- 61 -

C METALLISCHE WERKSTOFFE

C.1 WICHTIGE METALLE IM BAUWESEN

Werkstoffe: Stahl und Stahllegierungen, Gusseisen Aluminium und seine Legierungen Kupfer und seine Legierungen, Blei

C.1.1 Stahl

C.1.1.1 Ausgangsstoffe

Eisenerze enthalten 20 - 70 M.-% Eisenoxide:

Fe3O4 Magneteisenstein Fe2O3 Roteisenstein Fe2O3·3H2O Brauneisenstein

und die sog. Gangart:

SiO2 Kieselsäure Al2O3 Tonerde CaCO3 Kalkstein MgO Magnesia.

Zuschlag: Prozessregulierende Stoffe z. B. Kalk

Brennstoff: meist Koks

Die Reduktion der Eisenerze erfolgt im Hochofen. Durch Reaktion von Eisenerz, Koks, Zuschlag und Luft entstehen:

Roheisen + Schlacke

Das Roheisen wird weiterverarbeitet zu

Gusseisen: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-% Stahl: C < 2,1 M.-%

Teilweise Weiterverwendung der Schlacke zu:

Hüttenzementen Hüttensteinen Hüttenbims Hüttenwolle.

C.1.1.2 Stahlherstellung

Das Roheisen ist insbesondere wegen seines zu hohen Gehaltes an Kohlenstoff so-wie anderer Bestandteile, z. B. Phosphor und Schwefel, zu spröde und nicht schmied-bar. Bei der Stahlherstellung werden der C-Gehalt reduziert und die unerwünschten Bestandteile ausgeschieden. Dies geschieht durch Zufuhr von Sauerstoff (Frischen), der zu einem Verbrennen u. a. des Kohlenstoffs führt. Phosphor wird durch Zugabe von Kalk gebunden.

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Die wichtigsten Verfahren zur Stahlherstellung sind das

Thomas-Verfahren (Windfrischverfahren) Siemens-Martin-Verfahren Sauerstoff-Aufblas-Verfahren Elektrostahl-Verfahren.

Siehe dazu z.B. [C.1].

C.1.1.3 Klassifizierung der Stähle

Nach der europäischen Norm EN 10020 werden die Stähle eingeteilt

- nach der chemischen Zusammensetzung oder - nach Hauptgüteklassen.

Es wird unterschieden zwischen

unlegierten Stählen legierten Stählen

Grundstähle - unlegierte Qualitätsstähle legierte Qualitätsstähle unlegierte Edelstähle legierte Edelstähle

Unlegierte Grundstähle sind für eine Wärmebehandlung nicht geeignet. Die Erfüllung der an sie gestellten Güteanforderungen erfordert keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung. Solche Stähle kommen im wesentlichen nur zum Kaltbiegen in Be-tracht.

Unlegierte Qualitätsstähle haben im Vergleich zu unlegierten Grundstählen schärfere oder zusätzliche Anforderungen zu erfüllen, z. B. bezüglich Sprödbruchempfindlichkeit, Korngröße oder Verformbarkeit. Zu den unlegierten Qualitätsstählen zählen die meis-ten Stähle für den Stahlbau nach DIN EN 10025 sowie die Betonstähle.

Unlegierte Edelstähle haben höhere Anforderungen bezüglich ihres Reinheitsgrades zu erfüllen. Sie sind meist für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung bestimmt und erfüllen hohe Anforderungen bzgl. Verformbarkeit, Schweißeignung, Zähigkeit usw. Den unlegierten Edelstählen sind u.a. Spannbetonstähle zuzuordnen.

Legierte Qualitätsstähle

Sie entsprechen den unlegierten Qualitätsstählen, enthalten aber Legierungselemente, z. B. Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Ti u.a., um bestimmte Eigenschaften zu optimieren. Solche Stähle sind im allgemeinen nicht für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung geeig-net. Zu den legierten Qualitätsstählen gehören z. B. schweißbare Feinkornstähle für den Druckbehälter- und Rohrleitungsbau, Stähle für Schienen und für Spundwander-zeugnisse sowie warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse für schwierige Kaltver-formungsarbeiten.

Legierte Edelstähle

Dies sind Stähle, denen durch eine genaue Einstellung ihrer chemischen Zusammen-setzung sowie der Herstellungs- und Prüfbedingungen bestimmte Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften verliehen werden. Legierte Edelstähle sind u.a. wetterfeste Baustähle nach DIN EN 10155 und nichtrostende Baustähle.

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C.1.1.4 Allgemeine Baustähle

Sie sind in DIN EN 10025 genormt. Diese Norm enthält die Anforderungen an Lang- und Flacherzeugnisse aus warmgewalzten unlegierten Grund- und Qualitätsstählen entsprechend den nachfolgenden Tabellen.

Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach dem Mindestwert der Streckgrenze oder nach Werkstoffnummern. Die Stähle sind besonders beruhigt vergossen und besitzen daher wenige Seigerungen (Inhomogenitäten), was der Schweißbarkeit zugu-te kommt. Der Behandlungszustand kann unbehandelt oder normalgeglüht sein, wobei letzterer die Sprödbruchempfindlichkeit fördert. Da der Kohlenstoff ≤ 0,20 % beträgt, sind die Stähle problemlos schweißbar.

Tabelle C.1.1: Chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse für Flacher-zeugnisse und Langerzeugnisse1) (Auszug DIN EN 10025)

Stahlsorte Kurzname Massenanteile in %, max.

nach

EN10027-1 nach

EU 25-72 nach DIN

17100 nach EN 10027-2

Des-oxidati-ons- art

Stahl-art4)

C für Erzeugnis

Nenndicken in mm Mn Si P S N2)3)

Kurzname Werk-stoff-

nummer ≤ 16 > 16

≤ 40 > 405)

S185 Fe 310-06) St 33 1.0035 Freige-stellt

BS - - - - - - - -

S235JR S235JRG1 S235JRG2 S235JO S235J2G3 S235J2G4

Fe 360 B6) Fe 360 B6) Fe 360 B Fe 360 C Fe 360 D1 Fe 360 D2

St 37-2 USt 37-2 RSt 37-2 St 37-3 U St 37-3 N

-

1.0037 1.0036 1.0038 1.0114 1.0116 1.0117

Freige-stellt FU FN FN FF FF

BS BS BS QS QS QS

0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17

0,20 0,20 0,17 0,17 0,17 0,17

- -

0,20 0,17 0,17 0,17

1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40

- - - - - -

0,045 0,045 0,045 0,040 0,035 0,035

0,045 0,045 0,045 0,040 0,035 0,035

0,0090,0070,0090,009

- -

S275JR S275JO S275J2G3 S275J2G4

Fe 430 B Fe 430 C Fe 430 D1 Fe 430 D2

St 44-2 St 44-3 U St 44-3 N -

1.0044 1.0143 1.0144 1.0145

FN FN FF FF

BS QS QS QS

0,21 0,18 0,18 0,18

0,21 0,18 0,18 0,18

0,22 0,187) 0,187) 0,187)

1,50 1,50 1,50 1,50

- - - -

0,045 0,040 0,035 0,035

0,045 0,040 0,035 0,035

0,0090,009

- -

S355JR S355JO S355J2G3 S355J2G4 S355K2G3 S355K2G4

Fe 510 B Fe 510 C9) Fe 510 D18) Fe 510 D28) Fe 510 DD18) Fe 510 DD28)

- St 52-3 U St 52-3 N - - -

1.0045 1.0553 1.0570 1.0577 1.0595 1.0596

FN FN FF FF FF FF

BS QS QS QS QS QS

0,24 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20

0,24 0,209) 0,209) 0,209) 0,209) 0,209)

0,24 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22

1,60 1,60 1,60 1,60 1,60 1,60

0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55

0,045 0,040 0,035 0,035 0,035 0,035

0,045 0,040 0,035 0,035 0,035 0,035

0,0090,009

- - - -

E295 Fe 490-2 St 50-2 1.0050 FN BS - - - - - 0,045 0,045 0,009

E335 Fe 590-2 St 60-2 1.0060 FN BS - - - - - 0,045 0,045 0,009

E360 Fe 690-2 St 70-2 1.0070 FN BS - - - - - 0,045 0,045 0,009

1) Siehe 7.3 (DIN EN 10025) 2) Die angegebenen Werte dürfen überschritten werden, wenn je 0,001 % N der Höchstwert für den Phos-

phorgehalt um 0,005 % unterschritten wird; der Stickstoffgehalt darf jedoch einen Wert von 0,012 % in der Schmelzenanalyse nicht übersteigen.

3) Der Höchstwert für den Stickstoffgehalt gilt nicht, wenn der Stahl einen Gesamtgehalt an Aluminium von mindestens 0,020 % oder genügend andere stickstoffabbindende Elemente enthält. Dei stickstoffabbin-denden Elemente sind in der Bescheinigung über Materialprüfungen anzugeben.

4) BS: Grundstahl; QS: Qualitätsstahl. 5) Bei Profilen mit einer Nenndicke > 100 mm ist der Kohlenstoffgehalt zu vereinbaren. Zusätzliche Anfor-

derung 23. 6) Nur in Nenndicken 25 mm lieferbar. 7) Max. 0,20 % C bei Nenndicken > 150 mm. 8) Siehe 7.3.3 (DIN EN 10025). 9) Max. 0,22 % C bei Nenndicken > 30 mm und bei den KP-Sorten (Siehe 7.5.3.2 DIN EN 10025).

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Der Desoxidationsart gibt Aufschluss über das Erschmelzungsverhalten bei der Stahl-herstellung:

Freigestellt: nach Wahl des Herstellers FU: unberuhigter Stahl FN: unberuhigter Stahl nicht zulässig FF: vollberuhigter Stahl Weitere Erläuterungen: S: Baustahl E: Maschinenbaustahl Ziffer: Mindeststreckgrenze in N/mm2

JR: 27 J Kerbschlagarbeit bei +20°C (Raumtemperatur) JO: 27 J Kerbschlagarbeit bei -0°C J2: 27 J Kerbschlagarbeit bei -20°C G1: unberuhigte Stahlsorte G2: beruhigte Stahlsorte G3: unterschiedliche Lieferbedingungen G4: unterschiedliche Lieferbedingungen Kohlenstoff ist das billigste und wirksamste Legierungselement, das durch die Rohei-senherstellung bereits im Stahl vorhanden ist und durch Oxidation (Blasen) weitge-hend entfernt wird. Die Zunahme des Kohlenstoffgehalts um 0,1 % bewirkt eine Zu-nahme der Zugfestigkeit um etwa 90 N/mm2, der Streckgrenze um 40 bis 50 N/mm2 und eine Abnahme der Bruchdehnung um 4 %. Siliziumgehalte bis 0,3 % wirken sich bei ungeglühten Stählen günstig auf die Festig-keit und Zähigkeit aus. Bei vergüteten Stählen mit 0,5 bis 0,8 % Silizium wird die kriti-sche Abkühlungsgeschwindigkeit beim Härten herabgesetzt und die Anlassbeständig-keit erhöht. Mangan erhöht die Festigkeit und Zähigkeit des Ferritmischkristalls. Bei gleicher Fes-tigkeit können 0,5 % Mn etwa 0,1 % C ersetzen, wobei die Schweißeignung jedoch verbessert wird. Durch Mangan wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit vermindert, so dass es eher zu Härtungsgefügen kommt. Dieser Einfluss ist beim Vergüten aus-geprägter als beim Normalglühen. Schwefel, Phosphor und Stickstoff sind Stahlbegleiter, die zur Alterung und Versprö-dung führen. Sie müssen soweit wie möglich aus dem Stahl entfernt werden.

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Tabelle C.1.2: Mechanische Eigenschaften der Flacherzeugnisse und Langerzeugnisse (Auszug aus DIN EN 10025)

Stahlsorte Kurzname Streckgrenze Reff, N/mm2, min.1) Zugfestigkeit Rm, N/mm2 1)

nach EN 10027-1

nach EU 25-72

nach DIN 17100

nach EN 10027-2

Des-oxidations-

Stahl-art3)

für Nenndicken in mm für Nenndicken in mm

Kurzname Werkstoff-nummer

art ≤ 16 > 16 ≤ 40

> 40 ≤ 63

> 63 ≤ 80

> 80 ≤ 100

> 100 ≤ 150

> 150 ≤ 200

> 200 ≤ 250

≤ 3 > 3 ≤ 100

> 100 ≤ 150

> 150 ≤ 250

S185 Fe 310-02) St 33 1.0035 Freigestellt BS 185 175 - - - - - - 310 bis 540

290 bis 510

- -

S235JR S235JRG1 S235JRG2 S235JO S235J2G3 S235J2G4

Fe 360 B2) Fe 360 B2) Fe 360 B Fe 360 C Fe 360 D1 Fe 360 D2

St 37-2 USt 37-2 RSt 37-2 St 37-3 U St 37-3 N

-

1.0037 1.0036 1.0038 1.0114 1.0116 1.0117

Freigestellt FU FN FN FF FF

BS BS BS QS QS QS

235 235 235 235 235 235

235 225 225 225 225 225

- -

215 215 215 215

- -

215 215 215 215

- -

215 215 215 215

- -

195 195 195 195

- -

185 185 185 185

- -

175 175 175 175

- 360 bis

510

- 340 bis

470

- -

340 bis 470

- -

320 bis 470

S275JR S275JO S275J2G3 S275J2G4

Fe 430 B Fe 430 C Fe 430 D1 Fe 430 D2

St 44-2 St 44-3 U St 44-3 N -

1.0044 1.0143 1.0144 1.0145

FN FN FF FF

BS QS QS QS

275 265 255 245 235 225 215 205 430 bis 580

410 bis 560

400 bis 540

380 bis 540

S355JR S355JO S355J2G3 S355J2G4 S355K2G3 S355K2G4

Fe 510 B Fe 510 C Fe 510 D1 Fe 510 D2 Fe 510 DD1 Fe 510 DD2

- St 52-3 U St 52-3 N - - -

1.0045 1.0553 1.0570 1.0577 1.0595 1.0596

FN FN FF FF FF FF

BS QS QS QS QS QS

355 345 335 325 315 295 285 275 510 bis 680

490 bis 630

470 bis 630

450 bis 630

E295 Fe 490-24) St 50-2 1.0050 FN BS 295 285 275 265 255 245 235 225 490 bis 660

470 bis 610

450 bis 610

440 bis 610

E335 Fe 590-24) St 60-2 1.0060 FN BS 335 325 315 305 295 275 265 255 590 bis 770

570 bis 710

550 bis 710

540 bis 710

E360 Fe 690-24) St 70-2 1.0070 FN BS 360 355 345 335 325 305 295 285 690 bis 900

670 bis 830

650 bis 830

640 bis 830

1) Die Werte für den Zugversuch in der Tabelle gelten für Längsproben, bei Band-, Blech- und Breitflachstahl in Breiten 600 mm für Querproben. 2) Nur in Nenndicken 25 mm lieferbar. 3) BS: Grundstahl; QS: Qualitätsstahl. 4) Diese Stahlsorten kommen üblicherweise nicht für Profilerzeugnisse (I-, U-Winkel) in Betracht.

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C.1.1.5 Wetterfeste und nichtrostende Baustähle

Wetterfeste Baustähle sind legierte Edelstähle. Sie sind in der Europäischen Norm EN 1055 erfasst. Wetterfesten Stählen wird eine bestimmte Anzahl von Legierungsele-menten zugesetzt, z. B. P, Cu, Cr, Ni, Mo, Mn, um den Widerstand der Stähle gegen atmosphärische Korrosion zu erhöhen, indem sich unter dem Einfluss der Witterungs-bedingungen schützende Oxidschichten auf dem Grundwerkstoff bilden. Einen Über-blick der Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften solcher Stähle geben die nachfolgenden Tabellen.

Tabelle C.1.3: Chemische Zusammensetzung nach der Schmelzenanalyse

Stahlsorte Bezeichnung Massenanteile in %

nach EN 10027-1

nach EN 10027-2

Desoxi- dations-

art C

max. Si

max. Mn P S

max. N

max.

Zusatz an stickstoff-

abbindenden Elementen1)

Cr Cu Sonstige

S235J0W S235J2W

1.8958 1.8961

FN FF

0,13 0,40 0,20 bis

0,60 max. 0,040

0,040 0,035

0,0092)5)

- - ja

0,40 bis

0,80

0,25 bis

0,55 3)

S355J0WP S355J2WP

1.8945 1.8946

FN FF

0,12 0,75 max. 1,0

0,06 bis 0,15

0,040 0,035

0,0095) -

- ja

0,30 bis

1,25

0,25 bis

0,55 3)

S355J0W S355J2G1W S355J2G2W S355K2G1W S355K2G2W

1.8959 1.8963 1.8965 1.8966 1.8967

FN FF FF FF FF

0,16 0,50 0,50 bis

1,50

max. 0,040 max. 0,035 max. 0,035 max. 0,035 max. 0,035

0,040 0,035 0,035 0,035 0,035

0,0092)5)

- - - -

- ja ja ja ja

0,40 bis

0,80

0,25 bis

0,55

3)4)

1) Die Stähle müssen mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Algesamt: ≥ 0,020 %, Nb: 0,015 bis 0,060 %, V: 0,02 bis 0,12 % Ti: 0,02 bis 0,10 %. Wenn diese Elemente in Kombination angewendet werden, muss mindestens eines von ihnen mit dem angegebe-nen Mindestgehalt enthalten sein.

2) Eine Überschreitung des angegebenen Höchstwertes ist zulässig, wenn je 0,001 % N ein um 0,005 % unter dem festgelegten Höchst-wert liegender Phosphorgehalt eingehalten wird. Der Stickstoffgehalt darf jedoch einen Wert von 0,012 % in der Schmelzenanalyse nicht übersteigen.

3) Die Stähle dürfen max. 0,65 % Ni enthalten. 4) Die Stähle dürfen max. 0,30 % Mo und max. 0,15 % Zr enthalten. 5) Der Höchstwert für den Stickstoffgehalt gilt nicht, wenn die Stähle mindestens 0,020 % Algesamt oder genügende Gehalte an anderen

stickstoffabbindenden Elementen aufweisen. Die stickstoffabbindenden Elemente sind in der Prüfbescheinigung anzugeben.

Zur Erläuterung der Bezeichnungen siehe Abschnitt C.1.1.4. Weitere Erläuterungen: W: Kennzeichnung der Wetterfestigkeit des Stahls P: Kennzeichnung des erhöhten Phosphorgehaltes, nur bei S355

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Tabelle C.1.4: Mechanische Eigenschaften der Flach- und Langerzeugnisse

Stahlsorte Bezeichnung Streckgrenze ReH 1)

(N/mm2) min.

Zugfestigkeit Rm 1)

(N/mm2) Pro- Bruchdehnung 1) (%) min.

Nach EN 10027-1

nach EN

10027-2

für Nenndicken in mm für Nenndicken in mm

ben-lage1)

L0 = 80 mm Nenndi-cken in mm

L0 = 5,65⋅ S0

Nenndicken in mm

≤ 16

> 16 ≤ 40

> 40 ≤ 63

> 63 ≤ 80

> 80 ≤ 100

≤ 3 > 3

≤ 100 1,5

≤ 2 > 2

≤ 2,5 2,5 ≤ 3

3 ≤ 40

> 40 ≤ 63

> 63 ≤ 100

S235J0W S235J2W

1.8958 1.8961

235 225 215 215 215 360 bis

510 340 bis

470 l t

19 17

20 18

21 19

26 24

25 23

24 22

S355J0WP S355J2WP

1.8945 1.8946

355 3452) - - - 510 bis

680 490 bis

630 l t

16 14

17 15

18 16

22 20

- -

- -

S355J0W S355J2G1W S355J2G2W S355K2G1W S355K2G2W

1.8959 1.8963 1.8965 1.8966 1.8967

355 345 335 325 315 510 bis

680 490 bis

630 l t

16 14

17 15

18 16

22 20

21 19

20 18

1) Die in der Tabelle angegebenen Werte des Zugversuches gelten für Längsproben (l) außer bei Band, Blech Breitflachstahl > 600 mm Breite, aus denen Querproben (t) zu entnehmen sind.

2) Dieser Wert kommt nur für Profile und Stabstahl in Betracht

Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach der Zugfestigkeit und Gütegruppen oder nach Werkstoffnummern.

Nichtrostende Stähle sind in Deutschland auch unter bestimmten Werksnamen, z. B. V2A, V4A, Nirosta und Remanit bekannt. Sie werden in verschiedenen deutschen Normen oder in bauaufsichtlichen Zulassungen behandelt.

C.1.1.6 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, hochfeste Baustähle

Dies sind Qualitäts- und Edelstähle, die aufgrund ihres Gefüges und ihrer chemischen Zusammensetzung besonders schweißgeeignet sind. Sie werden in der europäischen Norm EN 10113 bezüglich ihrer Herstellung, mechanischen Eigenschaften und Prü-fung klassifiziert.

Hohe Festigkeiten werden im Allgemeinen mit Feinkornbaustählen erreicht. Diese sind in DIN EN 10113 definiert. Einige Stähle mit noch höheren Festigkeiten sind nicht genormt, sondern bauaufsichtlich zugelassen. Zunächst kommt es darauf an, dass die Möglichkeit der Festigkeitserhöhung mit bestimmten Anforderungen und Gefügen ü-berhaupt gegeben ist. Gerade für diese Stähle benötigt man eine ausreichende Zähigkeit, um dem Trennbruch (Kerbwirkung) entgegen zu wirken, sowie häufig an-wendungsbedingt eine gute Schweißeignung.

Die Erhöhung der Streckgrenze kann sehr vereinfacht als Summe einzelner Mecha-nismen ausgehend von einer Grundfestigkeit aufgefasst werden, wobei die Anteile nicht immer rein additiv sind.

Dem idealen Kristall ist die Grundfestigkeit zugeordnet. Einen deutlichen Beitrag zur Festigkeitssteigerung bei guter Zähigkeit leistet die Feinkornhärtung (Korngrenzen als Hindernisse). Die Festigkeitssteigerung beruht auf der Hemmung der Versetzungsbe-wegung durch die Großwinkelkorngrenzen eines sehr dichten Gefüges aus kleinen Körnern. Den weitaus größten Beitrag zur Festigkeitssteigerung liefert die Ausschei-dungshärtung (Teilchenhärtung). Dieser Mechanismus beruht prinzipiell darauf, daß sich beim Abkühlen und Anlassen aus geringsten Legierungszusätzen sehr kleine, sehr harte Carbide (Teilchen) bilden. Es kommt zu einer Wechselwirkung von Versetzun-gen und Teilchen (siehe Kapitel C.4).

Durch die große Härte sind die Teilchen kaum verformbar und nehmen selber an plasti-schen Verformungen nicht teil. Eine Versetzung kann sich hinter den Teilchen wie-

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der schließen oder muss dieses umfließen. Dadurch wird die Versetzungsbewegung behindert, bzw. es werden neue Versetzungen ausgelöst (siehe Kapitel C.4).

Der normalgeglühte und thermomechanisch behandelte Feinkornbaustahl hat eine obere Streckgrenze ReH ≤ 500 N/mm2 und ein ferritisches-perlitisches Gefüge (vgl. Ta-belle C.1.4). Der vergütete Feinkornbaustahl hat eine Streckgrenze von ReH = 500 bis 700 N/mm2 und besteht aus einem Gefüge aus angelassenem Martensit (evtl. mit Bai-nit).

Tabelle C.1.5: Eigenschaften einiger hochfester, schweißgeeigneter Feinkornbau-stähle, normalgeglüht, nach DIN EN 10113, Teil 2

C.1.1.7 Betonstähle

Klassifizierung Die Betonstähle dienen der Bewehrung des Betons und führen zu Stahlbetonkonstruk-tionen. Diese Stähle gehören zur Gruppe der unlegierten Qualitätsstähle. In Deutsch-land sind sie in DIN 488 Teil 1 genormt. Weitere Angaben dazu finden sich in der DIN 1045-1. Alle in diesen Normen erfassten Stähle sind schweißgeeignet.

Sie werden in 2 Verarbeitungsformen hergestellt und geliefert:

- als Betonstabstahl: die Sorten III S und IV S - als Baustahlmatten: die Sorte IV M. Da alle Betonstähle schweißbar sein müssen, und zwar mit möglichst allen Schweiß-verfahren, ist der C-Gehalt auf 0,22 % begrenzt. Die hohe Streckgrenze wird entweder erreicht durch Zugabe von Silizium (Si) und Mangan (Mn) und geringen Mengen von Niob (Nb) und/oder Vanadium (V), die zur Kornfeinung beitragen. Eine andere Metho-de ist die Kaltverformung durch Tordieren, wodurch die Versetzungsdichte erhöht wird. Ein dritter Weg ist die Abkühlung mit geregelter Temperaturführung aus der Walzhitze.

