The book is no encyclopedia of construction materials but rather a systematic description with the emphasis on the basics of material behaviour in order to assist the understanding of the dependencies of the material constants, which are not actually constants.
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Beton war schon in der Antike ein bewährter Baustoff. Die Phönizier, Griechen und Römer haben damit gebaut, wenn auch die Zusammensetzung nicht ganz der heutigen Betonzusammensetzung entsprach [197]. Der heutige Beton wird aus Zement, Gesteinskörnungen (früher und auch heute noch häufig Betonzuschlag genannt), Wasser und meist noch mit Betonzusatzstoffen und Betonzusatzmitteln hergestellt. Das Gemisch aus Zement und Wasser bewirkt beim Frischbeton die Verarbeitbarkeit und den Zusammenhalt. Beim erhärteten Beton sichert es die Verkittung der Zuschlagkörner und damit das Zustandekommen der Festigkeit und der Dichtheit des Betons. Beton wird als ein Zweiphasensystem aufgefasst, das beim Frischbeton aus Zementleim und Gesteinskörnung und beim erhärteten Beton aus Zementstein und Gesteinskörnung besteht. Mit der Betrachtung des Betons als Zweiphasensystem können einige betontechnologische Zusammenhänge klarer dargestellt und die Eigenschaften des frischen und des erhärteten Betons sinnvoller erklärt werden. Aus dieser Betrachtungsweise ergeben sich auch die wesentlichsten Einflüsse auf die Eigenschaften des Betons. Für Beton mit geschlossenem Gefüge sind dies:
– die Eigenschaften des Zementsteins,
– die Eigenschaften der Gesteinskörnung und
– die Haftung zwischen Zementstein und Gesteinskörnung.
Unter diesen drei Einflussgrößen sind die Eigenschaften des Zementsteins für viele, aber nicht für alle Anwendungsfälle die wichtigsten. Der Zementstein wird von einem System sehr feiner Poren durchzogen und weist je nach Zusammensetzung und Alter eine mehr oder weniger hohe Porosität auf. Das Porensystem des Zementsteins ist für die mechanischen Eigenschaften, die Dauerhaftigkeit und die Dichtheit eines Betons von ausschlaggebender Bedeutung. Die betontechnologischen Parameter, welche das Porensystem des Zementsteins bestimmen, sind der Wasserzementwert, das ist das Gewichtsverhältnis von Wasser zu Zement des Frischbetons, und der Hydratationsgrad, das ist der Gewichts- oder Volumenanteil des Zements, der zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasser reagiert hat. Der Hydratationsgrad hängt damit vom Alter des Betons, von der Dauer und der Güte der Nachbehandlung und den Standort- und Klimaverhältnissen ab. Aber auch Art und Festigkeitsklasse des Zements sowie Betonzusätze können das Porensystem des Zementsteins maßgeblich beeinflussen.
Die Gesteinskörnung nimmt im Normalfall etwa 70% des Betonvolumens ein. Da sie in vielen Fällen fester, steifer und auch dichter als der Zementstein ist, beeinflusst sie bei Normalbeton weniger die Festigkeit als vielmehr seine Steifigkeit, d. h. den Elastizitätsmodul und die Rohdichte des Betons. Die Gesteinskörnungen können in ihrer Struktur und in ihren mechanischen Eigenschaften kaum verändert werden, wohl aber in ihrer Korngrößenverteilung, die sich vorrangig auf die Eigenschaften des Frischbetons auswirkt. Da die Korngrößen der Gesteinskörnungen von Bruchteilen von Millimetern bis zu mehreren Zentimetern reichen können, ist es für manche Problemstellungen von Vorteil, zwischen den beiden Phasen Feinmörtel und Grobzuschlag anstelle von Zementstein und Gesteinskörnung zu unterscheiden. Betonzusätze, insbesondere Zusatzstoffe, können sowohl der Phase Zementstein als auch der Phase Feinmörtel zugeordnet werden.
