Definition und Zusammensetzung von Beton
Sobald Beton getrocknet ist, handelt es sich um einen festen und harten Baustoff. Hergestellt wird der sogenannte Normalbeton aus den Ausgangsstoffen Wasser, Zement sowie verschiedenen Gesteinskörnungen (Sand oder Kies). Der chemische Abbindevorgang, die Erhärtung, wird durch die Zugabe von Wasser eingeleitet. Damit sich die Ausgangsstoffe besser verarbeiten lassen bzw. um eine bestimmte Eigenschaft zu erzielen, werden bei der Verarbeitung Betonzusatzmittel oder Betonzusatzstoffe beigemischt. Da der größte Teil des zugefügten Wassers chemisch gebunden wird, darf die Trocknung des Gemischs erst nach der Erhärtung erfolgen.
In Fachkreisen wird frischer Beton auch als Zweistoffsystem bezeichnet, das aus flüssigem Zementleim und einem festen Zuschlag besteht. Der Zementstein wird durch den Zementleim gehärtet, wobei die sogenannte Matrix anschließend die Gesteinskörnung umgibt.
Sobald der Beton ausgehärtet ist, wird er auch als Kunststein bezeichnet.
In den verschiedenen Bauprojekten wird Beton als Baustoff unterschiedlich eingesetzt:
Hochbau (Industriebau, Skelettbau, Plattenbau, Wohnungsbau, Kühltürme)
Tiefbau (Tunnel, Rohre, Schlitzwände, Pfähle)
Verkehrsbau (Straßen, Brücken, Rollfelder)
Wasserbau (Staumauern, Hafenanlagen, Schleusen, Molen, Unterwasserbau)
Allgemein (Fundamente, Wände, Balken, Decken, Stützen)
Grundlegende Eigenschaften von Beton
Wie bereits erwähnt, ist Beton ein vielseitig einsetzbarer Baustoff. Beton kann insbesondere wegen seiner Besonderheiten sowohl die optischen als auch die bauphysikalischen und statischen Anforderungen sehr gut erfüllen. Aus diesem Grund ist es auch möglich, dass Gebäude komplett aus Beton erbaut werden können.
Festigkeit und Härte
Die wohl wichtigste Eigenschaft von Beton ist seine Druckfestigkeit. In einem Druckversuch wird mit speziell hergestellten Probekörpern die Druckfestigkeit ermittelt. Bei den Probekörpern handelt es sich um einen Betonwürfel mit einer Kantenlänge von 15 cm bzw. um einen Betonzylinder mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Länge von 30 cm. 28 Tage nach Herstellung der Probekörper erfolgt nach DIN EN 206 durch Druckprüfung und Beurteilung die Zuordnung in die jeweiligen Festigkeitsklassen.
Üblicherweise hat Normalbeton eine Druckfestigkeit von mindestens 20 Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²). Eine Druckfestigkeit von über 150 N/mm² ist Voraussetzung für Hochleistungsbeton. Weist Beton eine geringere Druckfestigkeit auf, dann wird er zur Herstellung von Sauberkeitsschichten, Verfüllungen und für den Garten- bzw. Landschaftsbau verwendet.
Der erwähnte Normal- und Schwerbeton wird in 16 Druckfestigkeitsklassen eingeteilt. Diese reichen von C8/10 bis C100/115. Hochfester Beton fällt in die Klassen C55/67 bis C100/115. Eine allgemein bauaufsichtliche Zulassung ist für die Klassen C90/105 und C100/115 vonnöten.
Die Betonsorte ultrahochfester Beton (Ultra High Performance Concrete; UHFB bzw. UHPC) hat eine besonders hohe Dichtigkeit und Festigkeit.
Die Härte von ausgehärtetem Beton variiert zwischen 3 und 7 Mohs. Bei der Härte handelt es sich um keine Materialeigenschaft, da die Härte von bestimmten Eigenschaften des Materials abhängig ist.
