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Eigenschaften von Beton und Stahlbeton sowie Betonkorrosion

Beton ist ein künstlicher Stein, der eine sehr verbreitete Anwendung im Bauwesen gefunden hat. Bereits die Römer verbauten Römischen Beton (opus caementitium), ein Gemisch aus Sand, Steinen, Wasser und einem tonig-kalkigem Bindemittel, welches vorher aus Kalkstein gebrannt wurde. Es wurde vielfach Trass und Ziegelmehl für ein dichtes Gefüge zugesetzt. Der Baustoff fand beim Bau von Gebäuden und des umfangreichen Wasserleitungssystems Anwendung, zum Beispiel wie die historische Wasserleitung in Köln.

Der Baustoff Beton besteht aus einem Gemisch aus Zement, Betonzuschlag und Wasser. Je nach Zusammensetzung und der jeweiligen Eigenschaften der Bestandteile werden bestimmte Betoneigenschaften erzielt.

Futtermischwerk, hergestellt im Gleitverfahren
Der Autor hatte dies Mischfutteranlage in Niederpölnitz
als Lehrling und Jungfacharbeiter mit errichtet.

Zement ist das Bindemittel, welches die Zuschlagstoffe miteinander verbindet. Beim Erhärten (Hydratation) wandelt sich Zement zuerst in Zementleim und dann in Zementstein um. Seine Struktur bestimmt vordergründig die Eigenschaften des Betons, wie die Festigkeit und Dichtigkeit.
Die Hydration beginnt sofort bei Wasserzugabe, die Gelbildung setzt an den Zementkorngrenzen ein und endet mit der vollständigen Umwandlung des Korns. Für die Qualität des Betons ist eine ordnungsgemäße Nachbehandlung erforderlich (Schutz vor starken Temperaturschwankungen und Regen oder schnellem Austrocknen, bis die eigne Widerstandsfähigkeit gegenüber schädigenden Einflüssen erreicht wird.) Für den Hydratationsprozess ist genügend Wasser erforderlich und während dieses Prozesses sollte die relative Luftfeuchte 80% betragen. Bei einer relativen Luftfeuchte von 60% und weniger wird die Hydratation praktisch gestoppt. Der Wasseranteil sollte etwa bei 0,4 (Wasseranteil/Zementanteil) liegen. Das Masseverhältnis wird als Wasserzementwert bezeichnet. Es hat eine ausschlaggebende Bedeutung für den Porenraum im Zementstein und damit für die Dichtigkeit und Festigkeit des Betons. Ist das Verhältnis zu gering, so läuft die Hydratation unvollständig ab und Klinkerreste bleiben zurück. Wird der Wasseranteil erhöht, so nimmt die Betondruckfestigkeit stark ab. Ab einen w/z-Wert von 0,6 liegt ein durchgängiges Porensystem vor. Das Eindringen von flüssigen und gasförmigen Stoffen ist leicht möglich, was eine Karbonatisierung begünstigt.

Hochfester Beton wird zum Beispiel mit niedrigem w/z -Werten zwischen 0,25 bis 0,35 hergestellt. Auch bei dem Glasfaserbeton wird das Überschusswasser während des Herstellungsverfahrens entzogen und somit der w/z-Wert verringert.

Zur Erreichung der hohen Druckfestigkeit und Dichtigkeit wird die Verringerung der Porosität durch das Zumischen von Mikro- und Nanosilikat (5 bis 10% des Zementanteils) erreicht. Und damit wird auch die Bedeutung der Zuschlagstoffe deutlich.
Die Zuschlagstoffe setzen sich aus unterschiedlichem Größtkorn zusammen. Je nach Festigkeitsklassen B 5 oder B 25 sind bestimmte Mischungsverhältnisse erforderlich. Die optimale Zusammensetzung der Korngruppen 0-63 kann der entsprechenden Sieblinie entnommen werden. Bei optimaler Zusammensetzung kann der Anteil an Zement bei gleicher Betonqualität kleiner sein, als bei einer ungünstigen Zusammensetzung. Mit den jeweiligen Zuschlägen werden die Betoneigenschaften bestimmt. Werden wenig geeignete Zuschläge verwendet, zum Beispiel mit geringer Feuchtebeständigkeit, so kann dies wie bei der A 9 und A 4 einen Schaden in Milliardenhöhe verursachen.

