tms/papercrete.html
http://www.papercrete.com
http://www.starship-enterprises.net/Papercrete/Mixer/index.html

Siehe auch

Datei:Beton in japan.jpg
Japan ist eines der Länder mit sehr hohem Betonbedarf

Literatur

  • K. Bergmeister und J.-D. Wörner: Betonkalender 2005. Ernst & Sohn 2004, ISBN 3-433-01670-4
  • F. Leonhardt und E. Mönnig: Vorlesungen über Massivbau. Erster Teil: Grundlagen zur Bemessung im Stahlbetonbau. Springer-Verlag Berlin, ISBN 3-540-06488-5

Weblinks

Vorlage:Wiktionary1

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