Stahlbeton

Stahlbeton ist ein Verbundbaustoff aus Beton und Stahl. Im Wesentlichen nimmt der Stahl entstehende Zugkräfte und der Beton die Druckkräfte im Bauteil auf. Bei Stahlbetonstützen übernehmen die Bewehrungsstäbe einen Anteil an der Druckkraft. Beton dient außerdem zum Rostschutz der Bewehrung und als Brandschutz.

Genau betrachtet sind Beton und Stahlbeton keine neue Erfindung. Schon die Römer haben mit ihrem `Opus Caementitum`, dem sogenannten römischen Beton, beispielsweise das Pantheon in Rom erbaut. Die Kuppel, ca. im Jahr 120 gebaut, ist freitragend und hat einen Durchmesser von 43 m.

Etwa Mitte des 19. Jahrhunderts ärgerte sich der Franzose Monier über seine brüchigen Betonblumenkübel. Er armierte sie mit Drahtgittern, erkannte die höhere Haltbarkeit und erfand praktisch den Stahlbeton.

Beton

Beton ist ein künstlicher Stein, der aus grober und feiner Gesteinskörnung (früher: Zuschlag), Zement als Bindemittel, Wasser sowie Zusatzmitteln und Zusatzstoffen besteht. Die Masse ist frisch zu verarbeiten und nahezu in jede beliebige Form zu bringen. Erstarrter Beton, der aber noch zu geringe Festigkeit aufweist, wird als `junger` oder `grüner` Beton bezeichnet. Nach dem Erhärten spricht man von Festbeton. Beton ist so herzustellen, dass er bei geplanter Nutzung mindestens 50 Jahre seine Eigenschaften bewahrt: also dauerhaft standsicher ist und die Anforderungen an Brand-, Schall-, Wärmeschutz erfüllt.

Ausgangsstoffe

Die Ausgansstoffe für die Betonmischung dürfen keine schädlichen Beimengungen in Form von organischen Bestandteilen oder zu hohen Salz- und Schwefelgehalt beinhalten, da sie sich nachteilig auf die Dauerhaftigkeit des Betons auswirken.

  • Zement

Zement ist ein hydraulisches Bindemittel, welches sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärtet. Er verbindet die Gesteinskörnungen und füllt Hohlräume aus. Druckfestigkeit und Frostsicherheit des Betons hängen davon ab, wie viel und welchen Zement man verwendet. In der DIN 1164 und DIN EN 197-1 sind die Herstellung, Zusammensetzung und Eigenschaften des Zements erfasst.

Zement wird aus Kalkstein und Ton hergestellt. Diese werden im richtigen Mischungsverhältnis aufbereitet und zu einem Rohmehl vermahlen. Dieses wird im Drehrohrofen zwischen 800°C und 1450°C gebrannt. Dabei entsteht Zementklinker. Dieser wird nach dem Abkühlen gemahlen. Der Zement wird dann in Silos gelagert und in Säcken auf die Baustelle geliefert.

Nach Art der Zusammensetzung wird der Zement in 5 Hauptgruppen unterteilt: CEM I bis CEM V. CEM I ist z.B. Portlandzement und enthält Portlandzementklinker. Einen hydraulisch wirkenden Stoff aus Calciumsilikaten, Aluminium-, Silizium- und Eisenoxid.

Je nach Druckfestigkeit wird der Zement in 3 Festigkeitsklassen eingeteilt. Es gibt Zemente bspw. mit einer hohen Anfangsfestigkeit oder auch mit niedriger Hydratationswärme. Um den Zementsäcken die unterschiedlichen Eigenschaften zuzuordnen, sind diese farbig gekennzeichnet.

  • Gesteinskörnung

Gesteinskörnung wird nach Herkunft, Rohdichte und Feinheit unterschieden. Die Herkunft kann aus natürlichen mineralischen Vorkommen sein, die mechanisch aufbereitet werden oder aus dem industriellen Bereich kommen, wo sie z.B. durch thermische Prozesse künstlich hergestellt werden. Es gibt außerdem rezyklierte Gesteinskörnung (Recyclingschotter), Kies (natürlich gerundet) und Splitt (gebrochen). Nach der Rohdichte unterscheidet man normale und leichte Gesteinskörnung. Die Feinheit wird mit dem Durchmesser der Körnung angegeben und liegt zwischen 2 und 4 mm (grob) bis hin zu Gesteinsmehl mit weniger als 0,063 mm. Die Korngrößenverteilung wird über den Siebversuch mit einer festgelegten Anzahl von Sieben ausgedrückt. Die Gesteinskörnung muss eine Mischung aus feinen, mittleren und groben Bestandteilen sein. Sie bildet später das tragende Gerüst im fertigen Beton. Außerdem muss eine ausreichende Kornfestigkeit gegeben sein und die Kornform sollte für einen geringeren Bindemittelbedarf eine kleine Oberfläche haben. Je weniger Zementleim in der Betonmischung ist, desto weniger schwindet der Beton beim erhärten.