Werden sehr leichte Zuschläge zugemischt, so entsteht ein Leichtbeton.
Die Zuschlagstoffe sind anorganischen Ursprungs und sind so bioresistent. Ausnahme sind Polystyrol-Leichtbeton und Holzbeton. Vor dem Einsatz ist daher die mögliche Gefahr einer höheren Feuchtebelastung zu prüfen. Die große Speicherfähigkeit von Feuchtigkeit der Leichtzuschlagstoffbetone wird durch die Struktur bestimmt. Allerdings ist die kapillare Wasseraufnahme gegenüber anderen Wandbaustoffen gering und liegt zum Beispiel gegenüber von Ziegel nur bei 1/10 bis 1/20.
Ohne Beton würde es nur wenige Hochhäuser geben Blähton-Beton zeigt gegenüber Hüttenbims-Beton eine bessere Feuchtigkeitsabgabe (Desorption). Der Schaumbeton hat durch seine hohe kapillare Wasseraufnahme ein ungünstiges Feuchteverhalten. Er gibt wie der Hüttenbims-Beton nur langsam das Wasser wieder ab. Dies hängt damit zusammen, dass Hüttenbims und Schlacke hygroskopisch sind. Der Schaumbeton wird wegen seinen Luft härtenden und fließfähigen Eigenschaften für Wärme dämmende Ausgleichsschichten und für die Verfüllung verwendet.

Schwerbeton wird mit Zuschlägen mit der Dichte von 4000 kg/m3 (Baryt) bis 7000 kg/m3 (Eisengranalien) und Anderen hergestellt. Schwerbeton muss eine Rohdichte von mindestens 2800 kg/m3 haben. Diese Schwerbetone werden zum Beispiel zum Strahlenschutz oder auch als Ballast verwendet. In der Regel werden diese Bauteile mit großem Querschnitt herstellt. Um die Rissgefahr infolge Zwang zu verkleinern, sind Zemente mit niedriger Hydratationswärme zu verwenden. Die Zwangsspannungen treten infolge der Hydratationswärme auf. Bisher versuchte man fast ausschließlich die Rissbreite durch das Zulegen von Bewehrung zu beschränken.

Bei Beton ist die Biegezug- und Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit gering. Beton hat eine große Reißneigung. Er hat aber eine hohe Druckfestigkeit, die etwa 10-mal so groß wie die Zugfestigkeit ist. Innere Zugkräfte können daher durch eine "schlaffe" Stahlbewehrung aufgenommen werden. Zur Verbesserung der Zugzone wird Betonstabstahl in Form Einzelstäbe oder Betonstahlmatten einbetoniert. Die Zugkräfte werden über die Reibung, Oberflächenverbund und Haftung an den Beton abgegeben. Dieser leitet diese Kräfte durch seine Schubtragkräfte weiter. Der Verbundwerkstoff Stahlbeton kann so Biegedruck- und Biegezugkräfte aufnehmen. Der Stahlbeton muss einen bestimmten Korrosionsschutz erfüllen. Dies wird durch einen bestimmten Anteil an Zement erreicht, der im Außenbereich bei etwa 300 kg/m3 liegt. Bei der Verwendung von Zement mit den Festigkeitsklassen Z 45 oder Z 55 kann dieser Anteil auf 270 kg/m3 verringert werden. Eine größere Zementmenge führt aber auch zur Zunahme der Hydratationswärme. Daraus resultieren Temperaturspannungen die eine Rissgefahr erhöhen.

Bei richtiger Zusammensetzung und konstruktiver Ausführung der Betonteile, eventuell auch Schutzschichten, hat der Beton eine verhältnismäßig gute chemische und biologische Resistenz (siehe Korrosion von Beton und Stahlbeton durch chemische Verbindungen und Mikroorganismen). Besondere Probleme werden durch Sulfide im Abwasserbereich an Betonteilen verursacht.
Für den Korrosionsschutz des Bewehrungseisens von Stahlbeton sind Mindestdicken erforderlich, da durch die Karbonatisierung der pH-Wert reduziert wird. Der pH-Wert sorgt für einen passiven Korrosionsschutz des Bewehrungseisens. Wegen der erforderlichen Mindestdicken des Stahlbetons können keine dünneren Konstruktionen ausgeführt werden. Alternativ kommt dann Faserbeton zur Anwendung. Hier müssen aber seine speziellen Besonderheiten beachtet werden. Das trifft besonders zu, wenn die übliche Stahlbewehrung durch Fasern ersetzt werden soll. Durch die Zugabe von Fasern bilden sich bei der Überschreitung der Zugfestigkeit statt weniger breiter Risse viele kleine Risse. Diese werden durch die Fasern überbrückt. Die Fasern müssen aber auch genügend fest in der Matrix haften (Haftfestigkeit τ), damit auch die Zugfestigkeit βz ausgenutzt wird. Hierzu gilt ein bestimmtes Verhältnis von Länge l und Durchmesser d der Fasern.

l : d = βz : 2 τ

Bei Stahlfasern liegt die Länge bei 20 bis 50 mm und der Durchmesser bei 0,2 bis 1 mm.