Dichte und Porosität
Die Dichte des Betons ist vom jeweiligen Zuschlag abhängig. Bei Normalbeton liegt die Trockenrohdichte zwischen 2.000 und 2.600 kg/m³. In der Regel werden für die Werte für die Dichte bei 2.400 kg/m³ angesetzt. Hat der Beton eine Rohdichte höher als 2.600 kg/m³, ist von Schwerbeton die Rede. Beton mit einer Rohdichte von weniger als 2.000 kg/m³ wird analog als Leichtbeton bezeichnet. Bei dem sogenannten Leichtbeton gibt es ähnlich wie bei Bims oder Blähton porige Leichtzuschläge. Es erfolgt eine Einteilung in die Rohdichteklassen 1,0 – 1,2 – 1,4 – 1,6 – 1,8 und 2,0. Dies wiederum entspricht den Rohdichten von 1.000 bis 2.000 kg/m³.
Ebenfalls ein wichtiges Qualitätskriterium für Beton ist seine Porosität. Dabei gibt es verschiedene Arten von Poren, die sich sowohl in der Entstehung als auch in der Auswirkung deutlich unterscheiden. Die Druckfestigkeit des Betons sinkt proportional mit einer steigenden Kapillar-, Luft- und Verdichtungsporosität, wodurch auch eine Verringerung des Elastizitätsmoduls nachgewiesen werden kann.
Bei Beton wird unter den folgenden Arten von Poren unterschieden:
Gelporen (Durchmesser ca. 0,1 – 10 nm)
Schrumpfporen (Durchmesser ca. 10 nm)
Kapillarporen (Durchmesser ca. 10 – 100 µm)
Luftporen (Durchmesser ca. 1 µm – 1 mm)
Verdichtungsporen (Durchmesser > 1 mm)
Elastizität und Biegefestigkeit
Die Elastizität des Betons hängt in sehr hohem Maß von den Betonzuschlägen ab. Für die Festigkeitsklassen C12/15 bis C50/60 gelten Werte von 27.000 N/mm² bis 37.000 N/mm². Weitere Werte können in der Tabelle der DIN EN 1992-1-1 nachgelesen werden.
Die Biegefestigkeit des Betons wird nach DIN EN 12390-5 eingeteilt und an einem Balken mit einem quadratischen Querschnitt bestimmt.
Herstellung von Beton
Beton wird in einer bestimmten Zusammensetzung aus Zement (Kalkstein und Ton) sowie aus einer Gesteinskörnung (Sand oder Kies) hergestellt. Die Gesteinskörnung wird durch die Zusammensetzung von Wasser und Zement verbunden. Dies gibt dem Beton sein festes Äußeres.
Zu Beginn ist Beton in einem breiartigen Zustand, der beliebig geformt werden kann. Erst durch die Erhärtung erhält er seine Druckfestigkeit.
Hauptbestandteile von Betonmischungen
Um Beton herzustellen, erfolgt das Mischen von Zement, Wasser und Gesteinskörnungen (Sand oder Kies) als sogenannte Ausgangsstoffe. Durch verschiedene Zusatzmittel bzw. Zusatzstoffe (Bindemittel) kann diese Mischung den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Misch- und Dosierverfahren
Die Qualität des Betons wird nicht nur durch die Dosierung der Hauptbestandteile beeinflusst, sondern auch durch die Art und Dauer des angewandten Mischverfahrens.
Das optimale Mischverhältnis liegt bei 1 : 4. Dies bedeutet, auf einen Teil Zement kommen vier Teile Sand. Sollte der Beton sehr hart werden, wird in der Regel mehr Zement zugemischt. Grundsätzlich kann gesagt werden, je mehr Zement die Mischung enthält, umso fester wird der Beton.
Einfluss von Zusatzstoffen und Beimengungen
Mit Zusatzstoffen sind fein gemahlene Zusätze gemeint. Dazu gehören Steinkohlenflugasche, Glas, Silikatstaub, Farbpigmente und Fasern. Durch das Hinzufügen der Zusatzstoffe bzw. Beimengungen kann der Beton gefärbt werden, durchsichtig erscheinen oder in seiner Oberflächengestaltung manipuliert werden. Da die hinzugefügten Mengen sehr groß sein können, muss die Menge des Wasser-Zement-Wertes (W/Z-Wert) angepasst werden.