  • Nach DIN EN 12620: Gesteinskörnung für Beton (Kiessand, Granit, u.v.m.)
  • DIN V 20000-130: Anwendung von Gesteinskörnung in Deutschland
  • DIN 4226-100: Rezyklierte Gesteinskörnung (Betonsplitt, Betonbrechsand)
  • Nach DIN 13055-1: Leichte Gesteinskörnung für Beton, Mörtel und Einpressmörtel
  • DIN V 20000-104: Anwendung von leichten Gesteinskörnungen in Deutschland (Lavaschlacke, Blähton, Flugasche, Natur- und Hüttenbims, u.v.m.)
  • Zugabewasser

Das der Mischung beizugebende Wasser nennt man Zugabewasser. Es darf keine den Beton schädigende Substanzen enthalten. In der DIN EN 1008 ist geregelt, was als Zugabewasser für Beton geeignet ist. Zum Beispiel Trinkwasser, ohne Prüfung, oder Grundwasser mit einer entsprechenden Prüfung. Die benötigte Wassermenge, die für die Verarbeitung und das Erhärten des Betons erforderlich ist, nennt man `wirksamen Wassergehalt`. Die Oberflächenfeuchte der Gesteinskörnung muss von der Zugabewassermenge abgezogen werden. Das Massenverhältnis von Wasser zu Zement wird `w/z-Wert` genannt. Er bestimmt die spätere Festigkeit des Betons. Ein w/z-Wert von 0,4 ist ideal um eine hohe Festigkeit zu erreichen. Zuviel Wasser führt bei Verdunstung zu Hohlräumen im Beton. Das Wasser setzt sich an der Oberfläche des Betons ab: Der Beton `blutet`. Ein zu hoher Zementgehalt wäre unwirtschaftlich und ungünstig, weil der Zementleim stark schwindet und Risse hinterlässt.

  • Betonzusatzmittel

In kleinen, vorgeschriebenen Mengen werden während des Betonmischens flüssige oder pulverförmige Stoffe zugegeben. Durch chemische und physikalische Wirkung beeinflussen sie die Eigenschaften des Betons. Es werden beispielsweise folgende Betonzusatzmittel eingesetzt:

  • Betonverflüssiger
  • Fließmittel
  • Luftporenbildner
  • Verzögerer
  • u.v.m.
  • Betonzusatzstoffe

Um gezielt Eigenschaften zu verbessern oder zu erreichen werden Betonzusatzstoffe eingesetzt. Es gibt z.B. Gesteinsmehle, Pigmente, puzzolanische oder latent hydraulische Zusatzstoffe wie Trass, Flugasche oder Silicatstaub.


Erhärtungsphasen des Betons

Aus Zement und Wasser entsteht beim Mischen der Zementleim. Die Gesteinskörnung wird von ihm umschlossen und er füllt die Hohlräume aus. Wenn der Zementleim erhärtet, wird aus Frischbeton der Festbeton. Da zum erhärten Wasser notwendig ist, spricht man auch von Hydratation. Während der drei Phasen des Erhärtens (Ansteifen nach ca. 1 Std, Erstarren nach ca. 12 Std. , Erhärten nach ca. 3 Tagen) bilden sich Kristalle, die sich zu einem festen Gefüge verbinden. Dabei wird Hydratationswärme frei. Bei der Erhärtung wird die Gesteinskrönung in ihrer Lage fixiert. Ist der Zementleim zu Zementstein umgewandelt, ist die Hydratation (Erhärtung) beendet. Nach 28 Tagen soll der Beton die geforderte Druckfestigkeit erreicht haben.


Einteilung von Beton

Seit Januar 2005 gelten für die Herstellung und Anwendung von Beton die

  • DIN EN 206-1: Festlegungen, Eigenschaften, Herstellung und Konformität und die
  • DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton.

Die DIN EN 206-1/DIN 1045 teilt Beton in verschiedene Klassen ein:

  • Expositionsklassen
    • Um sicherzustellen, dass die Betonbauteile dauerhaft ihre Funktion erfüllen, werden die Umgebungsbedingungen in Expositionsklassen für Bewehrungs- und Betonkorrosion eingeteilt.
    • Kein Korrosions- und Angriffsrisiko: X0
    • Bewehrungskorrosion: XC, XD, XS (z.B. XC2, nass, selten trockene Umgebung; Beispielsweise Teile von Wasserbehältern, Gründungsbauteile)
    • Betonkorrosion: XF, XA, XM (z.B. XA3, chemisch stark angreifende Umgebung bei Industrieabwasseranlagen mit chemischen Abwässern oder bei Kühltürmen mit Rauchgasableitung)
  • Konsistenzklassen
    • Frischbeton wird in Konsistenzklassen beschrieben. Dafür wird das Ausbreitmaß bzw. bei steiferem Beton das Verdichtungsmaß nach Norm geprüft.
  • Druckfestigkeitsklassen
    • Beton kann nach seiner Druckfestigkeit eingeteilt werden. Dafür werden Probewürfel bzw. Zylinder mit bestimmten Maßen hergestellt und nach 28 Tagen auf ihre Druckfestigkeit geprüft. Beispielsweise gibt es die Druckfestigkeitsklasse C30/37, bei der ein Probewürfel mit einer Kantenlänge von 150 mm mit einem Alter von 28 Tagen 37 Newton pro mm² aushält, bevor er im Druckversuch zerstört wird.
  • Rohdichteklassen
    • Leichtbeton (2,0 kg/dm³)
    • Normalbeton (2,0 - 2,6 kg/dm³)
    • Schwerbeton (>2,6 kg/dm³)
  • Klassen nach Größtkorn der Gesteinskörnung
    • Der Beton wird nach dem Nennwert des Größtkorns der gröbsten Gesteinskörnung Dmax beschrieben.


Betonstahl

Bewehrung im Stahlbetonbauteil wird aus Betonstahl (BSt) hergestellt. BSt ist nach DIN 488 und nach EN V 10080 genormt. Betonstahl hat einen nahezu kreisförmigen Querschnitt. Die Oberfläche ist gerippt. Die Rippen verlaufen auf der einen Hälfte des Stabes parallel und auf der anderen im Wechsel zueinander geneigt. Dies verbessert die Verbundwirkung von Stahl und Beton. Der Stahl wird durch verschiedene Walztechniken hergestellt:

  • Warmwalzen ohne Nachbehandlung
  • Warmwalzen mit Nachbehandlung zur Steigerung der Festigkeit und Zähigkeit
    • Thermomechanisches Walzen bei Temperaturen von etwa 750°C
    • Tempcore-Verfahren, bei dem der Stahl schnell auf 550°C abgekühlt wird
  • Kaltwalzen, bei dem das vorher warmgewalzte Material nach dem Abkühlen durch Verwinden und Recken eine erhöhte Zugfestigkeit erhält.

Im Wesentlichen werden Betonstabstahl BSt 420 S und BSt 500 S Betonstahlmatten BSt 500 M und profilierter Bewehrungsdraht BSt 500 P verwendet. Wichtigste Kenngrößen von Betonstahl sind die Zugfestigkeit Rm und die Streckgrenze S (Re). Stahl verhält sich bis zu einem bestimmten Punkt elastisch. Das heißt, dass er in seine ursprüngliche Form zurück geht, wenn er gezogen wurde. Bei Belastung bis zur Streckgrenze S bleibt die Verformung bestehen. Diese Streckgrenze wird in der Bezeichnung (BSt 500 S) angegeben.


Sorten

  • Betonstabstahl (S)
    • Kurzname: BSt 420 S, Kurzzeichen: III S
    • Kurzname: BSt 500 S, Kurzzeichen: IV S
    • Die Stähle müssen eine Streckgrenze von 500 N/mm² haben (also BSt 500 S).
    • Die Streckgrenze 420 N/mm² (BSt 420 S) ist nicht ohne Einzelfallregelung anwendbar.
  • Betonstahlmatten (M)
    • Kurzname BSt 500 M, Kurzzeichen: IV M
    • Die Matten aus rechtwinklig kreuzenden Stäben sind an den Kreuzungspunkten scherfest miteinander verbunden. Es gibt normal- und tiefgerippte Betonstahlmatten.
    • Die gebräuchlichste Bewehrungsmatte ist eine Lagermatte mit dem Abmessungen 5,00 m x 2,15 m oder 6,00 m x 2,15 m. Diese Matten sind ab Lager lieferbar und haben festgelegte Stabdurchmesser und -abstände. Eine Listenmatte wird nach Angaben des Auftraggebers angefertigt und eine Zeichnungsmatte nach einer entsprechenden Zeichnung.
    • Die einzelnen Lagermatten haben noch ergänzende Kennzeichnungen: Q für quadratische Stababstände, R und K für rechteckige Stababstände mit verschiedenen Abmessungen, N für nichtstatische Zwecke.
  • Bewehrungsdraht (P, G)
    • Kurzname: BSt 500 P, Kurzzeichen: IV P
    • Kurzname: BSt 500 H, Kurzzeichen: IV G
    • P = profilierte Oberfläche
    • G = glatte Oberfläche




(c) by Päffgen GmbH bzw. deren Autoren 2008, www.hochbau.de

Gewerbliche und private Verwendung dieses Artikels ist ausdrücklich, aber nur dann gestattet, wenn dem Artikel gut sichtbar der vorstehende Copyright-Hinweis mit verfolgbarem Link hinzugefügt wird und wir per Mail an copy@fachportale.de über die Verwendung informiert werden!