Sachverständigenbüro Matthias Kanitz

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Beton
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Beton ist ein künstlich hergestellter Baustoff aus Zement, Wasser, Zuschlagstoffen und ggf. Zusatzmitteln für bestimmte Eigenschaften. Stahlbeton ist ein Verbundwerkstoff aus Beton und Stahl (Bewehrung), der Zugkräfte - im Gegensatz zu unbewehrtem Beton - aufnehmen kann. Für die Bemessung von Stahlbetonbauwerken ist der Eurocode 2: Betonbau seit 2012 bauaufsichtlich eingeführt. Maßgebliche Normenreihe ist die DIN EN 1992 mit den nationalen Anhängen. In den nationalen Anhängen sind die für Deutschland relevanten Angaben aus der vordem gültigen Norm DIN 1045 u.a. eingearbeitet worden. Die Normenreihe ist im Zusammenhang mit dem Eurocode 0: Grundlage der Tragwerksplanung (DIN EN 1990) und dem Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke (DIN EN 1991) zu sehen.

Nachfolgend werden einige Begriffe erläutert, die im Zusammenhang mit Betonbauteilen von Interesse sind:

Rohdichte

Die Rohdichte ist die Masse von 1m³ frischem, vorschriftsmäßigen verdichteten Beton
- ist ein Maß für den Verdichtungsgrad
- abhängig vom verwendeten Zuschlag

Die Dichtigkeit des Gefüges ist entscheidend für das Eindringen von CO2 in den Beton.

Beton kann nach seiner Trockenrohdichte d unterscheidet werden in:

• Leichtbeton (d von 800 kg/m³ bis 2000 kg/m³)
• Normalbeton (d von 2000 kg/m³ bis 2600 kg/m³)
• Schwerbeton (d größer 2600 kg/m³)

Betondeckung

Eine Mindestdeckung der Bewehrung durch den Beton ist gefordert, um:

• Bewehrung vor Korrosion schützen
• Verbundkräfte aus dem Stahl zu übertragen
• Gewährleistung des Brandschutzes

Nach DIN 1045 Teil 1 errechnet sich das Nennmaß der Bewehrung aus:
Nennmaß(cnom) = Mindestmaß (cmin) + Vorhaltemaß (c)
Das Mindestmaß und das Vorhaltemaß ergeben sich aus der Expositionsklasse, in die das Bauteil eingestuft wurde.

Luftgehalt

Luft in 1m³ frischem, vorschriftsmäßigen verdichteten Beton (1,5 ... 2,0%)
- abhängig von Größtkorn des Zuschlages

• z.B.: 32 mm 10 ... 20 dm³
• 4 mm bis 60 dm³

Eine Erhöhung des Luftgehaltes ist durch Luftporenbildner (LP) möglich. Bei Frost- und Taumittelbeanspruchung wird ab Klasse XF2 ein Luftporenbildner (LP) vorgeschrieben. Grundsätzlich beeinträchtigt zu hoher Luftgehalt die Festigkeit des Betons.

Einfluß auf Betondruckfestigkeit

• w/z-Wert (Wasser / Zement Wert)
• Hydratationsgrad
• Frischbetonluftgehalt
• Zementdruckfestigkeit (Normfestigkeit)

Zement + Wasser (Mischen) Zementleim (Hydratation) Zementstein
Hydratation von Zement:

• der theoretischer Wasserbedarf für die chemische Umsetzung beträgt 0,25 * z
• der praktischer Wasserbedarf für die chemische und physikalische Umsetzung beträgt 0,40 * z

Bei einem w/z Verhältnis > 0,40 verdunstet das überschüssige Wassers und es bilden sich Kapillarporen.
Volumen der Kapillarporen hängt ab von:
- w/z-Wert (Verhältnis)
- Hydratationsgrad des Zementes

Für den Normalbeton gibt es folgende Festigkeitsklassen:
C8/10; C12/15; C16/20; C20/25; C25/30; C30/37; C35/45; C40/50; C45/55 und C50/60
Die erste Zahl ist die Zylinderdruckfestigkeit, die zweite Zahl ist die Würfeldruckfestigkeit in N/mm² .

Für hochfeste Sorten gibt es weitere sechs Betonsorten.