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Tabelle C.1.6: Sorteneinteilung und Eigenschaften der Betonstähle (Auszug DIN 488, Teil 1)

1 2 3 4 5 Beton- Kurzname B St 420 S B St 500 S B St 500 M2) Wert stahl- Kurzzeichen1) III S IV S IV M P sorte Werkstoff 1.0428 1.0438 1.0466 %3)

Erzeugnisform Betonstabstahl Betonstabstahl

Betonstahl-matte2)

1 Nenndurchmesser dS (mm) 6 bis 28 6 bis 28 4 bis 124) -

2 Streckgrenze RS (βS)5) bzw. 0,2 % Dehngrenze Rp0,2 (β0,2)5)

(N/mm2) 420 500 500 5,0

3 Zugfestigkeit Rm (βZ)5) (N/mm2) 5006) 5506) 5506) 5,0 4 Bruchdehnung A10 (d10)5) (%) 10 10 8 5,0

5 Dauerschwingfestigkeit (N/mm2) Schwingbreite

gerade Stäbe7) 2σA (2.106) 215 215 - 10,0 6 gebogene Stäbe 2σA (2.106) 170 170 - 10,0 7 gerade freie Stäbe von 2σA (2.106) - - 100 10,0 8 Matten mit Schweißstelle 2σA (2.105) - - 200 10,0 9 Rückbiegeversuch mit 6 bis 12 5dS 5dS - 1,0

10 Biegerollendurchmesser für 14 und 16 6dS 6dS - 1,0 11 Nenndurchmesser dS (mm) 20 bis 28 8dS 8dS - 1,0

12 Biegedorndurchmesser beim Faltversuch an der Schweißstelle

- - 6dS 5,0

13 Knotenscherkraft S (N) - - 0,3.AS.Re 5,0

14 Unterschreitung des Nennquer-schnittes AS

8) (%) 4 4 4 5,0

15 Bezogene Rippenfläche fR siehe DIN 488

Teil 2 siehe DIN 488

Teil 2 siehe DIN 488

Teil 4 0

16 Chemische Zusammen- C 0,22 (0,24) 0,22 (0,24) 0,15 (0,17) - 17 setzung bei der Schmelzen- P 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) - 18 und Stückanalyse9) S 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) 0,050 (0,055) - 19 Massengehalt in %, max. N10) 0,012 (0,013) 0,012 (0,013) 0,012 (0,013) - 20 Schweißeignung für Verfahren11) E, MAG, GP, RA,

RP E, MAG, GP, RA,

RP E12), MAG12),

RP -

1) Für Zeichnungen und statische Berechnungen. 2) Mit den Einschränkungen nach Abschn. 8.3 gelten die in dieser Spalte festgelegten Anforderungen auch für Bewehrungs-

draht. 3) p-Wert für eine statistische Wahrscheinlichkeit W = 1 - a = 0,9 (einseitig) (siehe auch Abschn. 5.2.2). 4) Für Betonstahlmatten mit Nenndurchmessern von 4,0 und 4,5 mm gelten die in Anwendungsnormen festgelegten einschrän-

kenden Bestimmungen; die Dauerschwingfestigkeit braucht nicht nachgewiesen zu werden. 5) Früher verwendete Zeichen. 6) Für die Istwerte des Zugversuches gilt, dass RSS min. 1,05.Re (bzw. Rp0,2), beim Betonstahl B St 500 M mit Streckgrenzenwer-

ten über 550 N/mm² min. 1,03. Re (bzw. Rp0,2) betragen muss. 7) Die geforderte Dauerschwingfestigkeit an geraden Stäben gilt als erbracht, wenn die Werte nach Zeile 5 eingehalten werden. 8) Die Produktion ist so einzustellen, dass der Querschnitt im Mittel mindestens dem Nennquerschnitt entspricht. 9) Die Werte in Klammern gelten für die Stückanalyse. 10) Die Werte gelten für den Gesamtgehalt an Stickstoff. Höhere Werte sind nur dann zulässig, wenn ausreichende Gehalte an

stickstoffabbindenden Elementen vorliegen. 11) Die Kennbuchstaben bedeuten: E: Metall-Lichtbogenhandschweißen; MAG: Metall-Aktivgasschweißen; GP: Gaspressschweißen; RA: Abbrennstumpfschweißen; RP: Widerstandspunktschweißen 12) Der Nenndurchmesser der Mattenstäbe muss mindestens 6 mm beim Verfahren MAG und mindestens 8 mm beim Verfahren

E betragen, wenn Stäbe von Matten untereinander oder mit Stabstählen ≤ 14 mm Nenndurchmesser verschweißt werden.

Für werkmäßig hergestellte Bewehrungen wird auch der sog. Bewehrungsdraht BSt 500 G (glatt) und BSt 500 P (profiliert) hergestellt.

- 70 -

(1 ( 65° bis 70° (3 ( 60° e

(2 ( 45° bis 60°

cs

cs

a) ohne Längsrippen b) mit Längsrippen

bl

hl

Seite 1 Seite 2 Seite 1 Seite2 ( ( 60° ( ( 60° e Cs1 Cs2 a) ohne Längsrippen b) mit Längsrippen bl hl

Rippung Zur Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Bewehrung und Beton sind die Betonstähle an ihrer Oberfläche mit Rippen versehen, die für die verschiedenen Stahlsorten unterschiedlich sind. Abb. C.1.1: Nicht verwundener Betonstabstahl BSt 420 S mit und ohne Längsrippen Abb. C.1.2: Kalt verwundener Betonstahl BSt 420 S

Abb. C.1.3: Nicht verwundener Betonstabstahl BSt 500 S mit und ohne Längsrippen

( ( 35° Ganghöhe

- 71 -

Abb.C.1.4: Kalt verwundener Betonstahl BSt 500 S Betonstabstähle können nach folgenden Verfahren hergestellt werden:

• warmgewalzt, ohne Nachbehandlung • warmgewalzt, an der Walzhitze wärmebehandelt (z. B. Tempcore-Stähle) • kaltverformt, durch Verwinden oder Recken des warmgewalzten Aus-

gangsmaterial.

C.1.1.8 Spannstähle

Spannstähle werden beim Bau von vorgespannten Betonkonstruktionen eingesetzt. Im Vergleich zu Betonstählen besitzen sie im Allgemeinen eine deutlich höhere Zugfes-tigkeit und Streckgrenze. Sie gehören meist zur Gruppe der unlegierten Edelstähle. In Deutschland sind die Spannstähle zur Zeit nicht in einer Norm erfasst, sondern sie benötigen eine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik. Die Spannstähle unterscheiden sich in den mechanischen Eigenschaften, den Arten der Herstellung (gereckt, kaltgezogen, vergütet), der Profilierung (glatt, gerippt, Drähte zu Litzen verseilt), der Verankerungsart (Endverankerung oder über Verbund) und in den Querschnittsabmessungen. Da Spannstähle einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,50 % besitzen, sind sie nicht schweißbar (Schweißbarkeit für C ≤ 0,20 % bei herkömmlichen Verfahren). Gleichzei-tig sind sie aufgrund der massiven Festigkeitssteigerung durch Kaltverformen sehr empfindlich für jede Art von Wärmeeinwirkungen, also Funkenflug bei Trennarbeiten, Schweißarbeiten in unmittelbarer Nähe usw., da die Wirkungen der Kaltverformung z.T. rückgängig gemacht werden bzw. es zu einer Versprödung kommen kann. Dies gilt auch für punktuelle Wärmeeinwirkung. Die Art der Festigkeitssteigerung bedingt eine geringere Zähigkeit als Baustähle sie aufweisen. Dadurch werden sie zusam-men mit den extrem hohen Vorspannkräften auch sehr empfindlich gegen Beschädi-gungen der Oberfläche (Kerbwirkung), wodurch es zu Sprödbrüchen (Versagen oh-ne Vorankündigung) kommen kann. Die zugelassenen Spannstähle weisen Streckgrenzen/Zugfestigkeiten im Bereich 835/1030 N/mm2 bis 1570/1770 N/mm2 bei Bruchdehnungen von ca. 6 % auf.

(3 ( 35° (2 ( 40° - 45° (1 ( 60° - 65°

Ganghöhe

- 72 -

C.1.1.9 Eigenschaften der Stähle des Bauwesens

• Strukturunabhängige Eigenschaften

Elastizitätsmodul E 200000 - 210000 N/mm2

Schubmodul G 81000 N/mm2

Dichte je nach C-Gehalt 7,83 - 7,88 kg/dm3

Wärmeausdehnungskoeffizient

je nach C-Gehalt 10,7 - 11,5·10-6 1/K

Wärmeleitfähigkeit 240 W/(m⋅K)

• Festigkeit

Reines Eisen βz: 180 N/mm2

Baustähle 300 - 700 N/mm2

Spannstähle: 600 - 2000 N/mm2

Kaltgezogene Stahldrähte: 2000 - 4000 N/mm2

• Dauerstandfestigkeit

Baustähle zeigen bei Raumtemperatur kein Absinken der Festigkeit unter lang-andauernder statischer Beanspruchung, so dass die Dauerstandfestigkeit etwa gleich der Kurzzeitfestigkeit ist.

• Kriechen und Relaxation

Allgemeine Baustähle zeigen bei normaler Temperatur und Spannungen unter-halb der Streckgrenze keine nennenswerten Kriechverformungen. Bei hochfes-ten Spannstählen können jedoch auch bei Normaltemperatur deutliche Kriech-verformungen auftreten (siehe Teil C.3.12).

• Dauerschwingfestigkeit

Siehe Teil C.5.6.

Stoffgesetze In DIN 1045-1 wird zwischen den Spannungs-Dehnungslinien für die Schnittgrößen-ermittlung und für die Querschnittsbemessung unterschieden. Die Festlegungen und konstruktiven Regeln in dieser Norm beziehen sich auf schweißgeeignete, gerippte Baustähle mit einer charakteristischen Streckgrenze von fyk = 500 N/mm2. Sofern rele-vant, gelten diese Eigenschaften gleichermaßen für Zug- und Druckbeanspruchung.

- 73 -

Abb. C.1.5: Spannungs-Dehnungslinie des Betonstahls für die Schnittgrößenermitt-

lung

Die Bemessung ist auf der Grundlage der Nennquerschnittsfläche und des Nenn-durchmessers unter Ansatz der idealisierten Spannungs-Dehnungslinie nach Abb. C.1.6 durchzuführen. Vereinfachend darf auch ein horizontaler oberer Ast der Span-nungs-Dehnungslinie angenommen werden. Für die Querschnittsbemessung ist ftk, cal

mit 525 N/mm2 anzusetzen und die Stahldehnung εs auf den Wert εsu = 0,025 zu be-grenzen. Die Stoffgesetze für Spannstähle in DIN 1045-1 sind ähnlich den entsprechenden Stoffgesetzen für Betonstahl. Bei Spannstählen wird jedoch die 0,1% Dehngrenze als charakteristischer Wert definiert (anstatt der 0,2 %-Dehngrenze, wie bei Betonstahl).

Abb. C.1.6: Rechnerische Spannungs-Dehnungslinie des Betonstahls für die

Bemessung

idealisierter Verlauf

- 74 -

16 20

BSt 500

BSt 420

St 835/1030

St 1080/1230

St 1420/1570

St 1470/1670 St 1570/1770

12 8 4 0

l0 = 10d0

Soweit in den Normen der Reihe DIN 488 oder in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen nicht abweichend festgelegt, dürfen für die Bemessung folgende physi-kalische Eigenschaften des Betonstahls angenommen werden:

• Elastizitätsmodul: Es = 200 000 N/mm2

• Wärmedehnzahl: α = 10 · 10-6 K-1

Plastische Verformbarkeit

Die plastische Verformbarkeit der Betonstähle sinkt mit steigender Zugfestigkeit.

Abb. C.1.7: Spannungs-Dehnungslinien von Betonstählen

Literatur: [C.1] DIN EN 10025 : 1990, Warmgewalzte Erzeugnisse aus unlegierten Baustählen [C.2] DIN EN 10027-1 : 1992, Bezeichnungssysteme für Stähle [C.3] BARGEL, H.J., SCHULZE, G.: Werkstoffkunde, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994 [C.4] DIN 1045-1:2001-07, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton,

Teil1: Bemessung und Konstruktion [C.5] WESCHE, K.: Baustoffe für tragende Bauteile, Band 1: 3. Aufl. 1996; Band 2:

3.Aufl. 1992; Band 3:2. Aufl. 1985; Band 4: 2.Aufl. 1988, Bauverlag, Wiesba-den

- 75 -

C.1.2 Gusseisen

Charakteristische Zusammensetzung: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-%.

C.1.2.1 Klassifizierung des Gusseisens

Bezeichnung nach der Zugfestigkeit in N/mm2 und der Herstellungsart:

(GS: Stahlguss) GG: Grauguss TG: Temperguss GGG: Grauguss mit Kugelgraphit Beispiel: GS-450: Stahlguss mit einer Mindestzugfestigkeit von 450 N/mm2

C.1.2.2 Eigenschaften von Gusseisen

GG GGG Elastizitätsmodul 75000 - 125000 160000 - 185000 Dichte 7,8 kg/dm3

Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung Druckfestigkeit

100 - 400 -

< 1 % 500 - 1100

400 - 800 N/mm2

250 - 400 N/mm2

2 - 15 % 700 - 1300 N/mm2

C.1.3 Aluminium

C.1.3.1 Ausgangsstoffe

Aluminium ist das weitverbreitetste Metall der Erdkruste. Es ist im Allgemeinen stark chemisch gebunden.

Häufigstes Erz: Bauxit mit einem Gehalt an Al2O3 von 55 bis 65 M.-%.

Gewinnung von Aluminium:

(1) Aufbereitung des Aluminiumerzes zur Abtrennung von Al2O3 (Bayerverfahren)

(2) Gewinnung von Aluminium aus Al2O3 im Elektrolyseofen.

GGG-70

GGG-40

GG-25

0 10 20 30

200

400

600

800

1000

0 Dehnung [%]

Span

nung

[N/m

m²]

- 76 -

Einsatz von Aluminium in Form von Legierungen

Wichtigste Legierungskomponenten: Cu, Mg, Mn, Si, Zn

Weniger häufig: Ni, Fe, Co, Ti, Cr

C.1.3.2 Klassifizierung und Bezeichnungen

Die Bezeichnung der Aluminiumlegierungen erfolgt nach der chemischen Zusam-mensetzung unter Angabe von Legierungsmengen. Kennbuchstaben werden zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens verwendet.

Bei den Aluminiumlegierungen wird unterschieden zwischen:

Knetlegierungen, die durch Kneten (Walzen, Pressen, Ziehen, Schmieden) weiter verformt werden können, und Gusslegierungen, die nach den verschiedenen Gieß-verfahren verarbeitet werden:

G = Guss DG = Druckguss GK = Kokillenguss KZ = Schleuderguss

Der Angabe der Festigkeit wird der Buchstabe F vorangestellt.

Beispiele:

AlMg 3 Si

Aluminiumknetlegierung mit 2 bis 4 M.-% Mg (i.M. 3 M.-%) sowie kleinen Mengen an Si (0,3 bis 0,8 M.-%)

G-Al Si 12

Aluminium-Gusslegierung mit 11 bis 13,5 M.-% Si (i.M. 12 M.-%)

Beide Legierungen enthalten kleine Mengen (0,3 bis 0,5 M.-%) an Mangan.

Al Zn Mg 1 F 36

Al-Zn-Mg-Legierung, Zugfestigkeit 360 N/mm2

Eigenschaften

Elastizitätsmodul 60000 - 70000 N/mm2

Dichte 2,7 - 2,8 kg/dm3

Wärmeausdehnungskoeffizient 23 bis 24.10-6/K

Schmelzpunkt von reinem Al 660°C

Festigkeit und Verformung einiger häufig verwendeter Legierungen:

Legierung nach DIN 1725, Blatt 1

Festigkeitseigenschaften für Bleche Rohre Profile

Bemerkungen

AlCuMg 1 F37 - F40 F38 - F40 F40 kalt ausgehärtet

AlCuMg 2 F41 - F44 F43 - F44 F44 kalt ausgehärtet

AlMgSi 1 F28 F28 F28 warm ausgehärtet

AlMgSi 1 F32 F32 F32 warm ausgehärtet

AlMg 3 oder AlMgMn F23 F23 F18 nicht aushärtbar

AlMn F9 - F15 - - nicht aushärtbar

- 77 -

Spannungs-Dehnungslinien verschiedener Aluminiumlegierungen:

0

200

400

600

800

0 10 20 30 40 50

Spannung (N/mm²)

Dehnung (%)

Al99,5 F7

AlMn F10

AlMgSi1 F20

AlZnMgCu1,5 F52

AlCuMg1 F40

C.2 ELASTISCHE VERFORMUNGEN METALLISCHER WERKSTOFFE

Bedeutung: (a) Abschätzen elastischer Formänderungen von Bauwerken

(b) Bestimmung der Schnittkraftverteilung in statisch unbestimmten Systemen

C.2.2 Elastizität

C.2.2.1 Werkstoffkenngrößen (siehe auch Kap. A.5.1.3)

• Der Elastizitätsmodul

linear-elastisches Verhalten nicht linear-elastisches Verhalten

σ

α

ε

σ

α2

ε

α1

α3

tan α = E = σ / ε E(σ) = σ / ε

- 78 -

Linear elastische Werkstoffe folgen dem Hooke’schen Gesetz, das den Zusam-menhang zwischen Spannung und Dehnung wiedergibt:

σ = E.ε

Bei nicht linear-elastischen Werkstoffen ist der Elastizitätsmodul nicht konstant:

σ = E(σ).ε

Daher Unterscheidung zwischen:

Ursprungsmodul α1: Neigung der Spannungs-Dehnungs-Linie im Ursprung.

Sekantenmodul α2: Neigung der Sekante zwischen dem Ursprung und einem bestimmten Punkt auf der Spannungs-Dehnungs-Linie.

Tangentenmodul α3: Neigung der Spannungs-Dehnungs-Linie bei einer be-stimmten Spannung.

• Querdehnungszahl

Die Querdehnung eines einachsig beanspruchten Werkstoffes wird durch die Querdehnungszahl (Poisson'sche Zahl) ν beschrieben:

ngsdehnungäLgQuerdehnun

l

q =ε

ε−=ν

Abschätzung der Grenzwerte der Querdehnungszahl aus der Volumendehnung:

Volumen vor der Belastung:

V0 = a.b.c

Volumen nach der Belastung:

V0 + ∆V = (a + ∆a)(b + ∆b)(c + ∆c)

Mit cc

bbund

aa

ql∆

=∆

=ε∆

=ε

erhält man die Volumenänderung

∆V = a.b.c.εl.(1-2ν)

Die Volumendehnung ist dann:

( )ν−ε=ε=∆ 21VV

lv

Unterer Grenzwert der Querdehnungszahl, ν

ν = 0 d. h. keine Querdehnung, die Volumendehnung wird zu einem Maximum

Oberer Grenzwert der Querdehnungszahl, ν

ν = 0,5 εv = 0 d. h. das Volumen der Probe bleibt konstant.

Bei ν > 0,5 würde bei einer Zugbelastung eine Volumenverminderung, bei einer Druckbelastung ein Volumenzuwachs auftreten.

a

b

c F

F

- 79 -

• Schubmodul

Der Schubmodul gibt den Zusammenhang zwischen der Schubspannung und der durch sie verursachten Verzerrung wieder:

lltg ∆

≈γ≈γ

γτ

=G

Bei linear elastischen Werkstoffen besteht zwischen Elastizitätsmodul und Schub-modul folgender Zusammenhang:

( )ν+=

12EG

• Elastische Dehnung bei mehrachsiger Beanspruchung

Wirken auf einen Körper gleichzeitig Spannungen in verschiedenen Richtungen, so können die in den Hauptrichtungen auftretenden Dehnungen durch Superposition der Dehnungen aus den einzelnen Spannungen ermittelt werden (erweitertes Hoo-ke’sches Gesetz):

)}({E1

zyxx σ+σ⋅ν−σ⋅=ε

)}({E1

zxyy σ+σ⋅ν−σ⋅=ε

)}({E1

yxzz σ+σ⋅ν−σ⋅=ε

• Kennwerte für die Metalle

Bei Stahl, Aluminiumlegierungen und Gusseisen können E; G; ν bis zu ca. 0,9.βS konstant angenommen werden. Im Bereich des elastischen Verhaltens ist ν ≈ 1/3. Für plastische Verformungen ist ν ≈ 1/2.

C.2.2.2 Einflüsse auf den E-Modul

C.2.2.2.1 Einfluss der Werkstoffstruktur

Der E-Modul eines Werkstoffes hängt von der Bindungsenergie zwischen den A-tomen ab (siehe Teil B.2.5).

Eine deutliche Veränderung des E-Moduls durch Beeinflussung der Mikrostruktur, z. B. bei Veränderung der Kristallfehlerdichte ist daher nicht möglich.

C.2.2.2.2 Einfluss anderer Komponenten

Besteht ein Werkstoff aus verschiedenen Komponenten, so kann der Elastizitäts-modul E aus den Verformungseigenschaften der Einzelkomponenten und deren Volumenanteil rechnerisch ermittelt werden (siehe auch Kap. G).

σy

σy

σx σx

σz

σz

- 80 -

Grenzfall 1 Grenzfall 2

E2; v2 E1; v1 E1; v1

E2; v2

da ε1 = ε2, ist da σ1 = σ2, ist

E = v1.E1 + (1-v1).E2

2

1

1

1

Ev1

Ev

E1 −

+=

wobei v1; v2 = Volumenkonzentration der Komponente "1" bzw. "2" E1; E2 = Elastizitätsmodul der Komponente "1" bzw. "2"

Beispiel einer Metallegierung (Blei-Zinn)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

3500

200004000060000

E (N/mm²)

Temperatur (°C)

Pb Sn in M.-% Sn

Schmelze

α + β

αL + α

L + β β

C.2.2.2.3 Umwelteinflüsse

Der Elastizitätsmodul der meisten Werkstoffe ist temperaturabhängig: mit steigen-der Temperatur wächst die Verformbarkeit, d. h. der Elastizitätsmodul des Werk-stoffes fällt ab:

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

E-Modul (N/mm²)

Temperatur (°C)

Magnesium

Aluminium

Kupfer Eisen

- 81 -

C.2.3 Anelastizität – Verzögert elastische Verformung

Definition:

Zeitabhängige Entwicklung der elasti-schen Verformung bei Belastung. Zeit-abhängige Verformung nach Entlastung

Ursachen der Anelastizität bei metallischen Werkstoffen:

Der thermoelastische Effekt Diffusion von Fremdatomen

langsame Be-oder Entlastung

schnelleBelastung

schnelleEntlastung

σ

ε

Fremdatom

Beachte: Bei Metallen ist die anelastische Verformung meist vernachlässigbar. Dies gilt nicht für Kunststoffe und Beton.

C.3 PLASTISCHE VERFORMUNG DER METALLE

C.3.1 Definitionen

Plastische Verformung: spannungsabhängige und bleibende (irreversible) Verfor-mung eines Werkstoffes (siehe C.5.1.3)

Kriechen: zeitabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffes unter einer konstanten Dauerlast; bei manchen Werkstoffen kann das Kriechen auch einen zeitabhängig reversiblen Anteil haben (Anelastizität),(siehe C.5.1.7 und C.2.2)

Viskose Verformung: zeitabhängige, bleibende Verformung eines Werkstoffes mit viskosen Eigenschaften. Für Werkstoffe mit den Eigenschaften einer Newtonschen Flüssigkeit ergibt sich unter einer konstanten Spannung ein linearer Anstieg der Verformung mit der Zeit.

C.3.2 Bedeutung der plastischen Verformbarkeit eines Werkstoffes

In den meisten praktischen Anwendungsfällen ist die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes bei hohen Spannungen eine erwünschte Werkstoffeigenschaft:

a) Plastische Verformbarkeit ist Voraussetzung für die Formgebung eines Werkstückes durch Ziehen, Strecken, Walzen etc.

Dehnung, ε

Zeit, t

σ = konstant

- 82 -

b) Bei der Verwendung plastisch verformbarer Werkstoffe kündigt sich ein be-vorstehender Bruch bei Überbelastung durch große Verformungen, z. B. Durchbiegungen, an.

c) Die Biegetragfähigkeit eines Querschnitts aus einem plastisch verformbaren Werkstoff ist größer als die eines Querschnitts mit linear elastischem Verhal-ten.

d) In statisch unbestimmten Tragsystemen treten bei Verwendung plastisch verformbarer Werkstoffe Momentenumlagerungen auf, die zu einer Erhö-hung der Tragfähigkeit des Gesamtsystems führen.

e) Plastisch verformbare Werkstoffe sind weniger kerbempfindlich als spröde Werkstoffe, weil die plastische Verformbarkeit zu einem Abbau örtlicher Spannungsspitzen führt.

Beachte: Ein Werkstoff kann sich unter bestimmten Bedingungen plastisch verhalten, bei geänderten Bedingungen kann er jedoch spröde sein. Bedingungen, welche die plastische Verformbarkeit eines Werkstof-fes reduzieren, sind insbesondere

- mehrachsige Beanspruchungen,

- hohe Dehngeschwindigkeiten,

- tiefe Temperaturen.

C.3.3 Mechanismen der plastischen Verformung von Metallen

a) Verschiebung bzw. Gleitungen entlang bestimmter charakteristischer Kris-tallebenen, die vorzugsweise dichtest gepackt sind.

F

F

b) Zwillingsbildung, d. h. Umklappen eines Teils eines Kristallgitters um eine Spiegelebene

} Zwillings-lamelle

F

F

c) Korngrenzenverschiebung

τ

τ

τ

τ

- 83 -

C.3.4 Theoretische Schubfestigkeit

Fragestellung: Welche Kräfte sind erforderlich, um zwei Atomebenen, entspre-chend dem Mechanismus C.3.3.a, gegeneinander zu verschieben.