Die Haftung zwischen Zementstein und Gesteinskörnung gehört zwar zu den drei wichtigsten Einflüssen auf die Eigenschaften des Betons, sie kann aber, für sich allein behandelt, mit baupraktischen Mitteln nur sehr schwer beeinflusst werden. Ihre Größe wird damit von den beiden anderen Einflussgrößen, den Eigenschaften des Zementsteins und der Gesteinskörnung, bestimmt.
Betontechnologische Fragen und die Konformität der Eigenschaften sind in Deutschland in Normen geregelt, und zwar in DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 für Normalbeton, gefügedichten Leichtbeton und Schwerbeton. Prüfverfahren sind in den Normenreihen DIN EN 12350 für Frischbeton und DIN EN 12390 für Festbeton festgelegt. Weitere Normen gelten für die Ausgangsstoffe, so DIN EN 197 für Zement, DIN EN 12620 für Gesteinskcrnungen, DIN EN 450 für Flugasche, DIN EN 13263 für Silicastaub, DIN EN 15167 für Hüttensandmehl und DIN EN 934 für Betonzusatzmittel.
1.2 Betonklassen
In nationalen und internationalen Vorschriften für Beton ist es üblich, Beton nach seiner Druckfestigkeit zu klassifizieren. Die Festigkeitsklasse eines Betons ist zugleich einer der Ausgangswerte für den statischen Nachweis einer Betonkonstruktion. Die Festigkeitsklassen nach DIN EN 206-1 sind in den Tabellen F.1 und F.2 angegeben. Tabelle F.1 gilt für Normal- und Schwerbeton, Tabelle F.2 für gefügedichten Leichtbeton. Die Kurzbezeichnung gibt mit der ersten Zahl die charakteristische Druckfestigkeit [N/mm2] an, gemessen an einem Zylinder mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Länge von 300 mm, die zweite Zahl die Druckfestigkeit [N/mm2], gemessen an einem Würfel mit 150 mm Kantenlänge. Der statistische Begriff „charakteristisch“ bezieht sich auf das 5%-Quantil der Grundgesamtheit, „C“ steht für Normal- und Schwerbeton, „LC“ für Leichtbeton. Da die Druckfestigkeit einer Betonprobe von ihrer Größe und ihrer Gestalt sowie von den Erhärtungsbedingungen, denen sie ausgesetzt ist, abhängt, müssen bei einer Einteilung in Festigkeitsklassen die Probenabmessungen, die Lagerungsbedingungen und das Betonalter, zu dem die Bestimmung der Betondruckfestigkeit erfolgt, festgelegt sein.
Tabelle F.1 Festigkeitsklassen für Normal- und Schwerbeton nach DIN EN 206-1
Festigkeitsklasse
fck,cyl [N/mm2]
fck,cube, [N/mm2]
C8/10
8
10
C12/15
12
15
C16/20
16
20
C20/25
20
25
C25/30
25
30
C30/37
30
37
C35/45
35
45
C40/50
40
50
C45/55
45
55
C50/60
50
60
C55/67
55
67
C60/75
60
75
C70/85
70
85
C80/95
80
95
C90/1051)
90
105
C100/1151)
100
115
1) Für Beton der Festigkeitsklassen C90/105 und C100/115 bedarf es weiterer auf den Verwendungszweck abgestimmter Nachweise.
Tabelle F.2 Festigkeitsklassen für Leichtbeton nach DIN EN 206-1
Festigkeitsklasse
fck,cyl [N/mm2]
fck,cube [N/mm2]
LC8/9
8
9
LC12/13
12
13
LC16/18
16
18
LC20/22
20
22
LC25/28
25
28
LC30/33
30
33
LC35/38
35
38
LC40/44
40
44
LC45/50
45
50
LC50/55
50
55
LC55/60
55
60
LC60/66
60
66
LC70/771)
70
77
LC80/881)
80
88
1) Für Leichtbeton der Festigkeitsklassen LC70/77 und LC80/88 bedarf es weiterer auf den Verwendungszweck abgestimmter Nachweise.