Verschiedene Arten von Beton
Beton kann in verschiedene Arten unterschieden werden. Hierzu zählen
Druckfestigkeit
Einsatzbereich
Rohdichte
Verarbeitung
Werden die Betonarten nach Einbaubedingungen oder nach den Einbauverfahren unterschieden, gehören nachfolgende dazu:
Aufbeton
Ortbeton
Pumpbeton
Schleuderbeton
Spritzbeton
Stampfbeton
Walzbeton
Unterwasserbeton
Vakuumbeton
Außerdem wird Beton auch nach seiner Beschaffenheit und seinen Eigenschaften unterschieden. Hier gibt es die folgenden Betonarten:
Beton im Umweltkontext
Der Baustoff wird aus Zement, Sand, Kies und Wasser hergestellt. Durch den Zement wird Beton zum Klimasünder. Mehr als 98 Prozent der CO2-Emissionen des Betons kommen aus der Zement-Produktion. Für die Herstellung von Zement in sogenannten Drehrohröfen bei 1.450 Grad wird sehr viel Energie benötigt. Des Weiteren muss der Blick auf die Treibhausgasemissionen und auf den Ressourcenverbrauch gelegt werden.
Laut der Deutschen Emissionshandelsstelle (DEHSt) liegt der CO₂-Wert bei 0,59. Dies bedeutet, dass pro Tonne Zement ein Kohlenstoffdioxidausstoß von 590 Kilogramm entsteht. Allerdings nimmt Beton im Laufe seiner Lebensdauer auch rund 20 % der CO₂-Emissionen wieder auf, sodass der schädliche Stoff aus der Atmosphäre eliminiert werden kann.
Innovationsentwicklungen in der Betonindustrie
Sicherlich ist Beton modern, sehr gut haltbar und frei formbar. Zu den weiteren Vorteilen des Betons zählen, dass das benötigte Material billig und nahezu überall in großen Mengen vorhanden ist. Die Kehrseite des Betons haben wir im Umweltkontext bereits erklärt.
Schon die Römer haben mit Beton gebaut, denn anders hätten sich Großbauen wie der Kuppelbau des Pantheons nicht realisieren lassen. Ebenso wird auch in Zukunft kein Weg an den verschiedenen Betonarten vorbeiführen. Aus diesem Grund suchen Forscher schon seit langer Zeit nach Ideen, wie in Zukunft mit Beton umweltfreundlicher und mit einer besseren Klimabilanz gebaut werden kann.
Erste Ansätze hierzu gibt es bereits. Ein bekannter Zementhersteller möchte bis zum Jahr 2050 mithilfe seines Projekts „Carbon Capture an Storage“ (CSS) einen CO₂-neutralen Beton anbieten. Im Rahmen der neuen Technologie soll das CO₂, welches bei der Herstellung von Zement entsteht, durch eine Flüssigkeit gebunden und später wieder getrennt werden. So können knapp 100 % des CO₂ bei der Verbrennung aus den entstandenen Abgasen abgetrennt werden.
Betonrecycling und Abfallmanagement
Zum Beton gehören unter anderem:
Betonrohre
Schachtringe
Betontrennwände
Dachpfannen
Pflastersteine
Betondecken
Bei Betonresten bzw. Betonaufbruch handelt es sich meistens um Bau- und Abbruchabfall. Dabei wird zwischen verschiedenen Kantenlängen unterschieden:
< 50 cm Kantenlänge (max. 50 x 50 x 25 cm)
< 100 cm Kantenlänge (max. 100 x 100 x 25 cm)
> 100 cm Kantenlänge (> 100 x > 100 x 25 cm)
Die Betonreste werden in der Regel dem Bauschutt zugeordnet. Nur wenn der Betonaufbruch von allen anderen Materialien sorgfältig getrennt wurde, kann er auf einem hochwertigen Niveau als Bauschutt-Mischung wieder aufbereitet werden.
Fazit zum Beton
Die verschiedenen Betonarten bestehen allesamt aus Wasser, Zement und den Zuschlagstoffen Sand bzw. Kies. Durch das Mischen mit verschiedenen Zusatzstoffen können bestimmte Merkmale des Baubetons erreicht werden. Um den W/Z-Wert zu ermitteln, muss das Verhältnis von Wasser und Zement bekannt sein. Jedoch darf Wasser nicht eigenmächtig erhöht werden, denn dies würde zu Einbußen bei der Betonqualität führen. Die vier Konsistenzbereiche des Baubetons reichen von steif bis fließfähig.