Eine Reihe von Atomen wird durch eine Schubspannung τ gegenüber einer ande-ren Reihe von Atomen nach rechts verschoben. Die zur Verschiebung erforderli-che Schubspannung τ steigt zunächst mit wachsender Verschiebung d. Liegt das Atom 1 genau zwischen den Atomen 2 und 4, stellt sich ein labiler Zustand ein. Die Schubspannung zur Aufrechterhaltung dieser Lage ist daher 0, die potentielle E-nergie erreicht ein Maximum.

Die Größe der höchsten, zum Verschie-ben erforderlichen Schubspannung τmax kann wie folgt bestimmt werden:

d

2sinmaxπδ

⋅τ=τ

γ⋅=τ G

für kleine Winkel ist d

tg δ≈γ≈γ

d

2d

2tgd

2sin πδ≈

πδ≈

πδ

d

2d

GG maxπδ

τ=δ

⋅=γ⋅

π

≈τ2G

max

mit 5,2

E)1(2

EG ≈ν+

=

ist 15E

max ≈τ

für Stahl ist E = 2,1.105 N/mm2 und τmax ≅ 14000 N/mm2.

Die theoretische Schubfestigkeit von Metallen ist also meist wesentlich höher als die in Versuchen tatsächlich beobachtete Schubfestigkeit.

C.3.5 Plastische Verformungen als Folge von Versetzungsbewe-gungen

Plastische Verformungen von Metallen bei Spannungen, die wesentlich kleiner als die theoretische Schubfestigkeit sind, werden durch Kristallfehler, insbesondere die Bewegung von Versetzungen, ausgelöst.

C.3.5.1 Versetzungsarten

Es wird unterschieden zwischen: - Stufenversetzungen - Schraubenversetzungen - Gemischte Versetzungen

δ Verschiebung

Wτ

1 3

4

d τ

2 τ

γ

τmax

τmax

δ

τ

Verschiebung

- 84 -

Burgers-Vektor b

Burgers-Umlauf

Versetzungslinie

Burgers-Vektor b

Stufenversetzung Schraubenversetzung

Gemischte Versetzungen setzen sich aus einer Stufen- und einer Schraubenkom-ponente zusammen.

Betrag und Richtung der Verzerrung des Kristallgitters, die zu einer Versetzung führten, werden durch den sogenannten Burgers-Vektor beschrieben. Im Zentrum der Verzerrung liegt eine Versetzungslinie.

Stufenversetzung: Die Versetzungslinie steht senkrecht zu b

Schraubenversetzungen: Die Versetzungslinie ist parallel zu b

Gemischte Versetzungen: Versetzungslinie und b schließen einen Winkel zwi-schen 0 und 90° ein.

C.3.5.2 Verformungsvorgang durch eine Versetzungsbewegung

Eine Schubspannung τ, die in Richtung des Burgers´schen Vektors wirkt, löst eine Bewegung von Versetzungen aus. Bei einer Stufenversetzung ist die Bewegungs-richtung der Versetzungslinie und des Burgers´schen Vektors bzw. die Schub-spannung zueinander parallel, bei einer Schraubenversetzung stehen sie aufein-ander senkrecht.

Der Bewegungsablauf einer Stufenversetzung kann wie folgt dargestellt werden:

(a)

(b)

Bewegungs-richtung

- 85 -

1 2 3

4 5

6

7

1 2 3

4 5

6

7

τ

τ τ

τ τ

τ

Als Folge einer Schubspannung τ wird die Atomreihe 1 - 2 - 3 gegen die Atomreihe 4 - 5 verschoben, bis Atom 2 über Atom 5 steht. Bildung einer durchgehenden Kristallebene der Atome 6 - 2 - 5 - 7

Die Stufenversetzung ist um einen Gitterparameter nach rechts gerückt

Der Vorgang wiederholt sich, bis die Versetzung aus dem Kristallgit-ter gewandert ist. Es entsteht eine Gleitstufe. Gleitstufe = plastische Verformung = Betrag des Bur-gers´schen Vektors. Das Verblei-bende Kristallgitter ist fehlerfrei

Folgerung:

In einem fehlerfreien Kristall werden beim Gleiten zweier Ebenen alle Atome gleichzeitig gegeneinander verschoben. Beim Gleiten von Ebenen eines durch eine Stufenversetzung gestörten Systems wird nacheinander jeweils nur eine Rei-he von Atomen verschoben, so dass die zum Gleiten erforderliche Schubspannung in Systemen mit Versetzungen wesentlich kleiner ist als in fehlerfreien Kristallen.

C.3.5.3 Eigenschaften von Versetzungen

I. Versetzungen erzeugen ein Spannungsfeld

Die potentielle Energie im Kristall ist daher in der Nähe einer Versetzung erhöht. Folge: Vor allem bei erhöhter Temperatur reduziert sich durch Diffusion die Versetzungsdichte.

II. Versetzungen beeinflussen sich gegenseitig

Gleiche Ebenen:

gleiche Versetzungen D D

Z Z

stoßen sich ab

ungleiche Versetzungen D Z

Z D

ziehen sich an und heben sich auf

Druck

Zug

Scherung

- 86 -

Benachbarte Ebenen:

gleiche Versetzungen D

DZ

Z

stoßen sich ab oder ziehen sich an, je nach Abstand

ungleiche Versetzungen D

ZZ

D

ziehen sich an und heben sich auf; Bildung einer Leerstelle

III. Versetzungen sind in dichtest gepackten Ebenen und Richtungen am leichtesten beweglich

leichtes Gleiten

schweres Gleiten

τ

τ

IV. Versetzungen können schwerer beweglich oder unbeweglich werden Trifft eine Versetzung auf ein Hindernis, z. B. ein Fremd- oder Einlage-rungsatom, so kann sie dadurch in ihrer Bewegung behindert werden. Sie wird erst nach einer Spannungs- oder Temperaturerhöhung wieder beweg-lich. Zwei bewegliche Versetzungen b1 und b2, die in verschiedenen Ebenen aufeinanderzulaufen, können unbeweglich werden, wenn die resultierende Versetzung b3 in einer weniger dicht gepackten Ebene oder ungünstig zur angreifenden Schubspannung τ liegt.

b1b3 b2 b1

b3b2

z

y

x

τ

τ

Versetzungen werden unbeweglich, wenn sie auf Korngrenzen oder Pha-sengrenzen treffen.

V. Versetzungen können sich vermehren (Frank-Read-Quelle)

(a) Die Versetzungslinie einer Stufenversetzung trifft auf ein Hindernis, z. B. ein Paar von Fremd- oder Einlagerungsatomen.

(b) Die Versetzung wird aufgehalten, und die Versetzungslinie beginnt sich auszubauchen.

- 87 -

(c) Mit steigender Spannung bleibt die Versetzungslinie zwar an den Fremdatomen verankert, baucht sich aber weiter aus und beginnt die Störstellen zu umlaufen.

(d) Die Fronten der Verset-zungslinie nähern sich, und es sind zwei Schraubenver-setzungen mit entgegenge-setztem Drehsinn entstan-den, die sich aufheben.

(e) Eine gemischte Versetzung umschließt die Fremdatome, und eine neue Stufenver-setzung zwischen den bei-den Fehlstellen hat sich ge-bildet.

Der Vorgang wiederholt sich, so dass die beiden Fremdatome von immer mehr gemischten Versetzung umgeben sind.

Folge: Mit steigender plastischer Verformung nimmt die Anzahl der Ver-setzungen zu:

Versetzungsdichte:

Wärmebehandelte Einkristalle 102 – 103 Linien/cm2

Wärmebehandelte Vielkristalle 107 – 108 Linien/cm2

Wärmebehandelte Vielkristalle nach plastischer Verformung

1010 – 1012

Linien/cm2

C.3.5.4 Zusammenfassung und Folgerungen

- Versetzungen erlauben plastische Verformungen bei Spannungen, die wesent-lich kleiner als die theoretische Schubfestigkeit des Werkstoffes sind, indem sie ein Kristallgitter mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen und dadurch Gleitungen auslösen.

- Versetzungen bewegen sich vorzugsweise auf bestimmten Ebenen und in be-stimmten Richtungen, die strukturabhängig sind.

- Da Versetzungen von einem Spannungsfeld umgeben sind und eine Erhöhung des Energieniveaus zur Folge haben, können sie durch eine Wärmebehand-lung des Werkstoffes aufgelöst werden.

- Die Beweglichkeit von Versetzungen und damit die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffs können reduziert werden durch Fremdatome (Punktfehler), andere Versetzungen oder Korn- und Phasengrenzen. Die plastische Verform-barkeit nimmt daher mit steigender Anzahl von Fremdatomen, steigender Ver-setzungsdichte und kleiner werdender Korngröße ab.

- Da eine plastische Verformung die Versetzungsdichte erhöht und Versetzungen unbeweglich macht, wird der Werkstoff dadurch verfestigt, und die verbleibende plastische Verformbarkeit ist begrenzt.

(a) (b) (c)

(d) (e)

τ

- 88 -

C.3.6 Gleitsysteme

Gleitvorgänge treten in bestimmten Gleitebenen und Gleitrichtungen auf. Dies sind meist dichtest gepackte Ebenen und Richtungen. Die Kombination von Gleitebe-nen und Gleitrichtungen wird als Gleitsystem bezeichnet. Die Anzahl der Gleitsys-teme hängt von der Kristallstruktur eines Werkstoffes ab.

Beispiele einiger Gleitsysteme

Struktur Werkstoffe Anzahl der Gleitsysteme

KFZ Cu; Al; Ni; Pb; Au; Ag; γ-Fe

4.3 = 12

KRZ α-Fe; W; Mo 6.2 = 12

α-Fe; K 24.1 = 24

HDP Zn; Mg; Ti 1.3 = 3

Mg; Ti 6.1 = 6

C.3.7 Kritische Schubspannung

Da Gleitvorgänge nur in bestimmten Ebenen ablaufen können, ist die Orientierung einer Gleitebene zur äußeren Beanspruchung bzw. die in Gleitrichtung auf die Gleitebene wirkende Schubspannung für den Gleitvorgang maßgebend.

Querschnitt der Probe: A

Fläche der Gleitebene: φ

=′cos

AA

Komponente der Kraft F in Gleitrich-tung: F’ = F.cosλ

In der Gleitrichtung wirkende Schub-spannung τ:

φ⋅λ⋅σ=τ

φ⋅λ⋅=′′

=τ

coscos

coscosAF

AF

m

n Gleit- richtung

Gleitebene

Normale zur Gleitebene

- 89 -

Kritische Schubspannung τcr = jene auf Gleitebene und Gleitrichtung bezogene

Schubspannung, die zum Gleiten führt. Sie ist eine Materialkonstante, d. h. eine Werkstoffei-genschaft, die vor allem bei KRZ-Kristallen von der Temperatur abhängt.

Folgerungen:

a) In einem Einkristall können Gleiten bzw. plastische Verformung nur auftre-ten, wenn das Gleitsystem gegenüber der äußeren Spannung entsprechend orientiert ist.

b) Liegen viele Gleitsysteme vor, so ist Gleiten schon bei niedrigen Spannun-gen wahrscheinlich.

c) Mit steigender Spannung werden immer mehr Gleitsysteme aktiviert.

d) Je mehr Gleitsysteme gleichzeitig aktiviert werden, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Gleitsysteme durch gegenseitige Beeinflus-sung unbeweglich werden.

Typische Werte der kritischen Schubspannung τcr [N/mm2] von Einkristallen

kritische Schubspannung Werkstoff Struktur

bei -20°C bei +20°C bei +300°C

Kupfer KFZ 1,2 1,0 1,0

Aluminium KFZ 1,5 1,5 1,4

Magnesium HDP 1,2 0,8 0,8

α-Eisen KRZ 45,0 35,0 18,0

C.3.8 Plastizität von Einkristallen

Der Gleitvorgang eines Einkristalls mit einer KFZ-Struktur kann in 3 Bereiche ein-geteilt werden:

IIIIII τ

Sch

ubsp

annu

ng τ

τ

τc

Schubdehnung γ

Bereich I: Bis zum Erreichen einer kritischen Schubspannung τcr kleine elasti-sche (reversible) Vorgänge. Nach Überschreiten von τcr Beginn des Gleitens. Große Verformungen bei nur langsam steigender Schub-spannung.

- 90 -

Bereich II: Nach Erreichen der Schubspannung τ1 gegenseitige Behinderung der Versetzungen und Vermehrung der Versetzungen. Die zum Gleiten erforderliche Spannung steigt daher laufend an.

Bereich III: Nach Erreichen der Grenzschubspannung τ2 werden blockierte Ver-setzungen wieder beweglich.

Bei Einkristallen mit HDP-Struktur tritt keine oder nur eine geringe Verfestigung auf, da die geringe Anzahl der Gleitsysteme nur zu einer schwachen gegenseitigen Beeinflussung von Versetzungen führt.

Einkristalle mit einer KRZ-Struktur besitzen keine dichtest gepackten Ebenen, so dass das Gleiten erst bei hohen kritischen Schubspannungen beginnt. Wegen der großen Anzahl von Gleitsystemen ist schon bei Beginn des Gleitens eine gegen-seitige Beeinflussung von Gleitsystemen zu erwarten, so dass der Bereich I völlig entfällt.

Mg(HDP)

Cu(KFZ)

Fe(KRZ)

80

Sch

ubsp

annu

ng τ

[N/m

m²]

60

40

20

0

0 1 2 3 4 5 6Schubdehnung γ [%]

C.3.9 Plastizität von Vielkristallen

Baupraktisch relevante metallische Werkstoffe setzen sich aus vielen unterschied-lich orientierten Körner zusammen. Die für das Einkristall abgeleiteten Zusammen-hänge haben zwar Gültigkeit. Zusätzlich ist jedoch der Einfluss der Kornorientie-rung und der Korngrenzen zu berücksichtigen.

Korngrenzen halten die Versetzungsbewegung auf. Die Streckgrenze βS metalli-scher Werkstoffe steigt daher mit sinkendem Korndurchmesser (Petsch-Gleichung):

dk

0s +σ=β

σ0 = Streckgrenze des Einkristalls bei günstiger Orientierung d = mittlerer Korndurchmesser k = temperaturabhängiger Beiwert bei T = 20°C für Fe: k ≈ 23 N/mm3/2

für Al: k ≈ 2 N/mm3/2

Die Kornstruktur eines Werkstoffes führt dazu, dass auch bei Vielkristallen mit KFZ-Struktur die Unterteilung eines Gleitvorgangs in die Bereiche I,II und III ver-wischt wird:

- 91 -

C.3.10 Spannungs-Dehnungsverhalten von Stahl – Streckgrenze

Bereich I: elastisches Verhalten

Bereich II: Abweichung von der Linearität, Beginn plastischer Verformung; Überschreitung von τcr

Bereich III: Streckgrenze und das Fließen

Stähle mit niederem Kohlenstoffgehalt ohne vorhergegangene Kaltverformung besitzen eine ausgeprägte Streckgrenze, d. h. bei konstanter Spannung nehmen die Dehnungen schnell zu. Dieser Vorgang ist dem Bereich I bei der plastischen Verformung eines Einkristalls zwar ähnlich, ist damit jedoch nicht identisch und kann wie folgt erklärt werden:

- Kohlenstoffatome des Stahles lagern sich häufig an einer Versetzung an. Er-reicht die Spannung die obere Streckgrenze βSo, so werden einige Verset-zungen von den Kohlenstoffatomen losgerissen = Beginn des Fließens. Wei-teres Fließen ist auch bei einer niederen Spannung möglich, so dass die Spannung auf die untere Streckgrenze βSu abfällt. Der Fließvorgang ist zu-nächst nur auf einen kleinen Bereich der Probe beschränkt.

0

100

200

300

0 10 20 30 50 6040

Zugspannung [N/mm²]

Dehnung [%]

Vielkristallevon Cu

Einkristallvon Cu

σ

ε

βSo

I

II

III IV V

βSu

- 92 -

- Das örtliche Fließen verursacht Zwängungen, die zu einer Vergrößerung der fließenden Zone führen.

- Der Fließbereich erweitert sich, bis in der ganzen Probe plastische Verfor-mungen auftreten. Der Vorgang wird durch die Entwicklung der sog. Fließ- oder Lüderslinien sichtbar.

- Nach Abschluss des Fließvorgangs ist die plastische Verformbarkeit des Werkstoffs zunächst erschöpft, und es stellt sich eine Verfestigung ein (Be-reich IV).

Bei Stählen mit hoher Versetzungsdichte, z. B. als Folge einer vorangegangenen Kaltverformung, ist ein freies Gleiten nicht möglich. Plastische Verformungen ent-wickeln sich nur allmählich, so dass der Werkstoff keine ausgeprägte Streckgrenze hat.

Bereich IV: Verfestigung durch Vervielfältigung und Blockieren von Versetzun-gen.

Bereich V: Beginn der Entfestigung.

C.3.11 Einflüsse auf die plastische Verformbarkeit

Mechanismus: Eine Reduzierung der Beweglichkeit von Versetzungen verringert die plastische Verformbarkeit

C.3.11.1 Strukturparameter

Beeinflussung der Versetzungsbeweglichkeit

- durch Fremdatome

- durch zusätzliche Phasen

- Verringerung der Korngröße

- Erhöhung der Versetzungsdichte (Kaltverformung)

C.3.11.2 Äußere Einflüsse

• Dehngeschwindigkeit: Eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit redu-

ziert die plastische Verformbarkeit, vor allem dann, wenn zeitabhängige Diffusionsvorgänge die Verformbarkeit eines Werkstoffes beeinflus-sen.

• Mehrachsige Beanspruchung: Eine mehrachsige Beanspruchung führt bei gleichem Vorzeichen der Spannungen zu einer Reduktion der plastischen Verformbarkeit, weil dadurch die kritische Schubspannung erst bei einer höheren äußeren Beanspruchung erreicht wird (siehe C.5.7).

• Energiereiche Strahlung: Energiereiche, radioaktive Strahlen können zu einer Störung des Kristallgitters führen. Die so entstehenden Fehlstellen im Kristallgitter redu-zieren bei manchen Werkstoffen die Beweg-lichkeit von Versetzungen soweit, dass eine plastische Verformbarkeit des Werkstoffes nur noch in beschränktem Umfang möglich ist.

- 93 -

• Temperatur: Eine Temperaturerhöhung fördert vor allem bei KRZ-Werkstoffen die plastische Verformbarkeit (s. auch "Kerbschlagzähigkeit" A.5.1.10).

σ-ε-Verläufe eines S 235 JR bei verschiedenen Temperaturen:

0

100

200

300

400

Spannung (N/mm²)

Dehnung (%)

0 5 10 15 20 25 30

-40°C

+20°C

+400°C

C.3.12 Kriechen und Relaxation

C.3.12.1 Ursachen

Ähnlich wie bei der spannungsabhängigen plastischen Verformung sind Kriechen und Relaxation auf Gleiten von Kristallebenen bzw. auf Versetzungsbewegungen zurückzuführen. Es tritt ein Wechselspiel ein zwischen Verfestigung (Reduktion der Beweglichkeit von Versetzungen) und Auslösen von Versetzungsbewegungen (Entfestigung).

Bereich I Bereich II Bereich III

σ = konstantT = konstant

Bruch

t

ε

ε0

εi

Bereich I: Primärkriechen; die Kriechgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab (Ver-festigung > Entfestigung).

Bereich II: Sekundärkriechen; die Kriechgeschwindigkeit ist konstant (Verfesti-gung = Entfestigung).

Bereich III: Tertiärkriechen; die Kriechgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit zu, bis der Bruch der Probe eintritt (Verfestigung < Entfestigung).

- 94 -

C.3.12.2 Einfluss der Temperatur auf das Kriechen

Alle Parameter, welche die plastische Verformbarkeit der Metalle beeinflussen, wirken sich im selben Sinn auch auf die Kriecheigenschaften aus. Mit steigender Temperatur nimmt die Kriechgeschwindigkeit zu, da die Beweglichkeit der Verset-zungen steigt. Liegt die Temperatur über der Rekristallisationstemperatur, so füh-ren Rekristallisation und Kornwachstum zur Verringerung der Versetzungsdichte und damit zu einem erhöhten Kriechen, vor allem bei kaltverfestigten Werkstoffen.

Beschreibung des Temperatureinflusses mit Hilfe der Arrheniusbeziehung (B.3.6):

Für die Geschwindigkeit vK des Sekundärkriechens gilt:

−⋅=

ε= RT

Qk

k econstdt

dv

wobei εK = Kriechverformung Q = Aktivierungsenergie für das Kriechen R = Gaskonstante T = Temperatur [K]

Daraus ergibt sich für die Kriechverformung εK zum Zeitpunkt t:

teA RTQ

n0k ⋅⋅σ⋅+ε=ε

−

Beachte:

- Die Aktivierungsenergie für das Kriechen kann mit steigender Spannung ab-fallen.

- Für die meisten Baustähle sind die Kriechverformungen bei Raumtempera-tur vernachlässigbar.

- Hochfeste Stähle, z. B. die im Spannbeton verwendeten Spannstähle, kön-nen auch bei Raumtemperatur kriechanfällig sein. Dies führt zu einem deut-lichen Abfall der Spannung durch Relaxation, vor allem bei Spannungen in der Nähe der Streckgrenze.

0

5

10

15

0 2 4 6 8 10 12 Temp. [°C]

σ = 0,8 βZ

σ = 0,6 βZ

σ = 0,7 βZ

Spannungsabfall [%] bezogen auf die Anfangsspannung

- 95 -

C.4 VERFESTIGUNG VON METALLEN

C.4.1 Aufgabenstellung und Grundprinzip

Fragestellung: Wie können metallische Werkstoffe durch

a) Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung

b) Veränderung ihrer Fein- oder Grobstruktur

c) Schaffung von Ungleichgewichts- oder metastabilen Zustän-den

so verändert werden, dass ihre mechanischen Eigenschaften, vor allem Streckgrenze, plastische Verformbarkeit und Zugfestigkeit, optimiert werden?

Grundprinzip der Verfestigung von Metallen:

Herabsetzen der Beweglichkeit von Versetzungen

C.4.2 Kaltverformung

Eine Kaltverformung führt zur Vervielfältigung und Blockierung von Versetzungen und damit zu einer Erhöhung der Streckgrenze.

Nachteile: Verringerte Verformbarkeit, reduzierte elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, Erhöhung der chemischen Reaktionsfähigkeit, dadurch ver-größerte Korrosionsanfälligkeit.

Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung (Anlassen) kann die Verformbarkeit kaltverformter Metalle wieder verbessert werden.

Reckalterung:

Werden Werkstoffe mit ausgeprägter Streck-grenze bis zu einer Spannung βS2 (siehe Skizze) belastet, ent-lastet (Linie 1) und so-fort wieder belastet, so beginnt das Fließen bei βS2 (Linie 2).

Durch eine Alterung nach Entlastung stellt sich bei manchen Werkstoffen eine er-höhte, ausgeprägte Streckgrenze, bei ver-minderter Verform-barkeit (Linie 3) ein.

Spannungs-Dehnungs-Linie nach Verfestigung und Alterung

Be- und Entlastung des Ausgangsmaterials (1) Belastung (vorbelasteter Stahl) (2)

Vorbelasteter (kaltgereckter) Stahl nach Alterung (3)

(1) (2)

(3)

σ [N/mm²]

βS2

βS1

ε [%]

- 96 -

C.4.3 Legierungshärten

Metallische Werkstoffe können durch Bildung homogener Mischkristall-Legierun-gen verfestigt werden.

Ursache: Die im Grundmetall durch das Legieren eingebrachten Fremdatome reduzieren die Beweglichkeit der Versetzungen.

Beispiel: Einfluss verschiedener Legierungselemente auf die Streckgrenze (1%-Grenze) von Kupfer

Die verfestigende Wirkung einer Legierungskomponente ist um so aus-geprägter, je mehr sich die Atome der Grundelemente und der Legie-rungskomponente in ihrer Größe unterscheiden. Bei deutlichen Grö-ßenunterschieden und hohem Anteil der Legierungskomponente ent-stehen neben den Mischkristallen 2 Phasen. Dies ergibt sich aus den jeweiligen Phasendiagrammen der betrachteten Metalle.

C.4.4 Ausscheidungshärten

Dies ist die wichtigste Verfestigungsmethode für alle Nichteisenmetalle, vor allem für Aluminium. In das Grundgitter eines metallischen Werkstoffes wird schrittweise eine sehr feinverteilte zweite Phase ausgeschieden.

Wirkungsmechanismen: Behinderung der Versetzungsbewegung durch

a) Verspannen des Kristallgitters

b) Phasengrenzen

Voraussetzungen für Legierungen, die ausscheidungshärtbar sind:

• beschränkte Löslichkeit der Legierungskomponenten

• Abnahme der Löslichkeit mit sinkender Temperatur

1,0%-Grenze von Cu [N/mm²]

0 10 2 30 40

50

100

150

200

Vol.-% der Legierungskomponente

0

Sn Be

Si

Al Ni

Zn

Cu - Zn = Messing Cu - Al = (Aluminium)-Bronze Cu - Sn = (Zinn)-Bronze

- 97 -

Ausscheidungshärten erfolgt in 3 Schritten:

Schritt 1: Homogenisieren oder Lösungsglühen der Legierung

Schritt 2: Schnelles Abkühlen - Abschrecken

Schritt 3: Anlassen bzw. Altern bei erhöhter Temperatur = Ausschei-dungsglühen

α

α + β

αuM.-% B100 M.-% A Zeit t

Ausscheidungsglühen

Abschrecken

LösungsglühenTT

Schritt 1: Erwärmung bis knapp unter die eutektische Temperatur, aber ober-halb der Löslichkeitslinie (Lösungsglühen). Durch Homogenisieren entsteht ein stabiles Mischkristall α.