Von den vielen Vorteilen des Einsatzes sollen zwei genannt werden. Zum Beispiel kann die Tragfähigkeit von Sohlplatten auf das 2 bis 3-Fache gesteigert werden. Diese mussten unbewehrt ausgeführt werden. Verformungen des Unterbetons aus Temperatureinflüssen und Schwinden sowie Beanspruchungen durch Feuchte können durch eine Faserbetonschicht aufgenommen werden. Ebenso werden vorhandene Risse überbrückt.

Ab einem Faseranteil von 25 kg/m3 kann eine Wirkung der Fasern im Beton festgestellt werden. Eine vorteilhafte Beeinflussung auf das Rissverhalten wird ab 40 kg/m3 (circa 0,5 Vol.-%) erzielt.
Der Anteil an Stahlfasern liegt bei 1 bis 2 Vol.-%. Aus wirtschaftlichen Gründen wird der Anteil zwischen 3 bis 6 Vol.-% begrenzt. 70 bis 90% der Kosten werden dann von den Fasern bestimmt. Es sind auch höhere Faseranteile möglich, die bei über 10 Vol.-% liegen. Die Realisierung dieser Beton sind dann mithilfe des SIFCON-Verfahren (Slurry Infiltrated Fibre Concrete). In die Schalung werden zu erst die Stahlfasern eingestreut und dann wird die Zementsuspension eingegeben, die die verbliebenen Zwischenräume im Fasergerüst ausfüllt. Ansonsten erfolgt die Herstellung des Stahlfaserbetons in dem zuerst das Zementleim-Zuschlags-Gemisch hergestellt wird. Anschließend werden die Stahlfasern zugegeben.

Die Anwendung des Stahlfaserbetons ist vielfältig, zum Beispiel bei dünnen Schalen, Stahlfaserspritzbeton im Tummel und Stollenbau, Stützwänden oder bei Spannbeton-Reaktordruckbehältern. Sehr bekannt sind zum Beispiel auch noch die Faserzement-Wellplatten auf den Dächern von Garagen oder Gartenlauben. Der Baustoff hat hervorragende Eigenschaften. Aber herauslösende Asbestfasern sind gesundheitlich sehr bedenklich, daher wurden diese durch physiologisch unschädliche Fasern ersetzt, wie modifizierte Polyacrylnitril-Fasern (Donalit) oder Polyvinylalkohol-Fasern (Kuralon).

Bei der Herstellung von Faserbeton finden Kunststoff-, Kohlenstoff- und Zellulosefasern Anwendung. Kelvarfasern besitzen eine Zugfestigkeit von 3000 N/mm2 (Stahlfasern 1000 bis 3500 N/mm2) und einem E-Modul von 70 bis 135 kN/mm2. Polyesterfasern haben eine Zugfestigkeit von 1000 N/mm2, sind aber duktil (gut dehn-, streckbar, verformbar) und sind nicht so spröde wie hochfeste Fasern. Die mechanischen Eigenschaften der behandelten Kohlenstofffasern erreichen eine Zugfestigkeit von 300 bis 5000 N/mm2 und einem E-Modul von 200 bis 450 kN/mm2. Wegen technischer Probleme und des hohen Preisens erfolgt gegenwärtig keine Anwendung. Die organischen Fasern haben keine ausreichende Alkalibeständigkeit eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit und einen geringen E-Modul. Der E-Modul sollte mindestens dem des Zementsteins betragen.

Die Zugfestigkeit von Glasfasern liegt zwischen 2000 bis 4500 N/mm2 und einem E-Modul bei 50 bis 110 N/mm2. Die Fasern müssen alkalibeständig sein, wie Soda-Zirkon-Glas oder AR-Glas.