Die Festigkeitswerte beziehen sich auf die Prüfung im Alter von 28 Tagen nach einer Lagerung im Feuchtraum oder unter Wasser (EN 12390-2). Wird nach DIN EN 12390-2, Anhang XX, 7 Tage feucht und 21 Tage im Normalklima 20ºC/65% r. F. gelagert, müssen die Werte wie folgt umgerechnet werden:
–
Normalbeton bis C50/60:
fck,EN = 0,92 fck,DIN ;
–
hochfester Normalbeton ab C55/67:
fck,EN = 0,95 fck,DIN.
Soll bei hochfestem Beton statt an Würfeln mit 150 mm Kantenlänge an Würfeln mit 100 mm Kantenlänge geprüft werden, gilt die Umrechnung fck,150 = 0,97 fck,100. Für Leichtbeton stehen keine allgemeingültigen Umrechnungsfaktoren zur Verfügung. Diese müssen jeweils im Labor bestimmt werden.
In der Bemessungsnorm DIN 1045-1 wird als Betonfestigkeit die Zylinderfestigkeit verwendet. Der Nachweis der Festigkeit durch die Übereinstimmungsprüfung geschieht jedoch im Regelfall am Würfel.
Die Festigkeitsklassen C55/67 bis C100/115 und LC55/60 bis LC80/88 sind dem hochfesten Beton bzw. hochfesten Leichtbeton vorbehalten. Die beiden höchsten Festigkeitsklassen können nur mit Zustimmung der Bauaufsicht nach weiteren Nachweisen eingesetzt werden.
Obwohl heute Betone mit Festigkeiten deutlich über C100/115 angewendet werden, können diese nicht in Klassen eingeteilt werden, da sie bisher nicht Gegenstand einer Norm sind.
Neben den Festigkeitsklassen wird bei Leichtbeton auch zwischen verschiedenen Rohdichteklassen unterschieden (siehe Tabelle F.3). Eine entsprechende Unterscheidung ist bei Normalbeton nicht erforderlich, da dessen Rohdichte nur in engen Grenzen schwankt. Bei Schwerbeton wird die Rohdichte im Versuch oder aus der Mischungszusammensetzung vorab bestimmt, damit sie in der statischen Berechnung entsprechend berücksichtigt werden kann. Der Definition nach hat Leichtbeton eine Trockenrohdichte bis 2 kg/dm3 und Schwerbeton eine Dichte über 2,6 kg/dm3. Normalbeton liegt dazwischen.
Tabelle F.3 Rohdichteklassen von Leichtbeton nach DIN EN 206-1
2 Ausgangsstoffe
2.1 Zement
2.1.1 Arten und Zusammensetzung
Zement ist ein hydraulisches Bindemittel, das aus fein gemahlenen, nichtmetallischen, anorganischen Stoffen besteht. Mit Wasser vermischt ergibt er Zementleim. Dieser erstarrt und erhärtet durch Hydratationsreaktionen zu Zementstein. Nach dem Erhärten bleibt der Zementstein auch unter Wasser fest und raumbeständig. In seinen Eigenschaften unterscheidet sich Zement von anderen hydraulischen Bindemitteln, z. B. den hydraulischen oder hochhydraulischen Kalken, durch seine schnellere Festigkeitsentwicklung und häufig auch durch seine höhere Druckfestigkeit.
Hauptbestandteile von Zement nach DIN EN 197-1:2001-02 können sein:
– Portlandzementklinker (K);
– Hüttensand (granulierte Hochofenschlacke) (S);
– natürliche Puzzolane (P, Q);
– Flugasche (V, W);
– gebrannter Schiefer (T);
– Kalkstein (L, LL);
– Silicastaub (D).
Darüber hinaus können die Zemente Calciumsulfat sowie Zementzusätze enthalten [198].
Portlandzementklinker (K) ist ein hydraulischer Stoff. Er besteht nach Massenanteilen zu mindestens zwei Dritteln aus Calciumsilicaten und kleineren Anteilen an Aluminium- und Eisenoxid sowie anderen Verbindungen. Portlandzementklinker wird durch Brennen mindestens bis zur Sinterung einer fein aufgeteilten und homogenen Rohstoffmischung hergestellt, die hauptsächlich CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 und geringe Mengen anderer Stoffe enthält.
Hüttensand (S) ist ein latent hydraulischer Stoff, d. h. er...