Schritt 2: Als Folge des Abschreckens sollte eine β-Phase ausgeschieden wer-den. Wegen der schnellen Abkühlung liegt jedoch nur eine mit B-Atomen übersättigte α-Phase vor.

Schritt 3: Erhöhung der Temperatur auf das 0,3 bis 0,5-fache der Schmelztem-peratur (Ausscheidungsglühen). Ausscheidung einer β-Phase aus ei-ner übersättigten α-Phase. Härte, Festigkeit und Zähigkeit hängen von der Länge der Auslagerung und der Anlasstemperatur ab.

Einfluss der Dauer des Ausscheidungsglühens auf Zugfestigkeit βz, 0,2-Grenze β0,2 und Bruchdehnung δ10 einer Al-Mg-Si-Legierung.

400

300

200

100

0 1 240

10

20

30

δ10 (%)σ (N/mm²)

Zeit in h (log)

βz

β0,2

δ10

- 98 -

C.4.5 Umwandlungshärten

Dies ist die wichtigste Verfestigungsmethode von Stählen. Sie beruht auf der Beo-bachtung, das beim plötzlichen Abkühlen (Abschrecken) von manchen Metallen Strukturumformungen stattfinden, die beim Stahl zur sog. Martensitbildung führen.

C.4.5.1 Martensitische Zustände

Wird ein Stahl bis in den austenitischen Bereich (T > 723°C) erwärmt und danach abgeschreckt, ist die diffusionsabhängige Umwandlung des Austenits (γ-Eisen-Mischkristall) in Ferrit (α-Eisen-Mischkristall) nicht mehr möglich. Anstelle des α-Eisen-Zementit-Systems entsteht durch eine diffusionslose Umwandlung der sog. Martensit.

Austenit

Raumzentrierter,tetragonaler Martensit

: Eisen-Atome: Kohlenstoff-Atome

2,845 Å

2,97 Å

2,845 Å

Martensit wird durch Verschieben und Umklappen von Kristallebenen des Austenit gebildet. Es hat wegen seiner Struktur und der eingelagerten C-Atome eine große Härte und Sprödigkeit und ist daher nicht immer erwünscht.

Die Menge an Martensit, die bei einer Abkühlung eines Stahles aus einem austeni-tischen Zustand entsteht, hängt von der Temperatur ab, bis zu der er nach einer vorangegangenen Erwärmung abgeschreckt wird. Der verbleibende Austenit wird als Restaustenit bezeichnet.

MS = Temperatur, bei welcher die Bildung von Martensit beginnt

(MS = Martensit-start)

Mf = Temperatur, bei welcher eine vollständige Um-wandlung in Martensit er-folgt.

(Mf = Martensit-finish)

Die Sprödigkeit martensitischer Stähle kann durch Anlassen vermindert werden, siehe dazu auch Abschnitt 4.6.3.

1. Anlassstufe: bei ca. 100 bis 200°C Ausscheidung von C aus dem Martensit und Bildung des kohlenstoffärmeren kubischen Martensits.

2. Anlassstufe: bei ca. 100 bis 300°C Zerfall des Restaustenits

3. Anlassstufe: bei ca. 300 bis 400°C Kohlenstoffverarmung des kubischen Mar-tensits bis zur Bildung von Ferrit

Mit steigender Anlassdauer sinken Streckgrenze und Zugfestigkeit, während die Verformbarkeit des Stahles wächst.

Martensit (M.-%)

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300Temperatur (°C)

Mf

Ms

- 99 -

C.4.5.2 Zwischenstufenzustände

Durch Variation der Abkühlgeschwindigkeit oder durch Abkühlung von Stählen aus dem austenitischen Bereich bis zu einer Temperatur oberhalb der MS-Temperatur, die dann über längere Zeit konstant gehalten wird, können Zwischenstufenzustän-de erreicht werden, die im sog. ZTU-Schaubild darstellbar sind.

Das ZTU-Schaubild für isotherme Umwandlung (T = const) beschreibt für ver-schiedene Abkühltemperaturen die Umwandlung des Austenits in Abhängigkeit vom Zeitraum, innerhalb dem die Abkühltemperatur konstant gehalten wird. Die zwei charakteristischen Linien dieses Diagramms beschreiben Beginn und Ende des Austenitzerfalls.

Mit sinkender Temperatur wird der Austenit immer instabiler, d. h. die treibende Kraft, die seinen Zerfall bewirkt, wächst. Gleichzeitig nimmt die Diffusionsge-schwindigkeit mit sinkender Temperatur ab, so dass der Austenitzerfall verzögert wird. Daraus ergibt sich der nasenförmige Verlauf der beiden Kurven, der einen Minimalwert der Zerfalldauer bei einer Temperatur zwischen 500 und 600°C an-gibt. Oberhalb der Nase erfolgt eine Umwandlung des Austenits in fein- oder grob-körniges Perlit. Unterhalb der Temperatur bildet sich Bainit, ein sehr feinkörniges Gefüge aus Ferrit und Zementit, in dem der Zementit nicht wie beim Perlit lamel-lenförmig, sondern in Form sehr kleiner Partikel ausgeschieden wird.

Unterhalb der MS-Temperatur entsteht sofort Martensit, dessen Menge mit sinken-der Temperatur zunimmt.

C.4.6 Verfestigung von Stählen

Die Eigenschaften von Stählen können beeinflusst werden durch:

- Kaltverformung (siehe C.4.2)

- Wärmebehandlung (Glühen, Härten, Vergüten)

- Legieren

800

700

600

500

400

300

200

100

0 1 2 4 8 15 30

Umwandlung bei 700°CRockwell C-Härte nach der Umwandlung

1132

38

3940

41

43

50

55

57

Temperatur [°C]

Austenit

A1-Temperatur Beginn Ende

Perlit

Bainit

Zwischenstufe

Martensit

MS-Temperatur

Austenit

Troostit

Perlitbildung aus dem Austenit

Nase Austenit

Sorbit

1 2 4 8 15 30 1 2 4 8 15 30

UmwandlungszeitSek. Min. Std.

Isothermes ZTU-Schaubild für den Austenitzerfall in einem Kohlen-stoffstahl mit eu-tektoider Zusam-mensetzung

Bainitbildung aus dem Austenit

- 100 -

C.4.6.1 Glühen der Stähle

Erwärmen der Stähle auf eine bestimmte Temperatur; Konstanthalten dieser Tem-peratur über einen gewissen Zeitraum; dann langsames Abkühlen bis zur Raum-temperatur.

a) Diffusionsglühen:

Erwärmen bis in das Gebiet der γ-Eisen-Mischkristalle; Ausgleich von Seigerungen des Kohlenstoffs, Vergröberung der Kornstruktur; reduzierte Festigkeit; erhöhte Plastizität.

b) Normalglühen:

Erwärmen oberhalb der A3 -bzw. A1-Linie; Ausgleichung von Inhomogenitäten aus Herstellung und Bearbeitung. Bei kurzzeitiger Dauer Erzielung eines feinkörnigen Gefüges, bei langer Dauer Vergröberung der Kornstruktur. Häufig Ausgangspunkt einer weiteren Wärmebehandlung.

c) Weichglühen:

Erwärmung bis knapp unterhalb der A1-Linie (daher keine Bildung von Austenit), dadurch Bildung eines körnigen Zementits im Perlit, der eine spätere spanabhe-bende Bearbeitung des Stahles erleichtert.

d) Rekristallisationsglühen:

(siehe B.3.4)

e) Spannungsarmglühen:

Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Da-durch Reduktion von Eigenspannungen; Absinken der Streckgrenze und der Anfäl-ligkeit zum Sprödbruch.

C.4.6.2 Härten der Stähle

Erwärmen des Stahles auf Temperaturen oberhalb der A3- bzw. der A1-Linie mit darauffolgendem Abschrecken in Luft, Wasser oder Öl.

γ-MK + S

γ-MK

γ-MK + Fe3C

A1-Linie

α-MK + Fe3C

Acm-Linie

A3-Linie

Temperatur (°C)

0

300

600

900

1200

1500

0 1 2 3 4Kohlenstoffgehalt (M.-%)

Diffusions-glühenGrobkorn-tempern

Tempern

Normal-glühen

Weichglühen

Rekristallisations-glühenSpannungsarm-glühen

γ-MK + Fe3C

α-MK + Fe3C

- 101 -

Dies führt je nach Abschrecktemperatur und Geschwindigkeit zur Martensitbildung (C.4.5.1) oder zu einem Zwischenstufenzustand (C.4.5.2). Voraussetzung für die Härtbarkeit ist ein ausreichender C-Gehalt.

C.4.6.3 Vergüten der Stähle

Der Vorgang des Erwärmens eines Stahles mit darauf-folgendem Abschrecken (Här-ten) und einer erneuten Wär-mebehandlung (Anlassen) wird als Vergüten bezeichnet.

Eine besondere Art der Stahl-vergütung ist das Patentieren: Der Stahl wird normalgeglüht, dann in einem Blei- oder Salz-bad auf ca. 400°C abge-schreckt und bis zur vollständi-gen Umwandlung in Perlit und Ferrit auf dieser Temperatur gehalten. Darauf folgt eine langsame Abkühlung an der Luft. Wegen der Bildung eines feinlamellaren Perlitgefüges sind patentierte Stähle beson-ders zum Kaltziehen geeignet und behalten dabei eine relativ hohe Zähigkeit.

C.4.6.4 Einfluss von Legierungselementen

Wichtigste Legierungselemente des Stahles sind Kohlenstoff, Silicium, Mangan und Nickel. P, S, N, O, H werden als Stahlbegleiter bezeichnet. Sie sind meist unerwünscht und können schon in geringer Konzentration (< 0,1 M.- %) zur Versprödung, er-höhter Korrosionsanfälligkeit und mangelnder Schweißeignung des Stahles führen.

• Silicium

Das Silicium kann auch zu den Stahlbegleitern gezählt werden, da es die Löslich-keit von Gasen in der Schmelze reduziert und auch unlegierten Stählen zur Stahl-beruhigung zugegeben wird. Bei Gehalten von > 0,5 M.-% Erhöhung der Streck-grenze, Herabsetzen der Löslichkeit von Kohlenstoff, Reduktion der Schweißbar-keit.

• Mangan und Nickel

reduzieren die A1-Temperatur und erweitern daher den Bereich, innerhalb dem Austenit stabil ist. Stähle, die auch bei Raumtemperatur vorzugsweise aus Austenit bestehen, werden als austenitische Stähle bezeichnet.

• Chrom

Cr, Mo, W, Ti erhöhen die A1-Temperatur und erweitern damit das Gebiet des Fer-rits (ferritische Stähle).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 8000

10

20

Bruchdehnung δ (%)

Anlaßtemperatur (°C)

ZugfestigkeitβZ (N/mm²)

Anlasstemperatur [°C]

Zugfestigkeit Bruchdehnung βZ [N/mm²] δ [%]

- 102 -

C.5 FESTIGKEIT UND BRUCH

C.5.1 Zielsetzung und Definitionen

Konstruktionen versagen oder verlieren ihre Gebrauchsfähigkeit, durch:

- Überschreiten der Festigkeit des verwendeten Werkstoffes (Bruch)

- Zu große Verformung der Konstruktion

- Mangelnde Dauerhaftigkeit als Folge von Korrosionserscheinungen.

Von diesen Versagensarten ist der Bruch am gefährlichsten, da er zum Einsturz des Bauwerkes führen und plötzlich auftreten kann.

Erscheinungsformen des Bruches:

(a) (b) (c)

a) Trennbruch: Bruchfläche senkrecht zur angreifenden Normal- spannung

b) Schub- oder Scherbruch: Bruchfläche in Richtung der Hauptschubspan-nung

c) Einschnürungsbruch: siehe Abschnitt C.5.4

Transkristalliner Bruch: die Bruchfläche durchläuft verschiedene Körner eines kri-stallinen Werkstoffes.

Interkristalliner Bruch: die Bruchfläche verläuft entlang der Korngrenzen.

Zäher Bruch: Der Bruch tritt erst nach deutlich erkennbarer plastischer Verformung des Bauteils ein. Vor dem Bruch bildet sich häufig eine Einschnürung aus. Die Bruchfläche ist meist matt oder faserig.

Spröder Bruch: Er tritt ohne oder nur mit sehr geringer plastischer Verformung auf und ist die Folge eines sehr schnell wachsenden Risses (Spaltbruch). Es tritt keine Einschnürung auf, die Bruchflächen sind bei polykristallinen Werkstoffen meist rauh.

Übergang vom zähen zum spröden Bruch

Vor allem KRZ-Metalle können je nach Temperatur spröde oder zäh zu Bruch ge-hen. Eine besondere Sprödbruchneigung liegt vor bei:

- niederer Temperatur

- mehrachsigem Spannungszustand

- 103 -

C.5.2 Theoretische Zugfestigkeit

Beim Bruch einer Probe bilden sich zwei neue Oberflächen. Dazu ist Energie not-wendig, die sog. Oberflächenenergie γ:

da)a(WZ ∫ σ=

∆WZ = Änderung der po-tentiellen Energie beim Erreichen des Bruches

2a2W Z

Zβ⋅∆

⋅≈∆

Da Ea

a Z

0

β≈ε=

∆

ist E

aa 0Z ⋅β≈∆

und E

aW 02Z

Z⋅β

≈∆

Beim Bruch ist ∆WZ ≥ die Oberflächenspannung 2.γ, so dass

γ⋅=⋅β 2Ea0

2Z und

0Z a

E2 ⋅γ⋅=β

Beispiel: Glas E ≈ 7.104 N/mm2

γ ≈ 3.10-7 J/mm2

a0 ≈ 2.10-7 mm

Theoretische Zugfestigkeit: βZ ≈ 14000 N/mm2

Experimentell bestimmte Zugfestigkeit: βZ ≈ 10 - 50 N/mm2

Die Zugfestigkeit der meisten Realwerkstoffe ist um 2 bis 3 Größenordnungen geringer als die theoretische Zugfestigkeit. Gelingt es jedoch, fehlerfreie Einkristal-le herzustellen, so kommt deren Festigkeit der theoretischen Zugfestigkeit nahe.

Die Zugfestigkeit von Werkstoffen wird daher in hohem Maß von Werkstofffehlern, z. B. Poren, Kerben, Korngrenzen, etc. beeinflusst.

Atomabstand a

a0 ∆a βZ

σ(k)

- 104 -

C.5.3 Kerben

Kerben sind örtlich scharfe Querschnittsveränderungen in einem Zugstab.

Wird ein gekerbter Stab mit einer Zug-spannung beansprucht, so treten Span-nungsspitzen σmax im Kerbgrund auf.

Die Nennspannung σm ist die mittlere auf den Restquerschnitt bezogene Kraft F.

bdF

m ⋅=σ

wobei d = Probenbreite an der Kerbe

b = Probendicke

Die Spannungserhöhung an der Kerbwurzel gegenüber der Nennspannung kann durch die Formziffer K ausge-drückt werden:

m

maxKσ

σ=

mit

σmax = Spannung am Kerb-grund

Sie hängt von der Form und Größe der Probe und der Kerbe sowie von der Bean-spruchungsart ab.

Bei zähen Werkstoffen werden aufgrund plastischer Verformungen die Span-nungsspitzen am Kerbgrund abgebaut. Sie reduzieren daher die Nennfestigkeit der Werkstoffe nicht. Bei spröden Werkstoffen führen die Spannungsspitzen jedoch zum vorzeitigen Bruch der Probe.

Je nach Anfälligkeit eines Werkstoffes gegenüber Kerben unterscheidet man zwi-schen kerbempfindlichen und kerbunempfindlichen Werkstoffen. Die Kerbanfällig-keit eines Werkstoffes kann, ebenso wie die plastische Verformung, von der Tem-peratur abhängig sein. Ein Maß hierfür ist die Kerbschlagzähigkeit αk (siehe A.5.1.10).

F

D

σmax

d

b

σmax

F

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

D

r

d

Formziffer K

r/d

d/D0,6

0,80,9

≤ 0,4

- 105 -

C.5.4 Zäher Bruch

Kennzeichen des zähen Bruches ist die Einschnürung. Je zäher der Werkstoff, um so deutlicher die Einschnürung. In Vielkristallen entwickelt sich der Bruch in 3 Sta-dien:

a) Bildung von größeren Poren an der Stelle der größten Einschnürung.

b) Zusammenschluss einzelner Poren in der Probenmitte. Bildung von Mikrorissen.

c) Zusammenschluss der Mikrorisse und Fort-pflanzung des Risses bis zur Probenober-fläche in Richtung der Hauptspannung.

Bei weniger duktilen Werkstoffen oder bei Druckbeanspruchung kann auch ein Scherbruch unter einem Winkel von 45° gegenüber der äußeren Belastung auftre-ten.

Ursachen der Porenbildung

a) Hohe Versetzungsdichte nach plastischer Verformung in der Nähe von Fremdeinflüssen, z. B. Schlacken, Oxide, etc., verursachen örtliche Span-nungskonzentrationen bei geringerer Verformbarkeit. Viele Fremdeinschlüs-se fördern daher die Poren- bzw. Rissbildung und reduzieren die Zähigkeit des Werkstoffes.

b) Porenbildung an den Korngrenzen

Ablösungen an den Korngrenzen führen zu Porenbildung

C.5.5 Spröder Bruch – Bruchmechanik

C.5.5.1 Einführung

Die Bruchmechanik geht von der Vorstellung aus, dass die Zugfestigkeit eines Werkstoffes vor allem von Fehlstellen, Poren, Rissen oder Kerben beeinflusst wird. An den Wurzeln dieser Fehlstellen treten hohe Spannungsspitzen auf, die bei feh-lender plastischer Verformbarkeit den frühzeitigen, verformungslosen Bruch des Werkstoffes zur Folge haben

Die Bruchmechanik erlaubt es dem entwerfenden Ingenieur abzuschätzen, mit welchen Fehlern ein Werkstoff bzw. eine Konstruktion behaftet sein darf, ohne dass ein Sprödbruch eintritt.

σ

Korngrenze

Schubspannungτ

(a) (b)

- 106 -

C.5.5.2 Grundbeziehungen nach Griffith

Gegeben sei eine unendliche Scheibe der Dicke d = 1, die an den Rändern durch eine gleichmäßig verteilte Zugspannng σ beansprucht wird.

σ

σ

unendliche ScheibeDicke: d = 1

2.c

Durch Einfügen eines Risses der Länge 2.c ändert sich die elastische Verfor-mungsenergie um einen Betrag ∆WE:

E

cW22

Eσπ

=∆ (ebener Spannungszustand) (C.1)

Zur Bildung der beiden Rissflächen ist die Oberflächenenergie Ws erforderlich:

Ws = 2.2.c.γ = 4c.γ (C.2)

wobei E = Elastizitätsmodul

γ = spez. Oberflächenenergie

Wächst der Riss um einen Betrag "dc", wird elastische Verformungsenergie freige-setzt:

Ec2

dc)W(d 2

E σ⋅⋅π⋅=

∆ (C.3)

Die dazu erforderliche Oberflächenenergie ist

γ⋅= 4dcWd S (C.4)

Ein Rissfortschritt tritt dann ein, wenn

dcWd

dc)W(d sE ≥

∆ (C.5)

d. h. wenn durch den Rissfortschritt mehr oder genau soviel Energie freigesetzt wird, als zur Bildung der neuen Oberflächen erforderlich ist. Für die Bedingung nach Gl. 5, ist σ → σc = σcrit. und

cE2

.crit ⋅π⋅γ⋅

=σ (C.6)

- 107 -

C.5.5.3 Erweiterte Form nach Irwin

Bei der Rissfortpflanzung wird auch Energie durch plastische Verformungen im Bereich der Risswurzel aufgebraucht:

plastische Zone an derOberfläche einer Probe plastische Zone imProbeninneren

Zur Erfassung des plastischen Verformungsanteils erweiterte daher Irwin die Grif-fith-Beziehung zu:

c

)W(E2 pc ⋅π

+γ⋅=σ

wobei Wp = "plastic work" = Energieanteil der plastischen Verformung.

Mit 2(γ + Wp) = Gc

ergibt sich c

GE cc ⋅π

⋅=σ (C.7)

wobei Gc = "kritische Risserweiterungskraft"

Durch Zusammenfassung von E und Gc erhält man:

EGK c2

Ic ⋅=

und c

K Icc

⋅π=σ (C.8)

oder cK cIc ⋅π⋅σ= (C.9)

KIc = Bruchzähigkeit (Dimension N/mm3/2) KIc ist eine Materialkonstante, die aber von der Probendicke abhängig sein kann.

Beschränkungen

(1) Die Gln. 1 bis 9 gelten für einen Riss in einer unendlichen Scheibe. Bei an-deren Körperformen und Rissanordnungen muss Gl. 9 mit einem Faktor F multipliziert werden:

FcK cIc ⋅⋅π⋅σ= (C.10)

(2) Wegen der unterschiedlichen Größe der plastischen Zone im Probeninnern und an der Probenoberfläche ist bei kleinen Probendicken die Bruchzähig-keit KIc auch von der Probendicke d abhängig. Zur experimentellen Bestim-mung von KIc für metallische Werkstoffe muss daher die Bedingung erfüllt sein, dass

2

S

IcK5,2d

β

⋅≥ (C.11)

wobei d = Probendicke

KIc = Bruchzähigkeit

βs = Streckgrenze

- 108 -

Formwerte bei verschiedenen Probenformen und Rissanordnungen

1cIc FcK ⋅⋅π⋅σ= b2ccos

1F1

⋅⋅π

= 7,0bc0 ≤≤

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Dicke d

2b

2c

F1

σ

σ

c/b

c/b F1

,0000 ,0200 ,0400 ,0600 ,0800 ,1000 ,1200 ,1400 ,1600 ,1800 ,2000 ,2200 ,2400 ,2600 ,2800 ,3000 ,3200 ,3400 ,3600 ,3800 ,4000 ,4200 ,4400 ,4600 ,4800 ,5000 ,5200 ,5400 ,5600 ,5800 ,6000 ,6200 ,6400 ,6600 ,6800 ,7000 ,7200 ,7400 ,7600 ,7800 ,8000

1,0000 1,0002 1,0010 1,0022 1,0040 1,0062 1,0090 1,0123 1,0161 1,0205 1,0254 1,0309 1,0371 1,0438 1,0513 1,0594 1,0685 1,0779 1,0883 1,0996 1,1118 1,1250 1,1392 1,1546 1,1712 1,1892 1,2086 1,2297 1,2525 1,2773 1,3043 1,3338 1,3661 1,4016 1,4407 1,4841 1,5325 1,5868 1,6482 1,7182 1,7989

c/2b F2

,0000 ,0200 ,0400 ,0600 ,0800 ,1000 ,1200 ,1400 ,1600 ,1800 ,2000 ,2200 ,2400 ,2600 ,2800 ,3000 ,3200 ,3400 ,3600 ,3800 ,4000 ,4200 ,4400 ,4600 ,4800 ,5000 ,5200 ,5400 ,5600 ,5800 ,6000 ,6200 ,6400 ,6600 ,6800 ,7000

1,1222 1,1227 1,1291 1,1425 1,1519 1,1864 1,2157 1,2492 1,2868 1,3282 1,3734 1,4225 1,4756 1,5331 1,5953 1,6628 1,7363 1,8164 1,9042 2,0005 2,1066 2,2236 2,3529 2,4959 2,6543 2,8298 3,0241 3,2391 3,4770 3,7400 4,0302 4,3501 4,7022 5,0891 5,5136 5,9786

6,0b2c0

b2c85,53

b2c48,38

b2c7,18

b2c41,099,11F

FcK432

2

2cIc

≤≤

+

−

+−⋅

π=

⋅⋅π⋅σ=

0

1

2

3

4

5

6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 c/2b

F2

σ

σ

Dicke d

c

2b

- 109 -

3cIc FcK ⋅⋅π⋅σ= bcsin1,0

b2ctan1

cb2F 3

π⋅+

π⋅

π⋅=

7,0bc0 ≤≤

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

σ

σ

2b

F3

c/b

c c

c/b F3

,0200 ,0400 ,0600 ,0800 ,1000 ,1200 ,1400 ,1600 ,1800 ,2000 ,2200 ,2400 ,2600 ,2800 ,3000 ,3200 ,3400 ,3600 ,3800 ,4000 ,4200 ,4400 ,4600 ,4800 ,5000 ,5200 ,5400 ,5600 ,5800 ,6000 ,6200 ,6400 ,6600 ,6800 ,7000 ,7200 ,7400 ,7600 ,7800 ,8000

1,0955 1,0958 1,0963 1,0969 1,0977 1,0988 1,1000 1,1015 1,1032 1,1051 1,1074 1,1099 1,1127 1,1158 1,1193 1,1232 1,1276 1,1324 1,1377 1,1435 1,1500 1,1572 1,1651 1,1738 1,1835 1,1941 1,2059 1,2190 1,2334 1,2495 1,2674 1,2874 1,3098 1,3349 1,3633 1,3954 1,4320 1,4741 1,5228 1,5798

8,0Dd5,0

27,1dD72,1F

F4

cK

4

4cIc

≤≤

−⋅=

⋅π

⋅σ=

0

1,0

2,0

3,0

1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25

30° - 60°

D

d

c

s

σ

σ

D/d

F4

D/d F4

1,0000 1,0500 1,1000 1,1500 1,2000 1,2500 1,3000 1,3500 1,4000 1,4500 1,5000 1,5500 1,6000 1,6500 1,7000 1,7500 1,8000 1,8500 1,9000 1,9500 2,0000 2,0500 2,1000 2,1500 2,2000 2,2500

,4500 ,5360 ,6220 ,7080 ,7940 ,8800 ,9660 1,0520 1,1380 1,2240 1,3100 1,3960 1,4820 1,5680 1,6540 1,7400 1,8260 1,9120 1,9980 2,0840 2,1700 2,2560 2,3420 2,4280 2,5140 2,6000

- 110 -

C.5.5.4 Einflüsse auf die Bruchzähigkeit KIc

Die Bruchzähigkeit eines Werkstoffes hängt ab von seiner

- Zusammensetzung und Mikrostruktur

- Wärmebehandlung

- Verformungszustand

- Temperatur

und kann in weiten Grenzen streuen. Die Bruchzähigkeit muss daher im Bedarfs-fall experimentell bestimmt werden.