Glasfaserbeton wird durch Einrieseln, Einspritzen (spray-up Verfahren), Einlegen, Eintauchen (lay-up Verfahren) oder im Wickelverfahren hergestellt. Da die spröden Glasfasern leicht brechen können, erfolgt nur selten ein Mischen in Mischern.
Je nach Verfahren werden die Fasern mit Zementleim in die Schalung gespritzt oder eingelegt. Anschließend wird das Überschusswasser entfernt und ein niedriger Wasserzementwert von 0,2 bis 0,3 erreicht. Bei mehrjähriger Lagerung wurde eine Minderung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung auch bei Verwendung alkalibeständigen Glasfasern festgestellt.
Wird der Querschnitt sehr dünner Bauteile aus Glasfaserbeton karbonatisiert, so kann die Dauerhaftigkeit in relativ kurzer Zeit erreicht werden. Die Bildung von Kalziumkarbonat und durch Senkung des pH-Wertes der Porenlösung werden die Glasfasern nicht mehr angegriffen.
Die hochwertigen dünnwandigen Erzeugnisse aus Glasfaserbeton finden als Rohre, Druckbehälter, Schalen, Dämmstoffe für Brandschutz oder Fassadenelemente Anwendung.

Häufig wird Beton nicht nur als tragendes Element verbaut, sondern auch sein Aussehen als Stilmittel eingesetzt. D. h. bei der Herstellung von Betonteilen wie Platten, Säulen oder Balken sollen die Betoneigenschaften sichtbar bleiben. Damit ein Teil dem anderen gleicht, werden die Fertigteile mit dem Stempel versehen, der die wichtigsten Informationen über Qualität und Zusammensetzung dieses Betonteils enthält. Wenn auch in beiden Fällen eine Information weiter gegeben wird, so unterscheidet sich diese Art des Stempelns weitgehend von der Funktion eines Stempels im Büroalltag. Anders als für einen Datumstempel, benötigt man für das Stempeln von Betonteilen spezielle temperatur- und wasserbeständige Farben wie z. B. Coloris Stempelfarbe Beton Signierfarbe P. Denn nur hochwertige Farbpigmente sorgen dafür, dass der Abdruck auch nach Monaten oder Jahren, in denen er Sonne und Kälte ausgesetzt ist, nicht verblasst.

Ausgewählte Beispiele aus der Praxis zur Betonkorrosion

Betondeckung an Bewährungseisen
Fundament in Vinnitsa (Ukraine)

Durch die Karbonatisierung verringert sich der pH-Wert und der Korrosionsschutz des Bewährungseisens wird aufgehoben. Daher ist eine bestimmte Betonmindestdeckung laut ÖNORM B 4200-10 erforderlich. Im Innenbereich ist sie 1,5 cm und im Außenbereich 2,5 cm stark auszuführen. Bei diesem Beispiel reicht die Betondeckung von weniger als 1 cm bis mehrere Zentimeter. Bei der Einschalung sind auch entsprechende Abstandhalter einzusetzen. Die habe hier offensichtlich gefehlt.

 

In den nachfolgenden Bildern werden Schäden gezeigt, die durch fehlende oder schadhafte Abdichtungen entstanden sind. Im linken Bild wird durch die fehlende Abdichtung auf dem auskragenden Balkon aus Stahlbeton die Karbonatisierung begünstigt. Durch die fehlende Tropfkante beziehungsweise Entwässerungsrinne wird gerade die Außenkante über längere Zeit befeuchtet. Bei dieser Überdachung des Eingangsbereiches (rechtes Bild) fehlt das Gefälle. Das Wasser vom Niederschlag und auch Schmutz verbleiben auf dieser Betonplatte. Hier dürfte neben der Karbonatisierung auch die Bildung von organischen Verbindungen (Laub und Schmutz) den Korrosionsprozess beschleunigt haben. Mit einer Blechabdeckung oder einer bituminösen Beschichtung mit Tropfkante und einem kleinen Gefälle wäre dieses Problem nicht entstanden. Deutlich ist auch die Auswirkung des Spritzbereiches an den schadhaften Fugen zu erkennen.

Fehlende oder schadhafte Balkonabdichtung und fehlende TropfkanteZerstöres Betondach über einem Hauseingang
Balkon und Hauseingang in Vinnitsa (Ukraine)

Es gibt sicherlich auch zahlreiche deutsche Betonbrücken, die nicht viel besser aussehen. Hier eine Stahlbetonbrücke über den Bug in Vinnitsa. Aufgefallen sind mir auf dem Fußweg die Löcher, wo das Bewährungseisen zu sehen ist.