Zu früher gebräuchlichen Bezeichnungen ist folgende Gegenüberstellung möglich:
B 25 - C 20/25
B 35 - C 30/37
B 45 - C 35/45

Frischbeton
Die Konsistenz des Frischbetons soll so beschaffen sein, dass er ohne wesentliches Entmischen gefördert, eingebaut und vollständig verdichtet werden kann. Die Frischbetonkonsistenz ist vor Baubeginn festzulegen und während der Bauausführung einzuhalten. Mangelbilder können auf folgende Ursache zurückzuführen sein:
Haufwerksporen - deuten auf mangelhafte Verdichtung hin
Niederschlagsporen - Sedimentation der Zementteilchen (Wassersäcke)
Kugelporen - Luftporenbildner

Expositionsklassen

Klassifizierung der chemischen und physikalischen Umgebungsbedingungen, denen der Beton ausgesetzt ist und die auf den Beton, die Bewehrung oder metallische Einbauteile einwirken. Expositionsklassen gehen nicht als Lastannahmen in die Tragwerksplanung ein. Nachfolgend ein Überblick über die Abkürzungen der Expositionsklassen:
XO - kein Korrosions- oder Angriffsrisiko
XC - Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Karbonatisierung
XD - Bewehrungskorrosion, verursacht durch Chloride, kein Meerwasser
XS - Chloridangriff durch Meerwasser
XF - Frostangriff mit und ohne Taumittel
XA - Betonkorrosion durch Angriff
XM - Betonkorrosion durch Verschleißbeanspruchung
Anhand der zu erwartenden Umgebungsbedingungen ist der Beton einer von vier Feuchtigkeitsklassen zuzuordnen:
WO, WF, WA und WS
Die einzelnen Expositionen sind je nach Angriffsrisiko in weitere Untergruppen unterteilt, die vom Planer beim Entwurf eines Bauteiles zu untersuchen sind und die dann in einer Festlegung für den gewählten Baustoff enden.
Ein Beispiel für die Expositionsklasse XC - Angriff auf die Bewehrungskorrosion - ist in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst:

Expositionsklassen infolge von Umwelteinwirkungen bezogen auf Bewehrungskorrosion nach DIN 1045 Teil 1 bzw. Teil 2. Wenn Beton, der Bewehrung oder anderes eingebettetes Metall enthält, Luft sowie Feuchtigkeit ausgesetzt ist, wird er einer Expositionsklasse gemäß nachfolgender Tabelle zugeordnet:
Klassenbe-zeichnung	Beschreibung der Umgebung	Beispiele für die Zuordnung	Mindestdruck-festigkeit
XC1	trocken oder ständig nass	Bauteile in Innenräumen mit üblicher Luftfeuchte (einschließlich Küche, Bad und Waschküche in Wohngebäuden) Beton, der ständig in Wasser getaucht ist	C16/20
XC2	nass, selten trocken	Teile von Wasserbehältern, Gründungsbauteile	C16/20
XC3	mäßige Feuchte	Bauteile, zu denen die Außenluft häufig oder ständig Zugang hat, z. B. offene Hallen, Innenräume mit hoher Luftfeuchtigkeit z. B. in gewerblichen Küchen, Bädern, Wäschereien, in Feuchträumen von Hallenbädern und in Viehställen	C20/25
XC4	wechselnd nass und trocken	Außenbauteile mit direkter Beregnung	C25/30

Das nebenstehende Bild zeigt Beispiele für die Zuordnung von Expositionsklassen von Betonbauteilen im Wohnungsbau.

Quelle:Heidelbergcement.de

Carbonatisierung

Umwandlung im Zementstein durch Eindringen von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser.
Reaktion: CO2 + H2O H2CO3 (Kohlensäure)
H2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Eventuell vorhandenes oder freigesetztes Ca(OH)2 und restliches CaO reagieren in Gegenwart von H2O zu CaCO3. Dies bewirkt eine Abnahme des Ca(OH)2 - Anteils, dadurch wird der pH-Wert abgesenkt, mit der Folge, dass bei einem pH-Wert < 11,5 die Korrosion des Stahles einsetzt.

Für den Nachweis der Carbonatisierung an Bohrkernen und Bruchstücken wird eine Indikatorlösung verwendet.
Phenolphthalein .. Färbung an der Bruchstelle ist violett oder
Thymolphthalein Färbung an der Bruchstelle ist blau-violett

Verformungseigenschaften

Das Maß für das elastische Verhalten von Beton ist der Elastizitätsmodul. Er gibt das Verhältnis der Spannung zur zugehörigen elastischen Verformung an, die nach einer Entlastung vollständig zurückgeht. Der E-Modul hängt von vielen Einflußgrößen ab. Er nimmt vor allem mit der Rohdichte und der Druckfestigkeit des Betons zu. Für Normalbeton mit einer näherungsweise gleichen Rohdichte gibt DIN 1045 Rechenwerte für den E-Modul in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse an.

