Beton

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Definition

Beton ist ein von Menschen gemachter Baustoff. Er besteht aus einer Mischung von

* Zement, 
* mineralischen Zuschlagstoffen (z. B. Kies, Sand Splitt), und 
* Wasser. 

Werden diese Bestandteile richtig gemischt, entsteht ein vielseitig einsetzbarer Baustoff mit einem hohen Nutzwert.

Rohstoffe

Zement

Zementherstellung

800px-Zementwerk.jpeg

Die Herstellung von Zement ist ein industrieller Prozeß. Fabrikationsstätten befinden sich in den meisten Fällen in der Nähe von geeigneten Rohstofflagerstätten (Steinbrüchen). Durch die räumlich Nähe von Produktion und Rohstoffgewinnung lassen sich Kosten einsparen und die Ökobilanz verbessern. Die Herstellung von Zement erfolgt in den im folgenden aufgeführten fünf Schritten:


1) Rohstoffaufbereitung

Die Zementrohstoffe Kalkstein und tonhaltiges Gestein (z. B. Mergel) werden in Steinbrüchen abgebaut, gebrochen und gemahlen. Durch die Mischung des Mahlguts (Kalkstein : Ton etwa 3 : 1) entsteht Zementrohmehl.


2) Brennen

Das Rohmehl wird in einem bis zu 100 m langen Drehrohrofen, bei hohen Temperaturen (bis 1450°), bis zum Anschmelzen der Korngrenzen (Sinterung) gebrannt. Hierbei wird der Kalk an die Tonmineralien (Silizium-, Aluminium- und Eisenoxid) chemisch gebunden und es entsteht Portlandzementklinker.


3) Dosieren

Um Zementarten mit speziellen Eigenschaften (Wasserundurchlässigkeit, niedrige Wärmeentwicklung beim Abbinden etc.) zu produzieren, wird der Portlandzementklinker mit ca. 3 % Gipsstein und Hüttensand oder Puzzolan oder Schieferabbrand gemischt.


4) Mahlen

In einer Kugelmühle wird die Klinkermischung gemahlen und es entsteht Zement. Je feiner der Zement gemahlen wird, desto größer ist seine Reaktionsoberfläche bei Wasserkontakt und desto größer ist seine spätere Festigkeit.


5) Prüfen

Normalzemente werden nach DIN EN 197-1 geprüft. Die Prüfung erfolgt in

* Eigenüberwachung im Werk 
* Fremdüberwachung durch anerkannte, unabhängige Prüfstellen. 

Der Zement wird geprüft auf

* Normdruckfestigkeit (nach 28 Tagen)
* Anfangsfestigkeit (nach 2 oder 7 Tagen) 
* Erstarrungsbeginn 
* Raumbeständigkeit 
* chemische Anforderungen 

[schematische Darstellung]

Zementerhärtung

Wenn Zement und Wasser miteinander in Berührung kommen wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, die als Abbinden oder auch Hydratation (hydraulische Umlagerung) bezeichnet wird. Durch die Hydratation erhärtet der Zement. Zu Beginn der Hydratation kristallisieren Salzhydrate aus und im noch flüssigen Zementleim bildet sich zuerst das Zementgel, welches sich zu Zementstein verfestigt. Im Zementstein verwachsen und verkleben sich die Kristalle und bilden in ihren Zwischenräumen die typischen Gelporen. Je feiner der Zement gemahlen ist, desto schneller läuft dieser Prozeß wegen der größeren Reaktionsoberfläche ab und desto fester wird der Zementstein bzw. die Normdruckfestigkeit von Beton nach 28 Tagen.

Zu Beginn läuft die Hydratation sehr schnell ab und wird im Laufe der Zeit immer langsamer. Der Erhärtungsprozess kann über viele Jahre andauern (Nacherhärtung).

Bei der Hydratation wird durch die chemische Reaktion Wärme freigesetzt (Hydratationswärme, exotherme Reaktion). Bei sehr massigen Bauteilen (Brückenwiderlager, Staudammelemente) kann diese Wärme zum Problem werden weil der Zement "verbrennt". Zur Lösung des Temperaturproblems kann dem Frischbeton Eiswasser beigefügt werden. Beim Betonieren des Hoover Staudamms in den USA haben Ingenieure dieses Verfahren angewendet. Eine weitere Möglichkeit zur Lösung des Temperaturproblems ist die Wahl einer Zementsorte mit niedriger Hydratationswärme.

Ab ca. + 4° C kommt der Abbindeprozeß von Beton zum Erliegen. Wenn frisch betonierte Bauteile dann gegen Auskühlung geschützt werden müssen, bedeutet das für die Baupraxis einen erheblichen Mehraufwand.