Typische Beispiele:

Werkstoff Streckgrenze

[N/mm2]

Zugfestigkeit

[N/mm2]

KIc

[N/mm3/2] S235JRG1 ca. 240 ca. 370 4000 - 5500 E335 ca. 340 ca. 600 3000 - 4500 Al Cu Mg 450 500 900 Al Zn Mg Cu 1,5 500 580 950 Ti 6Al 4V 900 1000 2750

KIc [N/mm3/2]

KIc

βS [N/mm²]

βS

0

1000

2000

3000

4000

5000

200

400

600

800

-150 -100 -50 0 +50 +100 Temperatur [°C]

Beispiel für den Temperatureinfluss auf die Eigenschaften eines Druck- behälterstahles

- 111 -

C.5.6 Verhalten bei wiederholter Belastung – Ermüdung

C.5.6.1 Definitionen

Beanspruchungsfälle bei Dauerschwingversuchen

reineDruck-

schwell-beanspru-

chungDruck-

wechsel

reineZug-

schwell-beanspru-

chungZug-

wechsel

reineWechsel-beanspru-

chung

Zug

Druck

Zeit

-σ

+σ

Bezeichnung der Spannungen

σo = Oberspannung

σu = Unterspannung

σm = σ σo u+

2 = Mittel-

spannung

σa = σ σo u−

2 = Span-

nungsamplitude

Zeitschwingfestigkeit: Größte Oberspannung bzw. Spannungsamplitude, die der Werkstoff für eine bestimmte Anzahl von Last-wechseln ertragen kann.

Betriebsfestigkeit, βBe: Lebensdauer eines Werkstoffes, der durch eine in gesetzmäßiger oder zufälliger Folge veränderliche Schwingbreite beansprucht wird.

Wechselfestigkeit, βWe: Größte Spannungsamplitude, die der Werkstoff un-endlich oft ertragen kann, wenn σm = 0.

Dauerschwingfestigkeit βD: Größte Oberspannung bzw. Spannungsamplitude, die der Werkstoff unendlich oft ertragen kann.

C.5.6.2 Wichtige Einflussparameter

Beanspruchung: Die Anzahl der Lastspiele zum Bruch N nimmt ab mit: - steigender Mittelspannung σm - steigender Spannungsamplitude σa

Aggressive Medien, welche eine Korrosion des beanspruchten Werkstoffes fördern, reduzieren die Anzahl der Lastspiele bis zum Bruch.

σ

σa

σo σm

σu

t

+σ

-σ

- 112 -

Werkstoffeigenschaften:

Eine Anhebung der Streckgrenze von Metallen, z. B. durch Kaltverformung, führt zu keiner wesentlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit.

Die Dauerfestigkeit zäher Werkstoffe wird durch Kerben wesentlich herabgesetzt. Bei spröden Werkstoffen wirken sich Kerben auf die Dauerfestigkeit dagegen we-nig aus.

Spröde und rauhe Oberflächenschichten verringern die Dauerfestigkeit eines Werkstoffes. Glatte, duktile Überzüge können die Dauerfestigkeit erhöhen.

C.5.6.3 Darstellung des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffen

Wöhler-Linien: Zusammenhang zwischen Anzahl der Lastspiele bis zum Bruch, N und σa bzw. σO, falls σm oder σu konstant sind.

Beispiel von Wöhler-Linien eines S235JRG1 (USt 37) siehe A.5.1.8.

Werkstoffe mit definierter Dauerfestigkeit Werkstoffe ohne definierte Dauerfestigkeit

log n log n

Smith-Diagramm: Darstellung der Kombinationen von σm, σa, σo, σu, die für ei-nen Werkstoff nach einer bestimmten Anzahl von Lastspielen N einen Ermüdungsbruch verursachen:

σm

σ

βS

βZ

βBeo1

βWe

σa2

σa1

σm2 σm1

βZ βS σm2σm1

N = konstant

Grenzlinie βBeo

Grenzlinie βBeu-βWe

βstat

βD

σa σa

σm = const. σm = const.

- 113 -

β

β−β⋅σ+β=β

Z

WeZmWeBeo für βWe < βBeo < βS

=

β

β−⋅σ+β

Z

WemWe 1

βBeo = σm + σa; σa = βBeo - σm

ma We

Z

1 σ

σ = β ⋅ − β Goodman - Beziehung

oder

βσ

−⋅β=σ2

Z

mWea 1 Gerber - Beziehung

Beispiel für einen S235JRG1 (USt37) und N → ∞:

2m

a mmN

3701120

σ−⋅=σ (Goodman)

für 2SBe mmN220

o=β<β

oder 2

2m

amm

N370

1120

σ−⋅=σ (Gerber)

Beachte: Die Ermüdungsfestigkeit von Werkstoffen ist meist großen Streuun-gen unterworfen. Daher werden häufig Wöhler-Linien für bestimmte Versagenswahrscheinlichkeiten angegeben.

400

300

200

100

0

-100

100 200 300 400

Gerber-Beziehung Goodman-Beziehung

βWe = 120

βS = 220

σ [N/mm²]

σm

für N → ∞

- 114 -

Bruchlastspielzahl N

Versagens-wahrscheinlichkeit

95 %-Quantile

105

290

300

280

310

320

330

340

350

360

370

380

390

107 106

50 % (Mittelwert)

5 %-Quantile

Spannungsamplitude [N/mm²]

C.5.6.4 Abschätzung der Zeitfestigkeit von Baukonstruktionen

Während eines Dauerschwingversuches im Labor werden Spannungsamplitude und Mittelspannung meist konstant gehalten. In einer Baukonstruktion dagegen können Mittelspannung und Spannungsamplitude in weiten Grenzen schwanken. Das zu erwartende Ermüdungsverhalten kann aus einfachen Laborversuchen mit Hilfe der Palmgren-Miner-Regel abgeschätzt werden. Danach tritt der Bruch ein, wenn

1Nini =∑

wobei ni = Anzahl der Lastspiele mit σmi und σai, die auf das Bauwerk ein-wirken

Ni = Anzahl der Lastspiele, die bei σmi und σai = const. zum Bruch führen.

Beispiel:

N1 = Anzahl der Lastspiele, die bei σm1 und σa1 = const. den Bruch zur Folge ha-ben

N2 = Anzahl der Lastspiele, die bei σm2 und σa2 = const. den Bruch zur Folge ha-ben

Wenn n1 < N1 und n2 < N2, so tritt bei der dargestellten kombinierten Beanspru-chung der Bruch ein, wenn

1Nn

Nn

2

2

1

1 =+

Last

σm1

σm2σa1

σa2

n1 n2 Zeit

- 115 -

M

σy

τxy

σy

σx σx

τxy τyx

τyx

τxy τyx

σ1

σ2 σx

σy

φ

C.5.6.5 Bruchvorgang bei Dauerschwingbeanspruchung

Bei einer Dauerschwingbeanspruchung metallischer Werkstoffe sind die aufge-brachten Spannungen meist wesentlich kleiner als die Streckgrenze des Werkstof-fes. Der Ermüdungsbruch ist daher verformungsarm und tritt ohne Vorankündigung ein.

Ein Ermüdungsbruch nimmt seinen Ausgang an einer örtlichen Fehlstelle . Ausgehend von dieser Fehl-stelle stellen sich langsames Risswachstum und da-mit eine fortlaufende Querschnittsverminderung ein

. Ist diese so groß, dass der Restquerschnitt die aufgebrachte Belastung nicht mehr ertragen kann, kommt es zum plötzlichen Bruch .

C.5.7 Bruchverhalten bei mehrachsiger Beanspruchung

In Bauwerken sind Werkstoffe häufig einer mehrachsigen Beanspruchung unter-worfen. Festigkeit und Verformungsverhalten von Werkstoffen bei mehrachsiger Beanspruchung können mit Hilfe von Bruch- bzw. Fließkriterien aus dem bekann-ten Verhalten bei einachsiger Beanspruchung abgeschätzt werden.

C.5.7.1 Mohr'scher Spannungskreis

An einem Element greifen die Spannun-gen σx, σy, τxy und τyx an, wobei τxy = τyx.

In den Schnittflächen φ bzw. φ + 90° durch das Element wirken nur Normal-spannungen σ1 bzw. σ2.

yx

xy22tg

σ−σ

τ⋅=φ

2xy

2yxyx

21 22; τ+

σ−σ±

σ+σ=σσ

2xy

2yx21

max 22τ+

σ−σ=

σ−σ=τ

1 2

3

- 116 -

Die Spannungen σ1 und σ2 sind Hauptspannungen. Sie stellen die maximalen bzw. die minimalen Normalspannungen dar, die in einer Schnittfläche des Elementes wirken.

Der Zusammenhang zwischen σ1, σ2, τmax, σx, σy, τxy und φ kann durch den sog. Mohr'schen Spannungskreis grafisch dargestellt werden (Ableitung siehe Techni-sche Mechanik II).

2φ +τxy τmax = (σ1 - σ2)/2

(σ1 + σ2)/2 σ2

σ1

σx

σy

-τxy

τ

σ

C.5.7.2 Mohr'sche Spannungskreise für verschiedene Spannungszustände

Bei einem räumlichen Spannungszustand können für jede Hauptebene Mohr'sche Spannungskreise angegeben werden. Definitionsgemäß sind die Hauptspannun-gen

σ1 > σ2 > σ3

Einachsiger Druck und einachsiger Zug:

−σ +σ

τ σ1

σ1 σ3

σ3

σ3 σ1

Druck Zug

σ1 = σ2 = 0 σ2 = σ3 = 0

τmax

τmax = σ1/2 bzw. σ3/2

2φ = 90°; φ = 45°

Reiner Schub oder Torsion

−σ +σ

τ σ1 = τmax

τmax

für φ = 0°:

für φ = 45°:

τ

τ

σ2 σ2 = -τmax σ1

- 117 -

Zweiachsiger Druck und zweiachsiger Zug

−σ +σ

τ σ1

σ1

σ2 σ2σ3 σ3

σ2

σ2

σ3 σ1

σ2 σ2

Zweiachsiger Druck - Zug

−σ +σ

τ

σ2 = 0

σ3 σ3

σ1

σ1

σ3 σ1

Dreiachsige Spannungszustände

−σ +σ

τ

σ1

σ1 σ3

σ3

σ2

σ3

σ1

σ2

σ2

C.5.7.3 Bruch- und Fließbedingungen

Bruchbedingung: Kriterium für das Eintreten des Bruches (Erreichen der Festig-keit)

Fließbedingung: Kriterium für das Eintreten des Fließens

C.5.7.3.1 Hypothese der maximalen Normalspannung

Annahme, dass Fließen dann eintritt, sobald die Spannung in einer der Hauptrich-tungen einen Grenzwert erreicht:

σ1 = βS

- 118 -

C.5.7.3.2 Hypothese der maximalen Dehnungen

Annahme, dass Fließen dann eintritt, sobald die Dehnung in einer Hauptrichtung einen Grenzwert erreicht. Bei linear-elastischem Verhalten ist die Dehnung ε1 in Richtung der Hauptspannung σ1:

)]([E1

3211 σ+σ⋅ν−σ⋅=ε

wobei E = Elastizitätsmodul ν = Poisson'sche Zahl

Bei einachsiger Belastung tritt Fließen ein, wenn

ES

1β

=ε

Das Fließkriterium bei mehrachsiger Beanspruchung ist daher

)]([E1

E 321S σ+σ⋅ν−σ⋅=

β

σ1 = βS + ν.(σ2 + σ3)

C.5.7.3.3 Hypothese der maximalen Schubspannung (Treska-Bedingung)

Annahme, dass Fließen dann eintritt, wenn in einer Ebene die Schubspannung einen Grenzwert erreicht:

2

31max

σ−σ=τ

wobei σ1 ≥ σ2 ≥ σ3

Bestimmung von τmax aus dem Verhalten bei einachsiger Beanspruchung für σ1 = βS; σ2 = σ3 = 0.

22S1

maxβ

=σ

=τ

Die Fließbedingung bei mehrachsiger Beanspruchung ist daher:

22

31Smax

σ−σ=

β=τ

Fließen tritt ein, wenn

σ1 - σ3 = βS

σ1 = βS + σ3

Beachte: Nach der Treska-Bedingung hat die mittlere Hauptspannung σ2 keinen Einfluss auf die erreichbare Maxi-malspannung

σ3

σ2

σ1

- 119 -

C.5.7.3.4 Gestaltänderungsarbeitshypothese (Huber - v. Mises-Bedingung)

Annahme, dass Fließen eintritt, sobald die spezifische Gestaltänderungsarbeit einen Grenzwert erreicht. Die spezifische Gestaltänderungsarbeit Wd ist ein Maß für die Verzerrung der Form eines Körpers bei mehrachsiger Beanspruchung. Sie ist die Differenz zwischen der gesamten Verformungsenergie und der Verfor-mungsenergie bei hydrostatischer Beanspruchung mit der Spannung

3

321'1

σ+σ+σ=σ

σ3

σ2

σ1

σ‘1

σ‘1

σ‘1

σ3 - σ’1

≡ +

σ1 - σ’1

σ2 - σ’1

])()()[(E6

1W 213

232

221d σ−σ+σ−σ+σ−σ⋅

⋅ν+

=

Bei einachsiger Zugbelastung tritt Fließen ein, wenn

σ1 = βS; σ2 = σ3 = 0.

Dann ist 2Sd E3

1W β⋅⋅

ν+=

Die Fließbedingung bei mehrachsiger Beanspruchung ist daher

])()()[(E6

1E3

1 231

232

221

2S σ−σ+σ−σ+σ−σ⋅

⋅ν+

=β⋅⋅

ν+

oder (σ1 - σ2)2 + (σ2 - σ3)2 + (σ1 - σ3)2 = 2.βS2

Mit 231

232

221V )()()( σ−σ+σ−σ+σ−σ=σ

gilt als Fließbedingung:

SV 2 β⋅=σ

Dieselbe Beziehung kann auch durch eine andere, einfache Überlegung veran-schaulicht werden:

Fließvorgänge werden oft durch Gleiten bestimmter Ebenen eingeleitet. Der Be-ginn des Fließens muss dann von der Größe τmax abhängen.

Bei hydrostatischer Beanspruchung ist:

σ1 = σ2 = σ3

und τmax = 0

- 120 -

Es wird nun angenommen, das Fließen trete um so eher ein, je mehr der tatsächli-che Spannungszustand vom hydrostatischen Spannungszustand σ1 = σ2 = σ3 ab-weicht.

σ1

σ2

σ3

r

βs

βs

βs

r

Fließen tritt also ein, sobald der Spannungszustand auf einer Oberfläche liegt, die einen bestimmten Abstand r von der Raumdiagonalen σ1 = σ2 = σ3 hat. Kann diese Oberfläche durch einen Zylinder dargestellt werden, folgt sie der Beziehung

(σ1 - σ2)2 + (σ2 - σ3)2 + (σ1 - σ3)2 = 3.r2

Ermittlung von r aus dem Verhalten bei einachsiger Beanspruchung:

Für σ1 = βS; σ2 = σ3= 0

ist βS2 + 0 + βS

2 = 3⋅r2 ⇒ 2.βS2 = 3⋅r2

Die Fließbedingung bei mehrachsiger Beanspruchung lautet dann:

s2

312

322

21 )()()(21

β=σ−σ+σ−σ+σ−σ⋅

C.5.7.3.5 Mohr'sche Bruchhypothese

Annahme, dass Fließen eintritt, wenn in einer Ebene die maximale Schubspan-nung einen Wert überschreitet, der von der Normalspannung abhängt, die senk-recht zu dieser Ebene wirkt:

Der Bruch tritt daher ein, sobald der für eine bestimmte Beanspruchung ungüns-tigste Spannungszustand die Einhüllende berührt. Ist diese Einhüllende eine Ge-rade, dann gilt

τmax = τ0 + k.σ (Mohr-Coulomb)

(Druck) (Zug)

τmax = f(σ) τ

+ στ0- σ

- 121 -

C.5.7.3.6 Anwendung auf das Verhalten metallischer Werkstoffe

Metallische Werkstoffe folgen meist der v. Mises-Bedingung. Die Treska-Bedin-gung liefert gute Näherungswerte:

Zweiachsige Spannungszustände:

σ12 - σ1σ2 + σ2

2 = βS2

Dreiachsige Spannungszustände:

Beanspruchung: σ1 σ2 = σ3

Diese Beziehung gilt sowohl für die v. Mises- als auch für die Treska-Bedingung.

βS

σ2 = σ3

σ1 = βS + σ2;3

σ1

2βS

3βS

Treska v. Mises

+σ2

+σ1

-σ2

-σ1

βS

- 122 -

C.6 KORROSION UND KORROSIONSSCHUTZ VON METALLEN

C.6.1 Allgemeines

Korrosion ist die Zerstörung eines Werkstoffes durch chemische und elektrochemi-sche Reaktionen mit seiner Umgebung oder durch physikalischen Angriff. Alle Werkstoffe des Bauwesens, Metalle, Beton, Ziegel, Kunststoffe, Gläser oder Holz können durch Korrosion zerstört werden. Schon aus Wirtschaftlichkeitsgründen ist es daher unabdingbar, bereits beim Entwurf eines Bauwerkes Fragen der Korrosi-on und des Korrosionsschutzes zu berücksichtigen.

C.6.2 Elektrochemische Vorgänge

C.6.2.1 Warum korrodieren Metalle?

Die meisten Metalle kommen in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern als Hydroxide oder Oxide. Durch Austreiben des Wassers bzw. des Sauerstoffes wäh-rend der Verhüttung werden sie auf ein höheres Energieniveau gebracht:

Beispiel Eisen: Fe2O3 + 3.C + Energie → 2.Fe + 3.CO (Roteisenerz)

Eisen hat daher das Bestreben, diese Energie wieder abzugeben. Dies ist die trei-bende Kraft für den Korrosionsvorgang.

Für eine Energiebetrachtung gilt:

4.Fe + 3.O2 → 2.Fe2O3 + 1117,5 kJ/mol

Steht ein Metall mit einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) in Verbindung, so hat es die Tendenz, sich in Ionen aufzulösen. Dieser Vorgang wird als Oxidation bezeich-net. Allgemein gilt für ein n-wertiges Metall M:

M → Mn+ + n.e-

am Beispiel des Eisens: Fe → Fe2+ + 2.e-

Die frei werdenden Elektronen sammeln sich an der Oberfläche des Metalls. Je größer die Neigung des Metalls zur Bildung von Ionen, desto größer ist die Ladung an der Oberfläche. Befinden sich zwei verschiedene Metalle mit verschiedener Neigung zur Oxidation in einer leitenden Flüssigkeit, so besteht zwischen beiden Metallen ein Potentialunterschied. Verbindet man beide Metalle oder Elektroden leitend miteinander, so entsteht ein Elektronenfluss in Richtung des Potentialgefäl-les. Die Elektrode, von welcher der Stromfluss ausgeht, wird als Anode bezeich-net, die andere als Kathode.

Die Anreicherung von Elektronen an der Kathode kann zu verschiedenen Reaktio-nen führen, die in den folgenden Abschnitten beschrieben sind. An der Anode ge-hen Metallionen in Lösung. Das Metall korrodiert. Durch Reaktionen der Metallio-nen in der Lösung entstehen Korrosionsprodukte.

Diese Vorgänge hängen also von der Bildung eines sog. Lokalelementes ab, das entsteht, wenn beim Vorhandensein eines Elektrolyten zwei unterschiedliche Me-talle leitfähig miteinander verbunden sind. Welches der beiden Metalle die größere Neigung zur Auflösung in Ionen hat und damit zur Anode wird, hängt von der Stel-lung der Metalle in der elektrolytischen Spannungsreihe ab. Die elektrolytische Spannungsreihe gibt das Potential einer Metallelektrode gegenüber einer Wasser-stoffelektrode an.

- 123 -

Elektrodenpotential in Volt bei 25°C in molarer Lösung der Metallionen Li+ - 3,05 anodisch K+ - 2,93 Na+ - 2,71 Mg2+ - 2,36 Al3+ - 1,67 Zn2+ - 0,76 Cr3+ - 0,74 Fe2+ - 0,44 Ni2+ - 0,25 Pb2+ - 0,13 H+ ± 0,000 Cu2+ + 0,34 Ag+ + 0,80 Pt2+ + 1,20 Au3+ + 1,50 katho-disch

Je tiefer das betrachtete Metall in der elektrolytischen Spannungsreihe steht, um so edler ist es, bzw. um so geringer ist seine Tendenz, sich in Ionen aufzulösen.

C.6.2.2 Korrosionsformen

Je nach Art der Kathodenreaktion unterscheidet man zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion.

C.6.2.2.1 Wasserstoffkorrosion

Bei diesem Vorgang nimmt der Wasserstoff die freien Elektronen auf:

Anodenreaktion: M → Mn+ + n.e-

Kathodenreaktion: 2.e- + 2.H+ → H2

Dieser Korrosionsvorgang führt zu einer gleichmäßigen, u.U. restlosen Auflösung des unedlen Metalls bzw. zu einer Sättigung des Elektrolyten mit M+-Ionen.

C.6.2.2.2 Sauerstoffkorrosion

Bei diesem Vorgang nimmt der Sauerstoff die freien Elektronen auf.

Anodenreaktion: M → Mn+ + n.e-

Kathodenreaktion: O2 + 2.H2O + 4.e- → 4.(OH)- (basisch)

oder O2 + 4.H+ + 4.e- → 2.H2O (sauer)

M+ H2

e-

H+

Anode Kathode

- 124 -

Beispiel: Wassertropfenkorrosion des Eisens

Anodee-

Kathode

WASSERTROPFENRostringOH-

O2

Fe2+

a) Sauerstoff O2 dringt aus der Luft in den Wassertropfen. In der Nähe der Oberfläche des Wassertropfens ist die O2-Konzentration hoch, es entsteht weißer Rost.

2.Fe + O2 + 2.H2O → 2.Fe(OH)2

b) Da die Rosthaut edler als die noch blanke Metalloberfläche ist, liegt ein Lokalelement vor, dessen Kathode die angerostete Oberfläche, dessen Anode das noch blanke Metall ist.

c) An der Anode gehen Fe2+-Ionen in Lösung, während die freien Elekt-ronen zur Rosthaut fließen:

Fe → Fe2+ + 2.e-

d) Kathodenreaktion:

2.H2O + O2 + 4.e- → 4.(OH)-

e) Bildung eines Rostringes:

Fe2+ + 2.(OH)- → Fe(OH)2

C.6.2.3 Geschwindigkeit des Korrosionsablaufs

Die Geschwindigkeit des Korrosionsablaufes hängt nicht nur ab von der Ge-schwindigkeit der Metallauflösung an der Anode, sondern auch von der Geschwin-digkeit der Kathodenreaktion:

2.H+ + 2.e- → H2

oder 2.H2O + O2 + 4.e- → 4.(OH)-

Die Geschwindigkeit der Kathodenreaktion ist von der Konzentration an H-Ionen oder an Sauerstoff im Elektrolyten abhängig. Die H+-Ionen-Konzentration wird durch den pH-Wert beschrieben, der den negativen Logarithmus der H-Ionen-Konzentration angibt: Neutrale Lösung: pH = 7 Saure Lösung: pH < 7 Basische Lösung: pH > 7 In einem sauren Elektrolyten ist die Wasserstoffionenkonzentration hoch, so dass nur die Wasserstoffkorrosion von Bedeutung ist. Die Reaktion verläuft um so schneller, je niedriger der pH-Wert ist.

In neutralen oder basischen Lösungen ist die Wasserstoffionenkonzentration ge-ring, so dass Sauerstoffkorrosion überwiegt, wobei die Geschwindigkeit des Korro-sionsvorganges von der Konzentration von O2 abhängt.

- 125 -

Je nach pH-Wert des Elektrolyten kann sich an der Metalloberfläche eine Passiv-schicht ausbilden, die, wenn sie porenfrei und dicht ist, die Auflösung des Metalls in Ionen und damit Korrosion verhindert. Beim Eisen führt folgende Reaktion zur Bildung einer Passivschicht:

2Fe2+ + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 2e-

Im Pourbaix-Diagramm können die Bedingungen abgegrenzt werden, unter denen für ein gegebenes Metall in einer wässrigen Lösung Korrosion, Korrosionsbestän-digkeit oder Passivierung zu erwarten sind. In diesem Diagramm wird das Elektro-denpotential E in Abhängigkeit vom pH-Wert aufgetragen.