Alle Baumaterialien sind nach dem Einbau Formänderungen unterworfen. Diese Formänderungen können sich vereinfacht darstellen als:

• elastische Verformung - Verformung unter Last, nach Entfernung der Last stellt sich die ursprüngliche Form wieder ein

• Kriechen (plastische Verformung) - zeitabhängige Verformung des Zementsteines unter andauernder Last (Spannung ), auch nach Entfernung der Last stellt sich die ursprüngliche Form nicht mehr ein. Elastische Verformung und Kriechen treten immer gemeinsam auf. Dieser Vorgang ist in Abhängigkeit vom Material erst nach einigen Jahren abgeschlossen.

• Relaxation: zeitabhängige Abnahme der Spannungen unter einer aufgezwungenen, gleichbleibenden Verformung

• Schwinden - Verkleinerung durch Austrocknen - Volumenverringerung infolge Hydratation

• Quellen - Volumenvergrößerung durch Feuchtigkeitsaufnahme.

Konsistenzklasse
Die Konsistenzklasse gibt das Ausbreitmaß in mm an:

• F1 steif - .................< 340 mm
• F2 plastisch - ..............350 bis 410 mm
• F3 weich - ..................420 bis 480 mm
• F4 sehr weich - ...........490 bis 550 mm
• F5 fließfähig - .............560 bis 620 mm
• F6 sehr fließfähig - ......630 bis 700 mm
• SV selbstverdichtend > 700 mm

Temperaturverformung

Ständig wiederkehrende Bewegung durch die Verlängerung und Verkürzung der Baustoffe unter Temperatureinfluss

Die Zugfestigkeit von Beton (ohne Bewehrung) erreicht etwa 5 bis 10 % der Druckfestigkeit. Die Zugfestigkeit innerhalb des Verbundbaustoffes Beton wird von der Bewehrung übernommen. Risse entstehen, wenn die eingeleiteten Spannungen die Materialfestigkeiten überschreiten. Risse verlaufen senkrecht zur Richtung der risserzeugenden Kraft. Rissbildung kann durch Lastbeanspruchung oder durch Zwangsbeanspruchung hervorgerufen werden.
Im Bereich von Rissen im Beton kann der durch die alkalischen Eigenschaften des Betonporenwassers gegebene Korrosionsschutz der Bewehrung örtlich aufgehoben werden.
Rissbildungen sind häufig nicht zu vermeiden. Je nach Nutzung und Dauerhaftigkeit sind die Rissbreiten zu beschränken. In Abhängigkeit von der Anforderungsklasse und der Expositionsklasse dürfen Rissbreiten w zwischen 0,20 mm bis 0,40 mm nicht überschritten werden.

Als Folge der Rissbildung findet eine Carbonatisierung des Betons durch Reaktion des Kohlendioxid aus der Umgebungsluft mit den Phasen des Zementsteines statt. Das CO2 aus der Luft kann tiefer in den Beton eindringen. Durch Luftsauerstoff in Verbindung mit eindringender Feuchtigkeit beginnt die Korrosion der Bewehrung da die Passivierung des Stahl verloren geht.
Infolge der Volumenvergrößerung bei der Rostbildung kommt es zum Absprengen der Betondeckung. Das Eindringen von Chloriden verstärkt diesen Prozess und kann zu einer punktuellen Korrosion mit plötzlichem Versagen führen.

Durch Beschränkung der Rissbreiten kann eine Depassivierung der Bewehrung im Stahlbetonbau mit wirtschaftlichen Mitteln nicht sichergestellt werden. Maßgeblich für einen ausreichenden Korrosionsschutz der Bewehrung ist bei Außenbauteilen nicht die Breite der Risse im üblichen Bereich (zwischen 0,1 und 0,4 mm), von entscheidender Bedeutung ist die Qualität der Betondeckungsschicht.

Qualität bedeutet in diesem Zusammenhang geringe Durchlässigkeit (durch ausreichend geringen w /z -Wert und gute Nachbehandlung) und ausreichende Dicke der Betondeckung.
Wenn die Vorgaben der einschlägigen Vorschriften ( DIN 1045; DAfStb usw.) eingehalten wurden, kann von einer ausreichenden Dauerhaftigkeit der Außenbauteile bezüglich des Korrosionsschutzes - auch im Bereich von Rissen - ausgegangen werden.

Die Rissbildung, hervorgerufen durch ungleichmäßiges Setzungsverhalten, soll an dieser Stelle ebenfalls erwähnt werden.