Bei vollständig abgebundenem Zement werden nur ca. 25 % des Anmachwassers chemisch gebunden. Das Überschusswasser lagert sich zwischen den Zementkörnchen ab und bildet Kapillarporen. Die Kapillarporen sind ca. 1000 mal größer als die Gelporen und beeinflussen die Betoneigenschaften negativ. Für optimale Betoneigenschften ist also die richtige Menge des Anmachwassers mitentscheidend.

Zementarten

In der DIN EN 197-1 werden 27 Normalzemente und 7 weitere Normalzemente mit hohem Sulfatwiderstand aufgelistet. Weitere Sonderzemente bzw. Zemente mit besonderen Eigenschaften regeln die DIN EN 14216 und die DIN 1164.

Es werden folgende Hauptzementarten hergestellt:

*CEM I (Portlandzement)
*CEM II (Portlandkompositzement)
*CEM III (Hochofenzement)
*CEM IV (Puzzolanzement)
*CEM V (Kompositzement)

Portlandzemente (CEM I und CEM II) sind kalkreich und schützen Bewehrungseisen hierdurch vor Rost. Sie erreichen schnell hohe Festigkeiten (kurze Ausschalfristen) und entwickeln viel Hydratationswärme.

CEM III bis CEM V haben einen niedrigeren Kalkanteil und entwickeln weniger Hydratationswärme. Normalzemente mit niedrig eingestellter Hydratationswärme können die Kennzeichnung "LH" tragen.

Puzzolanzement ergibt einen sehr wasserdichten Beton.

Normalzemente werden in die drei folgenden Festigkeitsklassen eingeteilt, welche sich auf die Normdruckfestigkeit nach 28 Tagen bezieht.

  • Klasse 32,5 (N/mm²)
  • Klasse 42,5 (N/mm²)
  • Klasse 52,5 (N/mm²)


Jeder Normfestigkeitsklasse werden drei unterschiedliche Anfangsfestigkeiten zugeordnet:

  • übliche Anfangsfestigkeit, Kennbuchstabe N
  • hohe Anfangsfestigkeit, Kennbuchstabe R
  • niedrige Anfangsfestigkeit, Kennbuchstabe L

Kennzeichnung

Aus der Kennzeichnung im untern Bild geht hervor, dass es sich um einen Hochofenzement der Festigkeitsklasse 32,5 mit üblicher Anfangsfestigkeit handelt.

Zementtuete1.jpeg


Aus der Kennzeichnung im untern Bild geht hervor, dass es sich um einen Portlandkompositzement der Festigkeitsklasse 42,5 mit hoher Anfangsfestigkeit handelt.

Zementtuete2.jpeg

Wasser/Wasserzementwert

Die Menge des Zugabewassers ist entscheidend für die spätere Festigkeit des Zementsteins bzw. für die Materialeigenschaften des fertigen Betons.

Nur bei dem richtigen Verhältnis von Wasser und Zement, was als Wasserzementwert (w/z-Wert) berechnet werden kann, entstehen die optimale Materialeigenschaften.

Zur Berechnung des Wasserzementwertes wird die Masse des Anmachwassers durch die Masse des verwendeten Zements geteilt.


Beispiel

4 Säcke Zement mit je 25 kg sollen mit 40 Liter Wasser angemischt werden.

4 x 25 = 100 kg (Zementmasse)

Also ist

w/z = Wasser/Zementmasse = 40 / 100 = 0,4


Der Wasserzementwert ist eine dimensionslose Zahl (Zahl ohne Einheit). Das Gewicht des Wassers entspricht in dem Beispiele 40% des Zementgewichts.

Wird mehr Wasser zugegeben steigt der w/z-Wert und bei Verringerung der Wassermenge sinkt er.

w/z-Wert Aufbau Eigenschaften
unter 0,4 Es bleiben Reste von Zementkörnern

wegen Wassermangel

mangelnde Tragfähigkeit
gleich 0,4 Zement reagiert vollständig mit dem Wasser optimal
über 0,4 Zuviel Wasser. Es bilden sich Kapillarporen
  • mangelnde Tragfähigkeit und Wasserdurchlässigkeit
  • Schwindrisse,
  • sandige Oberfläche


Bei Erhöhung des w/z-Wertes von 0,4 auf 0,8 vergrößert sich der Kapillarporenraum auf das 1,5-Fache!

Mineralische Zuschlagstoffe

Koernung01.png Koernung02.png

Herstellung von Beton

Folgende Zementarten gibt es

* Portlandzement
* Trasszement

Betonarten

Auf Grund von Kapillarität

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