-1,6 0

-1,2

-0,8

-0,4

+/- 0

+0,4

+0,8

+1,2

IV Korrosion FeO(OH)

14121086 4 2

II Passivierung

Fe2O3

III Korrosionsbeständigkeit

(Fe)

I Korrosion

(Fe2+)

Elektrodenpotential E in Volt

pH-Wert der Lösung

Vereinfachtes Pourbaix-Diagramm bei 25°C für Eisen in wässriger Lösung

Bereich I: Aktive Korrosion unter Bildung von Fe2+-Ionen

Bereich II: Passivierung durch Bildung einer Passivschicht aus Eisenoxid Fe2O3

Bereich III: Korrosionsbeständigkeit (kathodischer Schutz)

Bereich IV: Korrosion unter Bildung von FeO(OH) (bei Raumtemperatur verläuft dieser Vorgang sehr langsam)

C.6.2.4 Entstehung von Lokalelementen

Lokalelemente sind Voraussetzung zum Auftreten elektrolytischer Korrosion. Sie können unter folgenden Bedingungen entstehen:

a) Wenn Elemente mit unterschiedlichem Potential in Kontakt stehen (Kontakt-korrosion). Dabei löst sich der an die Kathode angrenzende Bereich der A-node am schnellsten auf, so dass die Ausbildung einer Kerbe möglich ist.

b) Bei Legierungen, die aus Phasen mit unterschiedlichem Potential bestehen oder bei denen durch Kristallfehler oder Konzentrationsunterschiede der Le-gierungselemente örtliche Energieunterschiede vorliegen.

c) Als Folge einer unterschiedlichen Sauerstoffkonzentration in verschiedenen Bereichen einer Metalloberfläche, z. B. Wassertropfenkorrosion (siehe Ab-schnitt C.6.2.2.2, Spaltkorrosion)

d) Örtliche Zerstörung oder Fehlstellen in einer korrosionsschützenden Deck-schicht (Lochfraß).

e) Zerstörung der Passivschicht durch Chloride, Bromide oder Jodide.

- 126 -

Mit atmosphärischer Korrosion bezeichnet man Korrosionserscheinungen, die bei Lagerung von Metallen im Freien bei normaler Temperatur auftreten können. Bei Luftfeuchtigkeiten oberhalb 60 bis 70 % wird ein Elektrolyt gebildet durch

a) eine adsorbierte Wasserschicht ausreichender Dicke,

b) Kondensation von Wasser an Metalloberflächen, die kälter als die Umge-bungstemperatur sind (Taubildung). Der Taupunkt kann durch Verunreini-gungen der Luft oder der Metalloberfläche erhöht werden.

C.6.2.5 Spannungsrisskorrosion

Dies ist eine inter- oder transkristalline Rissbildung in metallischen Werkstoffen bei gleichzeitiger Einwirkung einer Zugspannung und eines korrodierenden Mediums. Die Gefahr dieser Korrosionsart liegt darin, dass ohne deutlich sichtbare Schädi-gung und Verformung ein Sprödbruch eintreten kann. Spannungsrisskorrosion setzt voraus, dass

- der Werkstoff gegen die Beanspruchung empfindlich ist - ein Korrosionsmittel vorliegt - Zugspannungen einwirken.

Korrosionsmittel sind z. B. Nitrate oder Chloride, welche die Passivschicht der Metalloberfläche örtlich zerstören. Es entstehen ein Lokalelement und örtliche Korrosion, welche Ausgangspunkt eines sich unter Zugspannungen fortpflanzen-den Risses sein kann.

C.6.2.6 Wasserstoffversprödung

Die Wasserstoffversprödung ist die Folge einer kathodischen Reaktion. Bei der Wasserstoffkorrosion tritt an der Kathode folgende Reaktion auf:

2.H+ + 2.e- → H2

Die Bildung des molekularen Wasserstoffes kann aber durch sog. Katalysatorgifte, z. B. Sulfide und Cyanide, unterbunden werden. Dann können die sehr kleinen H-Atome in das Kristallgitter des Metalls eindringen und sich dort zu H2-Molekülen verbinden. Dadurch entstehen hohe Gasdrücke und eine Verzerrung des Gitter-systems.

Folge: Steht der Werkstoff unter Zugspannungen, kann ein Sprödbruch ohne Vorwarnung eintreten.

C.6.3 Korrosionsschutz C.6.3.1 Korrosionsfördernde Bedingungen

Korrosion tritt vor allen Dingen bei der Erfüllung aller oder mehrerer der im folgen-den genannten Bedingungen ein:

- korrosionsanfälliger Werkstoff (hohe Tendenz zu Ionenbildung) - Vorhandensein eines Elektrolyten - korrosionsfördernde Eigenschaften des Elektrolyten: Niedriger pH-Wert Ungleicher Sauerstoffgehalt im Elektrolyten Anwesenheit korrosionsfördernder Substanzen - Bildung eines Lokalelementes in einem Elektrolyten - anodische Polarisierung: Erhöhte Metallauflösung kathodische Polarisierung: Gefahr der Wasserstoffversprödung

Aufgabe des Korrosionsschutzes ist es, diese Bedingungen zu vermeiden oder ihre Wirkung zu verringern. Grundsätzlich baut der Korrosionsschutz auf einem oder mehreren der folgenden Verfahren auf:

Verhinderung der Lokalelementbildung z. B. durch Vermeidung des Kontaktes zwischen ungleichen Metallen; Ausbildung oder Schutz einer Passivschicht;

Behinderung der O2-Zufuhr oder des Eindringens korrodierender Medien.

- 127 -

C.6.3.2 Konstruktive Maßnahmen

- Vermeidung von Wassersäcken - geneigte und glatte Flächen, die möglichst trocken und staubfrei bleiben - Vermeiden von Schwitzwasserbildung durch Isolierung - Belüften von Spalten - Isolierung zwischen verschiedenen Metallen, die sich sonst berühren

C.6.3.3 Passivierung

Vor allem bei höheren pH-Werten kann sich an der Oberfläche eines Metalles beim Vorhandensein von Sauerstoff eine Oxidschicht bilden, die das Metall vor dem Angriff des korrodierenden Mediums schützt, (siehe C.6.2.3). Voraussetzung hierfür ist ein ausreichend hoher pH-Wert.

Diese Bedingung ist z. B. für einen im Beton eingebetteten Stahl gegeben. Das im Beton enthaltene Porenwasser ist alkalisch und hat eine pH-Wert von 12,6. Nach dem Pourbaix-Diagramm (C.6.2.3) sind dann die Bedingungen zur Stahlpassivie-rung gegeben. Der Korrosionsschutz liegt jedoch nicht mehr vor, wenn der pH-Wert des Betons abfällt oder die Passivität des Stahles auf andere Weise beein-flusst wird. Hierzu einige Beispiele:

- Große Fehlstellen im Beton, die sich mit Wasser mit niederem pH-Wert fül-len können

- Karbonatisierung des Betons: Dringt aus der Luft Kohlendioxid in den Beton ein, so kann es mit Hydratationsprodukten des Zementsteins z. B. wie folgt reagieren:

Ca(OH)2 + CO2 →CaCO3 + H2O

Dieser Vorgang bewirkt eine wesentliche Reduktion des pH-Wertes des Po-renwassers.

- In der Nähe von Rissen kann der eingebettete Stahl der freien, u.U. sauren Atmosphäre ausgesetzt sein

- Unter bestimmten Bedingungen im Beton enthaltene Chloride oder Nitrate zerstören die Passivschicht

- Bestimmte Zemente führen zur Entstehung von Sulfiden, welche als Kataly-satorgifte die Bildung molekularen Wasserstoffes verhindern.

Die schützende Wirkung des Betons gegenüber eingebettetem Stahl kann wie folgt gesichert werden:

- ausreichende Betonüberdeckung

- Herstellung eines dichten Betons, der das Eindringen von CO2 und anderer korrodierender Medien klein hält

- Kontrolle der im Gebrauchszustand zulässigen Rissbreiten

- Vermeidung von Komponenten im Beton, welche Chloride oder Nitrate ent-halten oder welche zur Bildung von Sulfiden führen.

C.6.3.4 Werkstoffauswahl

C.6.3.4.1 Stähle

Die Widerstandsfähigkeit von Stählen gegen Korrosion sinkt mit steigendem Ge-halt an Schwefel und zunehmender Kaltverformung. Sie hängt auch von der Art des Vergütens ab.

Durch Legierungszugaben (Cu; Si; Cr; Ni; Mo) kann der Korrosionswiderstand erhöht werden. Bei Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdänstählen bildet sich

- 128 -

eine Passivschicht durch das Chrom (Cr-Gehalt > 12 %). Voraussetzung für einen wirksamen Korrosionsschutz ist eine glatte und entzunderte Oberfläche.

Bezeichnung Kurzbe- Legierungselemente in M.-% Verwendung βS βZ Bruch- DIN 17006 zeichnung C Cr Ni Mo N/mm² N/mm² dehnung

%

x8 Cr 17 rostfrei 17 0,10 15,5-17,5 - - innen 300 500 20 x12 CrNi 18/8 rostfrei 18/8 0,12 17-19 8-10 - innen und aus- 220 600 x5 CrNi 18/9 rostfrei 18/9 0,07 19 9-11 - sen, normale

Atmosphäre 200 600

x5 CrNiMo 18/10 rostfrei 18/10/2

0,07 16,5-20,5 10,5-12,5 2-2,5 außen, Industrie-atmosphäre

200 600

C.6.3.4.2 Aluminium

Mit steigendem Reinheitsgrad nimmt der Korrosionswiderstand von Aluminium zu. In normaler Atmosphäre bildet sich eine Passivschicht aus Aluminiumoxid, die in stark sauren oder alkalischen Medien (z. B. Beton) zerstört wird.

C.6.3.5 Inhibitoren

Dies sind Substanzen, die dem Elektrolyt als Flüssigkeit oder Gas zugesetzt wer-den und somit den Korrosionsvorgang verhindern oder hemmen.

Physikalische Inhibitoren werden an der Oberfläche des Metalls adsorbiert und schützen sie auf diese Weise.

Chemische Inhibitoren reagieren mit oder verändern die Metalloberfläche, wobei das Reaktionsprodukt korrosionsschützend ist.

Beispiele im Bauwesen:

- Beton als Inhibitor - Schutz von Spannstählen im Spannkanal (z. B. VPI-Pulver)

C.6.3.6 Elektrochemische Verfahren

Korrosion und Korrosionsgeschwindigkeit hängen vom elektrischen Potential bei der Ionenauflösung des Metalles ab. Durch Anlegen einer zusätzlichen elektri-schen Spannung können die Potentiale so beeinflusst werden, dass die anodische Korrosion gering ist. Dies geschieht entweder durch Erhöhung des elektrischen Potentials, so dass eine Passivierung der Oberfläche möglich ist (Anodenschutz), oder durch Anlegen eines negativen Potentials, so dass das zu schützende Metall zur Kathode wird (Kathodenschutz).

Kathodenschutz kann erreicht werden entweder:

- durch eine elektrisch leitfähige Verbindung des zu schützenden Metalls mit einem weniger edlen Metall oder

- durch Anlegen einer Fremdspannung, die das zu schützende Metall zur Ka-thode macht.

C.6.3.7 Fremdmetallüberzüge

Darunter versteht man das Überziehen eines Metalls mit einem weniger oder nicht korrosionsanfälligen Werkstoff. Voraussetzung für die Wirksamkeit von Fremdme-tallüberzügen ist, dass sie porenlos und unverletzt sind, falls der Überzug edler als das zu schützende Metall ist, z. B. Nickel auf Eisen. Ist der Überzug unedler, so heilt die Überzugsschicht bei Verletzungen aus, z. B. Zink auf Eisen.

C.6.3.8 Anstriche

Die älteste Art des Korrosionsschutzes besteht darin, Metalle mit einem diffusions-dichten, beständigen Überzug zu versehen, der auch zu einer Oberflächenpassi-vierung führen kann.

- 129 -

Beispiele: Bleimennige (Pb3O4) Zinkchromat- und Chlorkautschukanstriche.

Bedingungen für die dauerhafte Wirksamkeit von Anstrichen sind: Diffusionsdichte; Verformbarkeit auch über lange Dauer; Stabilität bei erhöhten Temperaturen; dau-erhafte Haftung mit dem metallischen Untergrund.

C.6.3.9 Kunststoffüberzüge

Kunststoffüberzüge können auf Metalloberflächen im Tauchverfahren aufgebracht werden. Ähnlich wie Anstriche bilden sie keinen elektrochemischen Schutz. Ihre Wirksamkeit hängt daher von der völligen Dichtigkeit ab. Sie müssen die für Anstri-che genannten Bedingungen erfüllen.

C.7 VERBINDUNGSMITTEL

In vielen Fällen bestehen Baukonstruktionen aus Einzelteilen, die durch Verbin-dungsmittel zusammengefügt werden müssen (Fügetechnik). Die charakteristi-schen Eigenschaften der Verbindungsmittel müssen schon beim Entwurf der Kon-struktion berücksichtigt werden und können das Tragverhalten des Bauwerks we-sentlich beeinflussen.

C.7.1 Verbindungsarten

a) Mechanische Verbindungen:

Nieten, Schrauben, Bolzen, Nägel (siehe Vorlesungen des konstruktiven In-genieurbaus)

b) Chemisch-physikalische Verbindungen:

Schweißen, Löten, Leimen, Kleben; Erzeugen atomarer oder molekularer Bindungen zwischen den zu verbindenden Flächen.

Schweißen: Verbindung zweier Metalloberflächen durch Anschmelzen der Ober-flächen oder durch Diffusionsprozesse mit oder ohne Verwendung eines Zusatzwerkstoffes.

Löten: Verbindung zweier Metalloberflächen mit Hilfe eines anderen Metal-les, dessen Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt der zu verbindenden Werkstoffe ist. Dadurch entsteht eine mechanische Verklammerung der Lötflächen bzw. molekulare Bindungen.

Leimen und Kleben:

Verbindung zweier Oberflächen mit Hilfe einer artfremden Zwischen-schicht. Im Normalfall entstehen an den Oberflächen molekulare Bindungen (Adhäsion).

C.7.2 Chemisch-physikalische Grundlagen

C.7.2.1 Verbindung ohne Verwendung eines Zusatzstoffes

Werden zwei Oberflächen in engen Kontakt gebracht, so haben sie das Bestreben, sich zu vereinigen und die Gesamtoberfläche zu reduzieren, wenn dadurch die potentielle Energie des Gesamtsystems reduziert wird. Selbst bei hochpolierten Oberflächen ist die Kontaktfläche zwischen zwei planen Scheiben aber nur gering,

- 130 -

so dass die molekularen Anziehungskräfte zwischen den Oberflächen sehr klein sind.

Eine Vereinigung der Oberflächen im festen Zustand setzt Diffusionsvorgänge an den Oberflächen voraus, die bei Raumtemperatur meist unendlich langsam ablau-fen. Durch hohen Anpressdruck (Pressschweißen) kann die Kontaktfläche erhöht werden, durch eine Temperaturerhöhung wird der Diffusionsvorgang wesentlich beschleunigt. Bei einer Erwärmung bis zum Schmelzpunkt (Schmelzschweißen) ist die Beweglichkeit der Atome optimal, was zu einer schnellen Verbindung beider Oberflächen führt.

C.7.2.2 Verbindungen bei Verwendung eines Zusatzwerkstoffes mit hohem Schmelzpunkt

Zwei Werkstücke können dadurch miteinander verbunden werden, dass eine Zwi-schenschicht aus einem Werkstoff gebildet wird, dessen Schmelzpunkt etwa dem Schmelzpunkt der zu fügenden Werkstücke entspricht. Durch Anschmelzen der Oberflächen der Werkstücke entsteht eine hochfeste Verbindung (metallische Bin-dungen). Voraussetzung ist die Verträglichkeit (Mischbarkeit) von Grundmetall und Zusatzstoff.

C.7.2.3 Verbindungen bei Verwendung eines Zusatzwerkstoffes mit niede-rem Schmelzpunkt

C.7.2.3.1 Löten

Zwei metallische Werkstücke können dadurch miteinander verbunden werden, dass eine Zwischenschicht gebildet wird, deren Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt der zu verbindenden Werkstoffe ist. Zwischen den Oberflächen und dem Zusatzwerkstoff entwickeln sich molekulare und in begrenztem Umfang me-tallische Bindungen.

Weichlöten: T ≤ 450°C

Hartlöten: T > 450°C

C.7.2.3.2 Leimen und Kleben

Hier wird ein meist artfremder Zusatzwerkstoff verwendet, der bei Normaltempera-tur durch Entweichen eines Lösungsmittels oder durch einen chemischen Härte-vorgang erstarrt, wobei die Erhärtung durch Temperaturerhöhung beschleunigt werden kann.

Die Verbindung kommt meist durch Adhäsion zustande (molekulare Anziehungs-kräfte, van der Waals Kräfte).

Voraussetzungen für die Erzeugung einer guten Verbindung sind:

- Erniedrigung der potentiellen Energie des Gesamtsystems aus Werkstück und Kleber

- gleichmäßiger Auftrag des flüssigen Klebers (Erhöhung der Kontaktfläche)

- hohe Adhäsion zwischen der Oberfläche des Werkstücks und des erhärte-ten Klebers

- verträgliche Polarität von Werkstückoberfläche und Kleber

- möglichst niedere Viskosität (hohe Fließzähigkeit) des flüssigen Klebers

- ausreichende Festigkeit (Kohäsion) des erhärteten Klebers

- geringe Schwind- oder Temperaturspannungen, die beim Erhärten des Kle-bers entstehen können

- 131 -

γSV

γLV

γSL

φ

A

φ = 0° φ = 90° φ = 180°

- Verträglichkeit der Verformungseigenschaften des Werkstückes und des Klebers

- möglichst dünne Klebefugen.

Die Erfüllung der ersten drei Bedingungen hängt von der Benetzbarkeit der Ober-fläche durch den Kleber ab. Sie kann durch Bearbeitung (Reinigung) der Oberflä-che beeinflusst werden.

C.7.2.3.3 Benetzbarkeit von Oberflächen und Adhäsionsenergie

Die in der Nähe einer Oberfläche angeordneten Atome sind nicht im Zustand mi-nimal potentieller Energie. Zur Erzeugung von Oberflächen ist daher Energie not-wendig, d. h. Oberflächen sind Energieträger (Oberflächenenergie und Oberflä-chenspannung γ, siehe B.2.8.2).

Die Größe der Oberflächenenergie hängt vom Medium ab, das der Oberfläche benachbart ist.

γSL: Oberflächenspannung am Übergang Feststoff (S) zu Flüssigkeit (L) γLV: Oberflächenspannung am Übergang Flüssigkeit (L) zu Gas bzw. Luft (V) γSV: Oberflächenspannung am Übergang Feststoff (S) zu Gas (V)

Wird auf eine Oberfläche ein Tropfen einer Flüssigkeit aufgebracht, so wirken in diesem Element Oberflächenspannungen.

Gleichgewicht zum Punkt A: γSV = γSL + cosφ.γLV

φ = 0: vollständige Benetzung, wenn γSL = γSV - γLV

φ = 90°: γSL = γSV

φ = 180°: keine Benetzung, wenn γSL = γSV + γLV

Eine spontane Benetzung der Oberfläche tritt nur ein, wenn φ < 90°.

Die Adhäsionsenergie W ist die Energie, die zum Trennen zweier Oberflächen aufgebracht werden muss. Sie gibt die Reduktion der freien Oberflächenenergie an, die bei der Vereinigung der Oberfläche mit der Flüssigkeit eintritt. Sie steht mit den Oberflächenenergien der betrachteten Grenzflächen in direktem Zusammen-hang und entspricht der Differenz der Oberflächenenergien der Grenzflächen vor und nach dem Trennen. Für die Grenzfläche Feststoff - Flüssigkeit gilt:

W = γSV + γLV - γSL = γSV + γLV - γSV + cosφ.γLV

nach vor Trennung

W = γLV.(1 + cosφ)

FESTSTOFF (S) FESTSTOFF (S) FLÜSSIGKEIT (L)

FLÜSSIGKEIT (L) GAS (V) GAS (V)

- 132 -

Die Adhäsionsenergie (= Verringerung der freien Oberflächenenergie) erreicht einen Größtwert für φ = 0 (vollständige Benetzung) und wird zu Null für φ = 180° (keine Benetzung).

Benetzbarkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für das Erzielen einer guten Klebe- oder Lötverbindung. Sie kann durch Anrauhen der Oberfläche, Entfernung dünner Fett- oder Staubfilme etc. der Oberfläche verbessert werden.

C.7.3 Klebeverbindungen

Sie finden Anwendung im Holzbau (verleimte Konstruktionen), im Metallbau, für Konstruktionen aus Kunststoffen und in beschränktem Umfang im Beton- und Stahlbetonbau.

C.7.3.1 Klebstoffe

Im erhärteten Zustand bestehen Kleber aus vernetzten oder nicht vernetzten hochpolymeren Verbindungen (natürliche Stoffe oder Kunststoffe), siehe Baustoff-technologie II. Die Erhärtung erfolgt durch Entweichen eines Lösungsmittels oder durch eine chemische Reaktion zwischen verschiedenen Komponenten des Kle-bers.

Übersicht über die gebräuchlichsten natürlichen und synthetischen Klebstoffe

Physikalisch bindend (hochpolymer) Chemisch bindend (härtend; niederpolymer)

Natürliche Rohstoffe Bsp. Synthetische Rohstoffe Bsp.

Proteine: Glutin Kasein Sojaprotein Blutalbumin

Polyvinylacetat Polyvinyläther Polyacrylat Polyäthylen Polystyrol Synthetische Kautschuke

Harnstoff-Formaldehydharze

Melamin-Formaldehydharz

Phenol-Formaldehydharz

Aminoplaste

Phenoplaste

Stärke: Epoxydharze

Stärke Dextrin Celluloseäther Naturkautschuk

Polyurethane

Neben den Holzleimen sind die wichtigsten, im Bauwesen verwendeten Kleber die Phenol- und Epoxydharze (siehe Baustofftechnologie II).

C.7.3.2 Einflüsse auf die Festigkeit einer Verbindung

• Konstruktive Durchbildung

- 133 -

a) b) c) d) e) f) Verbindungsformen

Die Festigkeit eines Klebers ist meist geringer als die der zu verbindenden Werkstücke (max. Zugfestigkeit ca. 100 N/mm2). Diesem Nachteil kann man durch Vergrößerung der Klebeflächen entgegenwirken. Daher sind Überlappungs- oder Schäftungsstöße einem Stumpfstoß vorzuziehen. a) Stumpfstoß, b) Winkelstoß, c) Überlappung einschnittig, d) Überlappung zweischichtig, e) Schäftung, f) Doppellasche

• Oberflächenvorbehandlung der Klebeflächen

Die Entfernung von Oberflächenverunreinigungen z. B. Fette, Oxid- und Zunder-schicht sowie das Aufrauhen der Klebeflächen verbessern Benetzbarkeit und Ad-häsion. Bei vielen Klebern ist ferner auf eine trockene Oberfläche zu achten.

• Anforderungen an die Klebeeigenschaften

- Gute Adhäsion

- geringes Schwinden bzw. Schrumpfen beim Erhärten

- keine oder geringe Alterung

- der E-Modul der Kleber soll kleiner als der E-Modul der Werkstücke sein

C.7.4 Schweißverbindungen

C.7.4.1 Allgemeines

Bei den Schweißverfahren wird unterschieden zwischen:

a) Pressschweißverfahren, bei denen die Verbindung hauptsächlich durch An-wendung eines äußeren Druckes mit oder ohne gleichzeitiger Erwärmung erzeugt wird und

b) Schmelzschweißverfahren, bei denen die Verbindung der Oberflächen durch Wärmezufuhr und Anschmelzen der zu verbindenden Oberflächen entsteht.

Als Folge der Erwärmung bis nahe oder über den Schmelzpunkt der zu verbinden-den Teile können erhebliche Gefüge- und Eigenschaftsänderungen des Werkstof-fes eintreten. Die Schweißbarkeit von Metallen richtet sich daher nach ihrer Struk-tur, Herstellungsart und dem jeweils angewandten Schweißverfahren (siehe C.7.4.3).

C.7.4.2 Technische Schweißverfahren

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick der verschiedenen Schweißverfahren. In dieser Tabelle sind die für das Bauingenieurwesen wichtigen Verfahren hervorgehoben.