Löcher im Fußweg einer Brücke über den Bug, das Bewährungseisen liegt frei
Löcher im Fußweg einer Brücke über den Bug, das Bewährungseisen liegt frei
Löcher im Fußweg der Brücke über den Bug Vinnitsa (Ukraine)

Auf der Unterseite der Brücke sieht es auch nicht viel besser aus. Das Bewährungseisen auf der Unterseite liegt teilweise frei. Die Feuchtigkeit auf der Unterseite der Brücke kann durch die angrenzende Luft (Wind) nur ungenügend abgeführt werden. Behindert werden die Lüftströmungen durch das angrenzende Gebüsch an der Böschung und die Rohrleitung auf der Unterseite. Zusätzlich kommt noch die Schädigung der Betonkante durch das abtropfende Niederschlagswasser hinzu. In der Brückenmitte und an den unteren Betonbögen ist das Schadensausmaß wesentlich geringer. Hier bewirkt die ungehinderte Luftströmung eine bessere Abtrocknung der Kondensatfeuchte an der Betonoberfläche und der Karbonatisierungsprozess ist geringer. Bedingt sind diese umfangreichen Schäden durch das winterliche Klima und die mangelnde Wartung.

Auf der Unterseite der Brücke aus Beton fehlt bereits die Betonabdeckung. Das Bewährungseisen ist freigelegt.Bei der Säule ist teilweise die Betondeckung abgeplatzt und das Bewährungseisen liegt frei.
Betonschäden an der Brücke über den Bug in Vinnitsa (Ukraine)

Ein weiteres Beispiel für die Betonkorrosion durch die salzhaltige Meeresluft auf der Insel Djerba (Tunesien). Die Betonoberfläche der Bänke ist bis zur Stahlbewährung vollkommen zerstört. Die Bänke befinden sich in unmittelbarer Nähe des Meerwassers. Zum Vergleich eine neue Bank etwas weiter vom Meer entfernt.

Betonkorrosion einer Bank direkt am Meer.Betonbank ohne eine Betonschädigung.
Betonkorrosion einer Sitzbank aus Beton durch die salzhaltige Meeresluft auf Djerba (Tunesien)

Die Schutzmauer am Strand des Wohnhauses in Djerba muss aller 2 Jahre erneuert werden. Die Fugen zwischen den Steinen werden innerhalb dieser kurzen Zeit zerstört. Es kommt nur selten das Meereswasser bis zur Mauer. Die überwiegende Betonkorrosion wird durch die salzhaltige Luft verursacht. Es wird dort sehr viel Portlandzement für die Herstellung der Fugen verwendet. Portlandzement bringt eine hohe Festigkeit, ist jedoch weniger chemisch beständig. Es ist anzunehmen, dass auch hier diese Zementsorte verwendet wurde.

Wohnhaus im Mittelmeer auf Djerba

Korrosion von Betonsteine durch Meereswasser
Betonkorrosion durch Meereswasser auf Djerba (Tunesien)

Diese Schutzwand aus Betonsteinen bei diesem leer stehenden Wohngebäuden auf der Insel Djerba wird regelmäßig bei der Flut durch das salzige Meereswasser einer chemischen Korrosion ausgesetzt. Die Betonsteine sind bereits mehrere Zentimeter tief zerstört. Hingegen ist der Betonmörtel noch recht gut erhalten. Der Betonmörtel hat in diesem Fall eine höhere Salzbeständigkeit gegenüber dem Salzwasser. Bei richtiger Ausführung muss bei einem Mauerwerk der Mörtel weicher als die Steine sein. Dies sollte auch für die chemische Beständigkeit gelten. Wenigstens sollten die Baustoffeigenschaften der Betonsteine und des Mörtels annähernd gleich sein. Eine bessere Variante ist die Ausführung der Schutzwand aus Natursteinen, wie es im Gründungsbereich des Gebäudes unterhalb der Betonstufen erfolgte.

Natursteine als Fundament bei einem Gebäude am Meeresstrand
Betonkorrosion durch Meereswasser auf Djerba (Tunesien)

Dipl.Ing.oec., Ing. Peter Rauch Ph.D.
10.04.2014

Quellen:
Scholz, Wilhelm Baustoffkenntnisse, 13. Aufl. 1995, Werner Verlag S. 225ff, 314-316
Eichler, Friedrich; Arndt, Horst; Bautechnischer Wärme- und Feuchtigkeitsschutz, 1989, Bauverlag Berlin, S. 27
Röhling, Stefan; Eifert, Helmut; Kaden, Reiner; Betonbau, Planung und Ausführung 2000, Verlag Bauwesen, S. 144f, 223ff


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