- 134 -

Schmelz-schweißen

Preß-schweißen

Elektronenstrahl-schweißen

Plasmaschweißen

Lichtbogen-schweißen

Metall-schweißen

Widerstands-schmelzschweißen

Gasschweißen

Gießschmelz-schweißen

Metallschutzgas-schweißen

Wolframschutzgas-schweißen

Unterpulverschweißen

Unterschieneschweißen

Metall-lichtbogenschweißen

Kohle-lichtbogenschweißen

Schutzgaslicht-bogenschweißen

verdecktes Licht-bogenschweißen

offenes Licht-bogenschweißen

Kammerschweißen

Unterschlacke-schweißen

aluminothermisches Schweißen

Gießschweißen

Widerstands-überlapp-schweißen

Widerstands-stumpf-schweißen

Lichtbogen-preßschweißen

Widerstands-schweißen

Gaspreßschweißen

Feuerschweißen

Kaltpreßschweißen Schockschweißen

Überlapp-naht-schweißen

Buckel-schweißen

Punkt-schweißen

Preßnaht-schweißen

Abbrenn-schweißen

Wulst-schweißen

Vielpunkt-schweißen

Doppelpunkt-schweißen

Einzelpunkt-schweißen

Foliennaht-schweißen

Rollennaht-schweißen

induktive Stromübertragung

konduktive Stromübertragung

Die Schweißverfahren sind in DIN 1910, Teil 1-12, "Schweißen" geregelt. Es wird unterschieden zwischen:

Pressschweißen: Schweißen unter Anwendung von Druck ohne oder mit Schweißzusatz; örtlich begrenztes Erwärmen der zu verbin-denden Teile ermöglicht oder erleichtert das Schweißen (DIN 1910, Teile 2, 3 und 5)

Schmelzschweißen: Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne An-wendung von Druck mit oder ohne Schweißzusatz (DIN 1910, Teile 2, 4 und 5).

C.7.4.3 Folgeerscheinungen des Schweißens

Schweißen stellt eine örtlich begrenzte Wärmebehandlung dar, die zu einer Ände-rung der Mikrostruktur und je nach Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit zu einer Härtung oder zu einer Erweichung des Werkstückes führen kann. Besonders bei zu schneller Abkühlung eines Stahles mit ausreichend hohem C-Gehalt kann unerwünschte Härtung (Martensitbildung) oder Reckalterung eintreten.

Härtungsgefüge können vermieden werden durch

a) Wärmebehandlung nach dem Schweißen z. B. Spannungsarmglühen oder Nachvergüten

b) Isothermes Schweißen: Vorwärmen des Schweißgutes auf Temperaturen oberhalb der MS-Temperatur. Nach dem Schweißen Konstanthalten dieser Temperaturen bis zur Umwandlung in ein Zwischenstufengefüge oder Perlit.

- 135 -

Durch die örtliche, also ungleichmäßige Erwärmung des Werkstückes beim Schweißen können Wärmespannungen entstehen, die z. B. eine Verwölbung und Verzerrung, aber auch ein Anreißen des geschweißten Metalls zur Folge haben können.

Schweißnähte können je nach Ausbildung plötzliche Querschnittsveränderungen, d. h. Kerben, darstellen, an denen vor allem in Gegenwart von Fehlstellen, unge-nügender Füllung der Schweißnaht und Versprödung des Werkstückes durch den Schweißvorgang die Gefahr eines Sprödbruches erhöht wird. Bei der Auswahl der zu schweißenden Stellen und des Schweißverfahrens sind diese Gesichtspunkte in Abhängigkeit von dem zu schweißenden Werkstück zu berücksichtigen.

C.7.4.4 Die Schweißbarkeit von Stählen

Stähle sind zum Schweißen geeignet, wenn die örtliche Erwärmung nicht die Struktur und die Eigenschaften, die durch eine vorhergegangene Behandlung er-zeugt wurden, wieder rückgängig macht. Ferner ist es notwendig, dass der Stahl schnell abgekühlt werden kann, ohne dass dabei Gefügebildungen eintreten, die eine wesentliche Beeinträchtigung der ursprünglichen Eigenschaften des Stahles bedingen.

Die Schweißeignung eines Stahles richtet sich daher nach der Art seiner Vorbe-handlung sowie nach seiner chemischen Zusammensetzung, insbesondere dem Gehalt an Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und an Legierungselementen. Stähle sind vor allen Dingen dann zum Schweißen geeignet, wenn sie einen geringen Kohlenstoffgehalt und einen geringen Anteil an Stahlbegleitern (Schwefel, Stick-stoff) haben.

Die Schweißbarkeit der Baustähle ist u.a. in DIN 8528, Blatt 2, geregelt: "Schweiß-barkeit, Schweißeignung der allgemeinen Baustähle zum Schmelzschweißen". Demnach sind insbesondere die Stähle S235JO/J2G2 (St37-3); S275JO/J2G3 (St44-3) und S355JO/J2G3 (St52-3) zum Schweißen geeignet.

Für die Schweißbarkeit der Betonstähle gilt DIN 488, Teil 7: "Betonstahl; Nachweis der Schweißeignung von Betonstabstahl; Durchführung und Bewertung der Prü-fung". Die in Abschnitt C.1.1 aufgeführten Betonstähle BSt 420 S, BSt 500 S und BSt 500 M sind schweißgeeignet.

- 136 -

D Beton

D.1 Grundbegriffe Beton ist ein Zweiphasensystem mit den beiden Hauptkomponenten

• Zementstein (Matrix) - ca. 30 Vol.-%

• Betonzuschlag (Füller) - ca. 70 Vol.-%

Der Zementstein entsteht durch Reaktion (Hydratation) des Bindemittels (Zement) mit Wasser. Der Betonzuschlag ist ein Füllstoff aus natürlichen Gesteinen oder künstlichen Stoffen, die zu Körnern verschiedener Größe aufbereitet sind. Seit 2001 wird in den entsprechenden Normen und Richtlinien anstelle des Begriffs "Zuschlag" die Bezeichnung Gesteinskörnungen verwendet.

Beton unterscheidet sich von anderen Baustoffen dadurch, dass er vom Ingenieur selbst hergestellt werden kann, und dass seine Eigenschaften je nach

• Eigenschaften der Ausgangsstoffe

• Mischungsverhältnis

• Nachbehandlung

in weiten Grenzen beeinflusst werden können. Der Beton wird zunächst als Frisch-beton durch Mischen der Komponenten hergestellt und zur Einbaustelle transpor-tiert. Der Frischbeton muss eine ausreichende Verarbeitbarkeit besitzen und wird dann in vorgefertigte Formen eingebracht und optimal verdichtet. Durch die langsame Reaktion von Wasser und Zement (Hydratation) entsteht der erhärtete Beton oder Festbeton. Die Erhärtung kann sich über Monate erstrecken. Der fri-sche und junge Beton erfordert eine sorgfältige und ausreichende Nachbehand-lung.

Zur Betonherstellung werden folgende Komponenten benötigt:

• Zement als Bindemittel

• Wasser

• Betonzuschlag (feine und grobe Gesteinskörnungen)

Darüber hinaus können die Eigenschaften des Frischbetons und des erhärteten Betons durch Zugabe von

• Betonzusatzmitteln und

• Betonzusatzstoffen

weiter optimiert werden.

Größenordnungen charakteristischer Eigenschaften erhärteten Betons

Druckfestigkeit: 10 – 150 N/mm2

Zugfestigkeit: 1 - 10 N/mm2

Rohdichte: 1,0 - 3,0 kg/dm3

Elastizitätsmodul: 10000 - 50000 N/mm2

Verformungsverhalten:

• spröde bei Zugbelastung

• beschränkte Duktilität bei Druckbelastung

Beton ist widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse und damit dauerhaft. Er kann jedoch durch Frosteinwirkung oder chemische Angriffe geschädigt und zerstört werden. Beton ist nicht brennbar und bei besonderen Vorkehrungen auch bei Tem-peraturen bis ca. 250°C gebrauchsfähig.

- 137 -

Die Festigkeit des Betons wird vor allem vom Gewichtsverhältnis Was-ser : Zement (Wasserzementwert oder ω-Wert) beeinflusst. Je höher der Wasserzementwert, desto ge-ringer ist die Festigkeit des Betons.

Um eine ausreichende Verarbeit-barkeit des Frischbetons sicherzu-stellen, muss dem Beton mehr Was-ser zugegeben werden, als zur Hydratation des Zementes erforder-lich wäre. Ein geringer Wassergehalt (niedriger Wasserzementwert) führt zwar zu einer hohen Festigkeit, re-duziert jedoch wegen des geringen Wassergehalts die Verarbeitbarkeit des Frischbetons.

Abbildung D.1.1: Betondruckfestigkeit βW28 in Abhängigkeit vom Wasserzement-wert (für Zement CEM I 42,5 N)

Anwendungsgebiete

Wegen seiner relativ hohen Druckfestigkeit kann Beton für Bauteile, die auf Druck beansprucht sind, gut und wirtschaftlich eingesetzt werden. Andererseits ist Beton wegen seiner geringen Zugfestigkeit für Bauteile, die auf Biegung oder Zug bean-sprucht werden, nur beschränkt verwendbar. Durch Verbindung mit Stahl zu Stahl-beton- oder Spannbetonkonstruktionen wird er jedoch zu einem universellen Bau-stoff.

Grundprinzip des Stahlbetons

Stahlbeton ist ein Verbundwerkstoff, in dem biege- und zugbeanspruchte Quer-schnitte mit Stahlstäben bewehrt sind. In jenen Zonen, in denen Zugspannungen auftreten, wird eine Stahlbewehrung angeordnet, die nach dem Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons die Zugspannungen aufnimmt.

Voraussetzung für die Verbundwirkung und damit für die Anwendbarkeit des Stahl-betons sind folgende Eigenschaften der Baustoffe Beton und Stahl:

1. Ausreichend hohe Druckfestigkeit des Betons in Verbindung mit der hohen Zugfestigkeit und Duktilität des Stahles

2. Ausreichende Haftung zwischen Beton und Stahl zur Erzielung einer Ver- bundwirkung

3. Korrosionsschutz des Stahles durch den umgebenden Beton

4. Annähernd gleiche Wärmedehnung von Beton und Stahl

Wegen der geringen Duktilität des Betons wird im Stahlbeton häufig die Menge an Stahleinlagen so bemessen, dass beim Erreichen der Bruchlast des Verbundquer-schnittes die Streckgrenze des Stahles überschritten wird und so die gesamte Konstruktion duktile Eigenschaften hat.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 20

30

40

50

60

Betondruckfestigkeit βW28 im Alter von 28 Tagen [N/mm²]

Wasserzementwert

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D.2 Geschichtliche Entwicklung des Betons Die Festigkeit des Betons hängt im Wesentlichen von der Festigkeit und der Art des verwendeten Bindemittels (Zement) ab. Die geschichtliche Entwicklung des Betons ist daher eng mit der Entwicklung der Bindemittel verbunden.

ca. 3000 v. Chr. In Mesopotamien erste Entwicklung von nicht hydraulischen Bindemitteln und Mörteln (Weißkalkmörtel) zur Errichtung von Mauerwerk.

ca. 2500 v. Chr. In Ägypten Verwendung von Gipsmörteln beim Pyramidenbau. ca. 1000 v. Chr. Die Phönizier erzeugen wasserfeste Mörtel durch Beimengun-

gen von gemahlenen Ziegeln zu Kalkmörtel (Puzzolankalke). ca. 200 v. Chr. Verwendung von Gussmauerwerk durch die Römer als Vorläu-

fer des Betons (Opus Caementitium). ca. 100 v. Chr. Entwicklung von hydraulischen Bindemitteln durch Mischen von

Weißkalk mit verschiedenen Puzzolanen (z.B. Ziegelmehl oder natürliche Stoffe vorwiegend vulkanischen Ursprungs, z.B. von Puzzoli am Golf von Neapel).

Mittelalter Weiterentwicklung der Erkenntnis, dass beim Brennen von Kalkstein zusammen mit Tonen oder Steinen vulkanischen Ur-sprungs Bindemittel mit hydraulischen Eigenschaften herge-stellt werden können.

1759 JOHN SMEATON errichtet das EDDYSTONE LIGHTHOUSE im Hafen von Plymouth und führt erste wissenschaftliche Untersuchun-gen über die Voraussetzungen zur Herstellung hydraulischer Zemente durch. Die wesentlichen Bestandteile sind: Kalk, Sili-kate und Ton (Aluminate).

1796 JAMES PARKER erhält ein Patent für den ‘römischen Zement’, der durch Brennen eines tonhaltigen Kalksteines gewonnen wird.

1824 JOSEPH ASPDIN erhält ein Patent für den ‘Portlandzement’. Sein Herstellungsprozess ähnelt dem Verfahren von PARKER. Die verwendeten Rohmaterialien stammen von der Insel Portland zwischen Plymouth und Southampton. Wahrscheinlich verwen-dete er eine höhere Brenntemperatur als PARKER.

1845 ISAAC JOHNSON erhält ein Patent unter dem Hinweis auf die Be-deutung einer hohen Brenntemperatur.

1854 WILLIAM WILKINSON (England) erhält ein Patent für die Stahlbe-wehrung in Biegegliedern aus Beton.

1855 Errichtung des ersten deutschen Portlandzementwerkes bei Stettin.

1855 JOSEPH LAMBOT (Frankreich) erhält ein Patent für die Herstel-lung von Booten aus Stahlbeton.

1855 FRANCOIS COIGNET (Frankreich) erhält ein Patent zur Herstel-lung von Betonhäusern.

1861 Der Pariser Gärtner MONIER stellt Blumentöpfe aus Zementmör-tel her, die durch ein Gerippe aus Stahldrähten verstärkt sind. (Wahrscheinlich erfolgte die Herstellung solcher Blumentöpfe schon vor 1845).

1877 THADDEUS HYATT (USA) berichtet über erste Versuche an Stahlbetonkonstruktionen und schafft die ersten wissenschaftli-chen Grundlagen dieser Konstruktionsart.

1884 Beginn des Stahlbetonbaues in Deutschland: Die Firmen FREY-TAG UND HEIDSCHUCH sowie MARTENSTEIN UND JOYSSEAUS er-werben die deutschen Patentrechte für die Patente von Monier.

- 139 -

1898 Gründung des DEUTSCHEN BETON-VEREINs, einer Vereinigung der an der Anwendung des Betonbaues interessierten Baufir-men mit dem Ziel der Weiterentwicklung dieser Werkstoffe.

1928 FREYSSINET erkennt die Vorteile des Vorspannens der Beweh-rung und leistet Pionierarbeit auf dem Gebiet des Spannbetons.

D.3 Vorschriften und Klassifizierung

D.3.1 Deutsche und europäische Normen Die Anforderungen an Beton und an seine Ausgangsmaterialien sind in zahlrei-chen Normen festgelegt. Dabei nimmt die DIN 1045 eine herausragende Stellung ein. Nachfolgend sind die darin genormten Gebiete den einzelnen Teilen der DIN 1045 zugeordnet sowie den entsprechenden europäischen Normen gegenüber gestellt.

Tabelle D.3.1: Normen des Betonbaus (Auszug)

Gebiet Deutschland EU

Bemessung und Konstruktion DIN 1045-1 EN 1992 (Eurocode 2)

Beton:

Herstellung, Eigenschaften, Anforderungen, Konformität

EN 206-1 DIN 1045-2

(deutsche Anwendungsregeln)EN 206-1

Bauausführung (Baustelle) DIN 1045-3 EN 13670-1

Fertigteile: Herstellung, Überwachung DIN 1045-4 EN xxx

Das COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION hat für die EU- und EFTA-Länder soge-nannte CEN-Normen erarbeitet. Diese sind entweder bindend (EN-Normen), oder sie können als Vornormen (ENV) alternativ zu den nationalen Normen angewandt werden. Nachfolgend sind weitere wichtige deutsche und europäische Normen aufgelistet:

Prüfung von Beton

DIN 1048 Prüfverfahren für Beton

'' -1 Teil 1: Frischbeton

'' -2 Teil 2: Festbeton in Bauwerken und Bauteilen

'' -4 Teil 4: Bestimmung der Druckfestigkeit von Festbeton in Bauwerken und Bauteilen. Anwendung von Bezugs-graden und Auswertung mit besonderen Verfahren

'' -5 Teil 5: Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper

DIN EN 12350 Prüfung von Frischbeton

DIN EN 12390 Prüfung von Festbeton

DIN EN 12504 Prüfung von Beton in Bauwerken

Neben den o. g. Normen zum Baustoff Beton sind in Bezug auf die Ausgangsma-terialien für Beton folgende Normen zu beachten:

Zement

DIN EN 197-1 Zement – Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Kon-formitätskriterien von Normalzement

DIN 1164 Zement mit besonderen Eigenschaften – Zusammensetzung, An-forderungen, Übereinstimmungsnachweise

- 140 -

In Deutschland wurde die Zementnorm DIN 1164, Teil 1 an die DIN EN 197-1 an-gepasst. Für die Prüfung von Zementen gilt in den EU- und EFTA-Ländern zwin-gend eine europäische Norm. Sie trägt in Deutschland die Bezeichnung

DIN EN 196 Prüfverfahren für Zement (Teile 1 bis 7 und Teil 27)

Gesteinskörnungen

DIN 4226 Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel

'' -1 Teil 1: Normale und schwere Gesteinskörnungen

'' -2 Teil 2: Leichte Gesteinskörnungen (Leichtzuschläge)

" -100 Teil 100: Rezyklierte Gesteinskörnungen

Voraussichtlich 2004 wird DIN 4226-1 durch DIN EN 12620 abgelöst.

Zugabewasser

DIN EN 1008 Zugabewasser für Beton – Festlegung für die Probennahme, Prüfung und Beurteilung der Eignung von Wasser, einschließlich bei der Betonherstellung anfallendem Wasser als Zugabewasser für Beton

DIN 4030 Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase

Darüber hinaus enthält die DAfStb-Richtlinie für die Herstellung von Beton unter Verwendung von Restwasser, Restbeton und Restmörtel entsprechende Angaben.

Zusatzmittel

DIN EN 934 Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpresshilfen

Zusatzstoffe

DIN EN 450 Flugasche für Beton – Definitionen, Anforderungen und Güte-überwachung

DIN 51043 Traß; Anforderungen, Prüfung

DIN 4226-1 Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel – Teil 1: Normale und schwere Gesteinskörnungen

DIN EN 12878 Pigmente zum Einfärben von zement- und/oder kalkgebundenen Baustoffen – Anforderungen und Prüfverfahren

Eine harmonisierte Norm für Zusatzstoffe befindet sich z. Z. im Entwurfstadium.

D.3.2 Klassifizierung Die Einteilung verschiedener Betonarten erfolgt hauptsächlich nach ihrer Rohdich-te oder nach ihrer Druckfestigkeit.

Einteilung nach der Rohdichte

• Schwerbeton ρ > 2,6 kg/dm3

• Normalbeton 2,0 < ρ ≤ 2,6 kg/dm3

• Leichtbeton 0,8 < ρ ≤ 2,0 kg/dm3

- 141 -

Einteilung nach der Druckfestigkeit (DIN 1045)

Nach DIN 1045 kann Beton entsprechend seiner Druckfestigkeit in die in der nach-folgenden Tabelle angegebenen Festigkeitsklassen eingeteilt werden. Diese Ein-teilung gilt sowohl für Normal- als auch für Schwerbeton.

Tabelle D.3.2: Druckfestigkeitsklassen für Normal- und Schwerbeton

Betonkategorie Festigkeitsklasse fck,cyl

[N/mm2]

fck,cube

[N/mm2]

1 C8/10 C12/15 C16/20

8 12 16

10 15 20

Nor

mal

beto

n C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60

20 25 30 35 40 45 50

25 30 37 45 50 55 60 2

Hoc

hfes

ter

Bet

on

C55/67 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105 1) C100/115 1)

55 60 70 80 90 100

67 75 85 95

105 115

1) Für Beton der Festigklassen C90/105 und C100/115 bedarf es weiterer auf den Verwendungszweck abgestimmter Nachweise.

Für Leichtbeton gilt die Klasseneinteilung gemäß Tabelle D.3.3.

Tabelle D.3.3: Druckfestigkeitsklassen für Leichtbeton

Festigkeitsklasse fck,cyl

[N/mm2]

fck,cube

[N/mm2]

norm

alfe

st

LC8/9 LC12/13 LC16/18 LC20/22 LC25/28 LC30/33 LC35/38 LC40/44 LC50/55

8 12 16 20 25 30 35 40 50

9 13 18 22 28 33 38 44 55

LC55/60 LC60/66

55 60

60 66

hoch

-fe

st

LC70/77 1) LC80/88 1)

70 80

77 88

Es dürfen andere Werte verwendet werden, wenn das Verhältnis zwischen diesen Werten und der Referenzfes-tigkeit von Zylindern mit genügender Genauigkeit festge-stellt und dokumentiert worden ist. 1) Fußnote 1) in Tabelle D.3.2 gilt analog.

Da die Betonfestigkeit zeitlich veränderlich ist und von der Probenform und -größe abhängt, wird die Betondruckfestigkeit normalerweise im Alter von 28 Tagen an Zylindern oder Würfeln ermittelt. In der Tabelle D.3.2 ist fck,cyl die charakteristische Festigkeit bestimmt an Zylindern mit 150 mm Durchmesser und 300 mm Länge im Alter von 28 Tagen. fck,cube ist die charakteristische Festigkeit ermittelt am 28 Tage alten Betonwürfel mit der Kantenlänge von 150 mm.

- 142 -

Die Festigkeitswerte der neuen Norm beziehen sich auf die Prüfung im Alter von 28 Tagen nach einer Lagerung im Feuchtraum (20 °C, ≥ 95 % relativer Luftfeuch-te) oder unter Wasser bei 20 °C (Referenzverfahren).

Werden Würfel aus Normalbeton 7 Tage feucht (unter Wasser oder im Feucht-raum) und 21 Tage bei 20 °C und 65 % rel. Luftfeuchte gelagert (Trockenlage-rung), so müssen die Druckfestigkeitswerte fc, dry wie folgt umgerechnet werden:

bis C 50/60 fc, cube = 0,92 fc, dry,

ab C 55/67 fc, cube = 0,95 fc, dry.

Die Festigkeiten verschiedener Probezylinder einer Festigkeitsklasse weichen zum Teil erheblich voneinander ab. Festigkeitsunterschiede zwischen Zylindern, die aus einer Mischung gleichzeitig hergestellt wurden, führen zur Prüfstreuung Sp. Die Streuung der Festigkeiten von Zylindern aus gleichen, jedoch nicht gleichzeitig hergestellten Mischungen wird mit Qualitätsstreuung Sg bezeichnet.

Wegen dieser Streuungen ist es nicht ausreichend, die Druckfestigkeit eines Be-tons nur durch den Mittelwert der Festigkeiten einzelner Zylinder zu charakterisie-ren. Daher wird die charakteristische Festigkeit als maßgebende Betonfestigkeit herangezogen.

Die charakteristische Festigkeit des Betons fck, die auch zur Bezeichnung einer Festigkeitsklasse des Betons dient, entspricht dem 5 %-Quantil einer Häufigkeits-verteilung der Druckfestigkeiten einzelner Betonproben. Sie darf nur von 5 % der im Alter von 28 Tagen geprüften Zylinder unterschritten werden, wenn der Beton der entsprechenden Festigkeitsklasse angehören soll (siehe dazu Abbildung D.3.1).

Die in den vorstehenden Abschnitten für zylindrische Betonprobekörper erläuterten Zusammenhänge gelten sinngemäß auch für Würfel.

Abbildung D.3.1: Häufigkeitsverteilung der Betondruckfestigkeitswerte

Einteilung in Betongruppen

EN 206-1 unterscheidet drei Betongruppen: Beton nach Eigenschaften (n. E.), Be-ton nach Zusammensetzung (n. Z.) und Standardbeton.

Bei der Bestellung eines Betons n. E. müssen folgende Grundangaben gemacht werden: Bezug auf DIN 1045-2, Festigkeitsklasse, Expositionsklasse des Bau-werks oder Bauteils, Festigkeitsentwicklung im Zusammenhang mit der Nachbe-handlung, Größtkorn, Art der Verwendung als unbewehrter Beton, Stahlbeton oder Spannbeton und Konsistenzklasse. Falls maßgebend, sind zusätzliche Anforde-rungen zu definieren und entsprechende Prüfverfahren zu vereinbaren. Hinsicht-

5 % 1,64⋅σ

fck fcm

fc

σσ

Symmetrieach-

Häufigkeit

Verteilungskurve: "Gauß'sche Glockenkurve"; Normalverteilung Standardabweichung

( )σ ⋅ −∑i

2ci cm

1 = f fn-1

mit i

cm ci1f = fn ∑

- 143 -

lich der Betonzusammensetzung hat der Hersteller eine beträchtliche Freiheit, aber auch eine große Verantwortung.

Demgegenüber wird bei Beton n. Z. die Betonzusammensetzung genau festgelegt. Die Grundangaben betreffen den Bezug zur DIN 1045-2, den Zementgehalt, die Art und Festigkeitsklasse des Zements, den Wasserzementwert oder die Konsi-stenzklasse, außerdem die Art des Zuschlags, bei Leichtbeton und Schwerbeton auch die Rohdichte des Zuschlags, das Größtkorn und die Sieblinie, Art und Men-ge von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen und bei deren Verwendung noch die Her-kunft dieser Stoffe und des Zements. Diese Angaben sind als Vorsorge für eventu-elle Unverträglichkeiten gedacht. Zusätzliche Angaben können die Herkunft der Betonausgangsstoffe betreffen, die Frischbetontemperatur und eventuell weitere Anforderungen. Beim Beton n. Z. trägt der Besteller eine große Verantwortung für die Eigenschaften des Betons. Er wird einen Beton n. Z. nur bestellen, wenn er die Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung und Eigenschaften aus eigener Er-fahrung kennt.

Standardbeton ist so zusammengesetzt, dass er auch bei gewissen Schwankun-gen immer noch die vereinbarte Festigkeit erreicht. Die Grundangaben betreffen den Bezug auf DIN 1045-2, die Festigkeitsklasse bis maximal C16/20, die Exposi-tionsklasse des Bauwerks mit der Einschränkung auf XO, XC1 und XC2, die Fes-tigkeitsentwicklung, das Größtkorn und die Konsistenzklasse.

Einteilung nach Konsistenzklassen

Darüber hinaus kann Beton auch auf der Grundlage seiner Frischbetoneigenschaf-ten klassifiziert werden. Maßgebend ist hier die Konsistenz des Betons, die die Verarbeitbarkeit charakterisiert. Einzelheiten hierzu finden sich in Abschnitt D.5.1.

Einteilung nach Umgebungsbedingungen

Um die Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen zu gewährleisten, müssen die Betonei-genschaften an die zu erwartenden Beanspruchungen in der Umgebung abge-passt sein. In Tabelle D.3.4 (aus DIN 1045) werden die möglichen Umgebungsbe-dingen, denen das Betonbauteil ausgesetzt ist, in Expositionsklassen eingeteilt. Zudem liefert Tabelle D.3.4 eine Zuordnung zwischen den jeweiligen Expositions-klassen und den Anforderungen an den w/z-Wert (Höchstwert), an die Festigkeits-klasse (unterer Grenzwert) und an den Mindestzementgehalt des zu verwenden-den Betons.

Tabelle D.3.4: Expositionsklassen und Anforderungen an die Betoneigenschaften nach DIN 1045

Klassen-bezeich-nung

Beschreibung der Umgebung Beispiele max.

w/z-Wert [-]

min. Festig-

keit- klasse

min. Zement-gehalt[kg/m³]

1 Kein Korrosions- oder Angriffsrisiko

XO

Für Beton ohne Bewehrung o. einge-bettetes Metall: alle Umgebungsbedin-gungen, ausgenommen Frostangriff, Verschleiß o. chemischer Angriff

Fundamente ohne Bewehrung ohne Frost; In-nenbauteile ohne Bewehrung - C8/10 -

2 Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Karbonatisierung

XC1 trocken oder ständig nass

Bauteile in Innenräumen mit üblicher Luftfeuch-te (einschließlich Küche, Bad, Waschküche in Wohngebäuden); Beton, der ständig in Wasser getaucht ist

0,75 C16/20 240

XC2 nass, selten trocken Teile von Wasserbehältern; Gründungsbauteile 0,75 C16/20 240

XC3 mäßige Feuchte

Bauteile, zu denen die Außenluft häufig oder ständig Zugang hat, z. b. offene Hallen, Innen-räume mit hoher Luftfeuchtigkeit z. B. in ge-werblichen Küchen, Bädern, Wäschereien, in Feuchträumen von Hallenbädern und in Vieh-ställen

0,65 C20/25 260

XC4 wechselnd nass oder trocken Außenbauteile mit direkter Beregnung 0,60 C25/30 280

- 144 -

Tabelle D.3.4: Expositionsklassen und Anforderungen an die Betoneigenschaften (Fortsetzung)

Klassen-bezeich-nung

Beschreibung der Umgebung Beispiele max.

w/z-Wert [-]

min. Festig-

keit- klasse

min. Zement-gehalt[kg/m³]

3 Bewehrungskorrosion, verursacht durch Chloride, ausgenommen Meerwasser

XD1 mäßige Feuchte Bauteile im Sprühnebelbereich von Verkehrs-fläche; Einzelgeragen 0,55 C30/37 300

XD2 nass, selten trocken Solebäder; Bauteile, die chloridhaltigen Indust-riewässern ausgesetzt sind 0,50 C35/45 320

XD3 wechselnd nass und trocken Teile von Brücken mit häufiger Spritzwasserbe-anspruchung; Fahrbahndecken; Parkdecks 0,45 C35/45 320

4 Bewehrungskorosion, verursacht durch Chloride aus Meerwasser

XS1 salzhaltige Luft, aber kein unmittelbarer Kontakt mit Meerwasser Außenbauteile in Küstennähe 0,55 C30/37 300

XS2 unter Wasser Bauteile in Hafenanlagen, die ständig unter Wasser liegen 0,50 C35/45 320

XS3 Tidebereich, Spritzwasser und Sprüh-nebelbereich Kaimauern in Hafenanlagen 0,45 C35/45 320

5 Frostangriff mit und ohne Taumittel

XF1 mäßige Wassersättigung, ohne Taumit-tel Außenbauteile 0,60 C25/30 280

XF2 mäßige Wassersättigung, mit Taumittel

Bauteile im Sprühnebel- und Spritzwasserbe-reich von taumittelbehandelten Verkehrsflä-chen, soweit nicht XF4; Betonbauteile im Sprühnebelbereich von Meerwasser

0,55 1) 0,50

C25/30 C35/45

300 320

XF3 hohe Wassersättigung, ohne Taumittel offene Wasserbehälter; Bauteile in der Was-serwechselzone von Süßwasser

0,55 1) 0,50

C25/30 C35/45

300 320

XF4 hohe Wassersättigung, mit Taumittel

Verkehrsflächen, die mit Taumittel behandelt werden; Überwiegend horizontale Bauteile im Spritzwasserbereich von taumittelbehandelten Verkehrsflächen; Räumerlaufbahnen von Klär-anlagen; Meerwasserbauteile in der Wasser-wechselzone

0,50 1) C30/47 320

6 Betonkorrosion durch chemischen Angriff

XA1 chemisch schwach angreifende Umge-bung Behälter von Kläranlagen; Güllebehälter 0,60 C25/30 280

XA2 chemisch mäßig angreifende Umge-bung und Meeresbauwerke

Betonbauteile, die mit Meerwasser in Berüh-rung kommen; Bauteile in betonangreifenden Böden

0,50 C35/45 320

XA3 chemisch stark angreifende Umgebung

Industrieabwasseranlagen mit chemisch an-greifenden Abwässern; Gärfuttersilos und Fut-tertische der Landwirtschaft; Kühltürme mit Rauchgasableitung

0,45 C35/45 320

7 Betonkorrosion durch Verschleißbeanspruchung

XM1 mäßige Verschleißbeanspruchung Tragende oder aussteifende Industrieböden mit Beanspruchung durch luftbereifte Fahrzeuge 0,55 C30/37 300

XM2 starke Verschleißbeanspruchung Tragende oder aussteifende Industrieböden mit Beanspruchung durch luft- oder vollgummibe-reifte Gabelstapler

0,55 0,45

C30/37 C35/45

300 320

XM3 sehr starke Verschleißbeanspruchung

Tragende oder aussteifende Industrieböden mit Beanspruchung durch elastomer- oder stahlrol-lenbereifte Gabelstapler; Oberflächen, die häu-fig mit Kettenfahrzeugen befahren werden; Wasserbauwerke in geschiebebelasteten Ge-wässern, z. B. Tosbecken

0,45 C35/45 320

1) mit Luftporenbildner herzustellen

Da Beton mehr als einer Einwirkung ausgesetzt sein kann, sind zur Definition der Einwirkungsbedingungen nach DIN 1045 auch Kombinationen der o. g. Expositi-onsklassen möglich. Einzelheiten hierzu finden sich in Abschnitt D.10.

Einteilung in Betonfamilien

Betone ähnlicher Zusammensetzung können in eine Betonfamilie aufgenommen werden, wenn zuverlässliche empirische Beziehungen zwischen deren Eigen-schaften bestehen. Der Prüfaufwand vermindert sich, wenn die Anzahl Prüfkörper, die für eine Betonsorte gilt, auf die gesamte Familie angewendet werden kann.

- 145 -

Bestehen die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der einzelnen Betone in der Familie nicht, müssen diese in einem ersten Schritt ermittelt werden. In der Regel wird ein Beton, der im Mittelfeld der Betonfamilie liegt, als Referenzbeton ausgewählt. Auf diesen werden dann die Eigenschaften der anderen Familienmit-glieder bezogen.

Betone in einer Familie bestehen aus

- Zementen gleicher Art, Festigkeitsklasse und Herkunft

- Zuschlägen gleicher Art und geologischen Ursprungs.

Betone mit puzzolanischen oder latent hydraulischen Zusatzstoffen, Verzögerern mit einer Verzögerungszeit ≥ 3 h, Luftporenbildnern und Betonverflüssigern bzw. Fließmitteln, die die Betonfestigkeit beeinflussen, bilden eigene Familien. Hinsicht-lich des Festigkeitsbereichs gilt, dass Familien für die Festigkeitsklassen C12/15 bis C55/67 gebildet werden können. Wenn der ganze Bereich erfasst werden soll, müssen mindestens zwei Familien gebildet werden. Hochfester Beton ist aus Be-tonfamilien ausgeschlossen, da für ihn zusätzliche Konformitätsanforderungen gel-ten.

Damit das Konzept der Betonfamilien den bisherigen Sicherheitsstandard gewähr-leistet, müssen alle Familienmitglieder regelmäßig geprüft werden.

D.3.3 Übereinstimmungsnachweise Die früher bekannte Güteüberwachung wurde durch Einführung neuer Landesbau-ordnungen verändert. Die Landesbauordnungen unterscheiden zwischen geregel-ten, nicht geregelten und sonstigen Bauprodukten. Geregelte Bauprodukte ent-sprechen den in der Bauregelliste A Teil l bekannt gegebenen Regeln. Nicht gere-gelte Bauprodukte weichen von der in der Bauregelliste A Teil 1 bekannt gemach-ten technischen Regeln wesentlich ab oder es gibt für sie keine Technischen Bau-bestimmungen oder allgemein anerkannte Regeln der Technik. Die Verwendbarkeit ergibt sich:

a) für geregelte Bauprodukte aus der Übereinstimmung mit den bekannt ge-machten technischen Regeln,

b) für nicht geregelte Bauprodukte aus der Übereinstimmung mit

- der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung oder

- dem allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnis oder

- der Zustimmung im Einzelfall.

Geregelte und nicht geregelte Bauprodukte dürfen verwendet werden, wenn ihre Verwendbarkeit in dem für sie geforderten Übereinstimmungsnachweis bestätigt ist und sie deshalb das Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) tragen.

Die Bauregelliste A Teil 3 enthält nicht geregelte Bauarten. Sie bedürfen anstelle einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung nur eines allgemeinen bau-aufsichtlichen Prüfzeugnisses. Der Übereinstimmungsnachweis bezieht sich auf die Übereinstimmung mit dem allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnis. Hierbei hat der Anwender des Produktes bzw. der Bauart zu bestätigen, dass die Bauart entsprechend den Bestimmungen des allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnis-ses ausgeführt wurde und die hierbei verwendeten Produkte den Bestimmungen des allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnisses entsprechen.

Bauprodukte nach Bauregelliste A Teil l, Teil 2 und Teil 3 bedürfen für ihre Ver-wendung eines Übereinstimmungsnachweises. Folgende Arten sind möglich:

- Übereinstimmungserklärung des Herstellers (ÜH). - Übereinstimmungserklärung des Herstellers nach vorheriger Prüfung des

Bauprodukts durch eine anerkannte Prüfstelle (ÜHP) oder - Übereinstimmungszertifikat durch eine anerkannte Zertifizierungsstelle (ÜZ).

- 146 -

Sind in den technischen Regeln Prüfungen von Bauprodukten, insbesondere Eignungsprüfungen, Erstprüfungen oder Prüfungen zur Erlangung von Prüf-zeugnissen oder Werksbescheinigungen vorgesehen, so sind diese Prüfungen im Rahmen der vorgeschriebenen Übereinstimmungsnachweise durchzuführen.

Für den Übereinstimmungsnachweis ist die werkseigene Produktionskontrolle eine wesentliche Voraussetzung. Diese ist die vom Hersteller vorzunehmende kontinuierliche Überwachung der Produktion, um sicherzustellen, daß die von ihm hergestellten Bauprodukte den maßgebenden technischen Regeln entspre-chen.

In der Bauregelliste A wird bestimmt, in welchen Fällen bei wesentlichen Ab-weichungen von den technischen Regeln der Verwendbarkeitsnachweis durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Z) oder durch ein allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis (P) zu führen ist.

Für Bauprodukte mit hohen Anforderungen an die Sicherheit ist immer ein Ü-bereinstimmungszertifikat (ÜZ) bzw. eine allgemeine bauaufsichtliche Zulas-sung (Z) erforderlich.

Eine allgemein baurechtliche Zulassung wird vom Deutschen Institut für Bau-technik auf Antrag erteilt, wenn die Verwendbarkeit des Bauprodukts nachge-wiesen ist. Ein allgemeines baurechtliches Prüfzeugnis wird von einer aner-kannten Prüfstelle erteilt.

Es wird unterschieden in Prüfstelle, Zertifizierungsstelle und Überwachungsstel-le. Die Prüfstellen sind für den Nachweis der Verwendbarkeit nicht geregelter Bauprodukte und im Rahmen des Übereinstimmungsnachweisverfahrens für die Untersuchung der Eigenschaften geregelter Bauprodukte einzuschalten. Zertifi-zierungsstellen sind besonders qualifizierte Stellen, die die Rechtmäßigkeit der von der Überwachungsstelle vorgelegten Prüf- und Überwachungsergebnisse durch Erteilung eines Übereinstimmungszertifikats bestätigen. Überwachungs-stellen führen die Erstinspektion des Werkes und der werkseigenen Pro-duktionskontrolle durch sowie Messungen, Untersuchungen und Kontrollprü-fungen zur Feststellung der Produkteigenschaften und Auswertung des Her-stellungsprozesses (Fremdüberwachung).

D.3.4 Überwachung Produktionskontrolle

Jeder Beton ist unter der Verantwortung des Herstellers (Transportbeton- und Fer-tigteilwerke) einer Produktionskontrolle zu unterziehen. Die Produktionskontrolle umfasst alle Maßnahmen, die für die Aufrechterhaltung der Konformität des Betons mit den festgelegten Anforderungen erforderlich sind. Sie beinhaltet:

- Baustoffauswahl, - Betonentwurf, - Betonherstellung, - Überwachung und Prüfung, - Verwendung der Prüfergebnisse im Hinblick auf Ausgangsstoffe, Frisch- und

Festbeton und Einrichtungen, - Überprüfung der für den Transport des Frischbetons verwendeten Einrichtun-

gen, - Konformitätskontrolle.

Detaillierte Vorgaben für die Produktionskontrolle enthält DIN EN 206-1, Abschnitt 9.

Die Produktionskontrolle des Herstellers ist für alle nach DIN EN 206-2 bzw. DIN 1045-2 hergestellten Betone – ausgenommen Standardbeton – durch eine aner-kannte Überwachungsstelle zu überwachen und zu bewerten.

- 147 -

Zu den Aufgaben der Überwachungsstelle zählen:

- Erstbewertung (Unterlagen der Produktionskontrolle, Anlagen und Ausrüstun-gen zur Durchführung der notwendigen Prüfungen, Qualifikation des Personals, Erstprüfungen der Betone)

- Regelüberwachung (Aufrechterhaltung der Produktionskontrolle),

- Sonderüberwachung (Klärung von Unstimmigkeiten, bei Änderung der Herstell-bedingungen)

Die Erfüllung der Anforderungen an den Beton nach DIN EN 206-2 bzw. DIN 1045-2 - ausgenommen Standardbeton - ist durch ein Übereinstimmungszerti-fikat einer anerkannten Zertifizierungsstelle nachzu-weisen (vgl. Festlegungen in der Bauregelliste A Teil1).

Für Standardbeton ist die Erfüllung der Anforderun-gen nach DIN EN 206-2 bzw. DIN 1045-2 durch die Herstellererklärung nachzuweisen.

Überwachungsklassen

Für die Überprüfung der maßgebenden Frisch- und Festbetoneigenschaften auf der Baustelle wird der Beton in drei Überwachungsklassen eingeteilt. Die Überwa-chungsklassen der Tabelle 8 unterscheiden sich durch den Umfang und die Häu-figkeit der durchzuführenden Prüfungen. Entsprechende Vorgaben enthält die DIN 1045-3.

Tabelle 9.8: Überwachungsklassen (Ausschnitt aus Tabelle 3 der DIN 1045-3)

Spalte 1 2 3 4

Zeile Gegenstand Überwa-

chungs-klasse 1

Überwa-chungs-klasse 2

Überwa-chungs-klasse 3

1

Druckfestigkeitsklas-se für Normal- und Schwerbeton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2

≤ C 25/30 ≥ C 30/37 und

≤ C 50/60

≥ C 55/67

2

Druckfestigkeitsklas-se für Leichtbeton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 der Rohdichteklassen

D 1,0 bis D 1,4 nicht anwend-bar

≤ LC 25/28 ≥ LC 30/33

3 D 1,6 bis D 2,0 ≤ LC 25/28 LC 30/33 und

LC 35/38

≥ LC 40/44

4 Expositionsklasse nach DIN 1045-2

X0, XC, XF1 XS, XD, XA, XM, XF2, XF3, XF4

-

- 148 -

Die Überwachungsprüfungen auf der Baustelle sind vom Bauunternehmen durch-zuführen. Dazu zählen die Prüfung des Lieferscheins, der Konsistenz, der Frisch-betonrohdichte bei Leicht- und Schwerbeton, der Gleichmäßigkeit des Betons, der Druckfestigkeit, des Luftgehalts bei LP-Beton und die Funktionskontrolle der tech-nischen Einrichtungen (Verdichtungsgeräte, Mess- und Laborgeräte). Weiterhin sind im Bautagebuch die Lufttemperatur (Minimum, Maximum) und die Witterungs-verhältnisse während des Betonierens des Bauteils sowie die Art und die Dauer der Nachbehandlung aufzuzeichnen (DIN 1045-3, Abschnitt 11.5).

In den Überwachungsklassen 2 und 3 ist der Einbau des Betons zusätzlich durch eine dafür anerkannte Überwachungsstelle zu prüfen (Fremdüberwachung). Das Bauunternehmen muss über eine ständige Betonprüfstelle verfügen.

Literatur

[D.3.1] Grübl, P.; Weigler, H., Karl, S.: Beton - Arten, Herstellung, Eigenschaften. Ernst & Sohn, Berlin, 2001

[D.3.2] Reinhardt, H.W.: Beton. In Beton-Kalender 2002, Ernst & Sohn, Berlin, 2002

[D.3.3] DIN 1048: 1991-06, Teile -1, -2, -4, -5: Prüfverfahren für Beton

[D.3.4] Bauregelliste A, Bauregelliste B und Liste C, Ausgabe 200/1, Mitteilun-gen Deutsches Institut für Bautechnik 31, Sonderheft Nr.22, Ernst & Sohn, Berlin 2000

[D.3.5] Hinweise für Prüfstellen zur Erteilung von allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnissen. Mitteilungen Deutsches Institut für Bautechnik 31 (2000), Nr. 2, S. 50-56

[D.3.6] Muster Verordnung über die Anerkennung als Prüf-, und Überwachungs-, oder Zertifizierungsstelle nach Bauordnungsrecht (PÜZAVO). Mitteilun-gen Deutsches Institut für Bautechnik 27 (1996), Nr. 6, S. 344-348

D.4 Ausgangsmaterialien zur Betonherstellung Problemstellung: Die Eigenschaften des Betons hängen in großem Maße vom Mi-schungsverhältnis Zement : Wasser : Betonzuschlag und von den Eigenschaften dieser Betonkomponenten ab. Das Verständnis der Faktoren, welche die Betonei-genschaften beeinflussen, setzt daher eine Kenntnis des Aufbaues, der Reaktio-nen und der Herstellung bzw. Aufbereitung der Betonkomponenten voraus.

D.4.1 Bindemittel und Zemente Man unterscheidet zwischen hydraulischen und nicht hydraulischen Bindemitteln.

Definition: Hydraulische Bindemittel erhärten unter Anlagerung von Was-ser und sind nach ihrer Erhärtung gegenüber Wasser beständig

D.4.1.1 Nicht-hydraulische Bindemittel

Beispiel Luftkalk:

Herstellung aus Kalkstein:

Kalkbrennen: CaCO3 → CaO + CO2 ∆H = 165,9 kJ

(bei 800 - 1000°C) Branntkalk ∆H = Enthalpie

Kalklöschen: CaO + H2O → Ca(OH)2 ∆H = -65 kJ

gelöschter Kalk oder Kalkhydrat

Erhärtung durch Carbonatisierung:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

- 149 -

Der Branntkalk wird entweder als Stückkalk mit viel Wasser gelöscht, und es bildet sich durch das überschüssige Wasser ein wässriger Kalkbrei (Sumpfkalk). Beim sog. Trockenlöschen wird der Stückkalk gebrochen, gemahlen und mit wenig Was-ser oder Wasserdampf gelöscht. Dabei entsteht pulvriges Kalkhydrat.

Kalkhydrat bzw. Sumpfkalk werden mit Wasser und Sand zu Kalkmörtel vermischt. Die Erhärtung beschränkt sich auf den Karbonatisierungsvorgang. Zwischen Kalk-hydrat, Wasser und Sand (SiO2 = Kieselsäure) findet keine Reaktion statt.

Eigenschaften:

• Im frischen Zustand geschmeidiger und gut verarbeitbarer Mörtel • Erhärtung nur an Luft (CO2) • Sehr langsame Festigkeitsentwicklung • Geringe Druckfestigkeit auch nach langer Erhärtungsdauer (0,2 - 2 N/mm²) • Im erhärteten Zustand relativ gute Verformbarkeit und hohe Volumenbestän-

digkeit

D.4.1.2 Gipse und Anhydrit

Gips: Herstellung des Baugipses aus dem Gipsstein.

Gipskochen: 2 (CaSO4. 2 H2O) → 2 [ CaSO4

. 0,5 H2O ] + 3 H2O

(bei 120 - 180°C) Halbhydrat = Stuckgips

Erhärtung nach Zugabe von Wasser:

2 (CaSO4. 0,5 H2O) + 3 H2O → 2 (CaSO4

. 2 H2O)

Eigenschaften:

• Schnelle Erhärtung (ca. 15 - 30 Minuten)

• Festigkeit: 5 - 20 N/mm2 je nach Wasser / Gips-Verhältnis

• Teilweise wasserlöslich, daher Festigkeitsverlust bei Wasserlagerung

• Beim Abbinden Volumenvergrößerung um ca. 1 %

Anhydrit:

Herstellung: Durch Erhitzen auf Temperaturen von 300 - 500°C Bildung von was-serfreiem Calciumsulfat CaSO4 (Anhydrit). Bei Temperaturen um 1000°C teilweise Zersetzung zu CaO (Estrichgips):

CaSO4 → CaO + SO3↑

Erhärtung durch Zugabe von Wasser und Auskristallisation zu CaSO4. 2 H2O, wo-

bei der Vorgang beim Anydrit durch Zumahlen von Erregern (z.B. 3 % Aluminium- oder Eisensulfat) oder beim Estrichgips durch freien Kalk (CaO) eingeleitet wird.

Eigenschaften:

• Langsamere Erhärtung als Gips, daher längere Verarbeitungszeit (bis zu 4 Std. nach dem Anmachen)

• sonstige Eigenschaften ähnlich dem Gips

- 150 -

D.4.1.3 Hydraulische Kalke

Definition: Bindemittel, die durch eine Reaktion zwischen Kalk, Kieselsäure und Wasser unter Einwirkung eines Anregers erhärten:

Bildung von Calciumsilikathydraten der Form 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O (Tricalziumsi-

likathydrat).

Wegen seiner Ähnlichkeit mit einem in der Natur vorkommenden Mineral wird Tri-calziumsilikathydrat häufig als "Tobermorit" bezeichnet, obwohl es bei der Hydrata-tion der Bindemittel in sehr verschiedenen Kristallmodifikationen entstehen kann.

Kieselsäure

SiO2 in Form von Quarz ist sehr reaktionsträge, daher wasserunlöslich und säure-beständig (außer gegenüber Flusssäure).

Kieselsäure wird reaktionsfreudiger

1. bei erhöhten Temperaturen

2. als gelöste Kieselsäure, z.B. Wasserglas (wasserlösliche Verbindung aus KOH oder NaOH und SiO2, die bei erhöhter Temperatur entsteht)

3. in amorpher Form, z.B. in der Natur als Opal, Feuerstein, Diatomeenerde

4. wenn sie an andere Komponenten gebunden ist, z.B. an Ziegelmehl. Ziegel-mehl wird durch Mahlen von Ziegeln (gebrannter Ton) gewonnen. Eine der Ausgangskomponenten des Tones ist Kaolinit. Beim Brennen des Tones ent-steht aus Kaolinit:

Al2O3. 2 SiO2

. 2 H2O → Al2O3. 2 SiO2 + 2 H2O

(siehe Kapitel B: Keramische Werkstoffe)

5. durch Erzeugung von Kalk-Kieselsäure-Verbindungen bei erhöhten Tempera-turen (2 CaO . SiO2 oder 3 CaO . SiO2)

Von den Möglichkeiten 3., 4. und 5. wird bei der Herstellung der hydraulischen Kal-ke und der Portlandzemente Gebrauch gemacht.

Puzzolane und Puzzolankalke

Puzzolane sind Stoffe natürlicher oder künstlicher Herkunft, die überwiegend aus Silizium-Aluminium-Verbindungen bestehen und Silikate in reaktionsfähiger Form enthalten. Sie können mit Kalkhydrat (Ca(OH)2) und Wasser reagieren.

Beispiele: Ziegelmehl, Flugasche (siehe Abschnitt 4.2.2), Trass oder Gesteine vul-kanischen Ursprungs.

Mischungen aus Kalkhydrat und Puzzolanen werden als Puzzolankalke bezeich-net. Als Mörtel erhärten sie auch unter Luftabschluss langsam durch Hydratation, sind wasserbeständig und erreichen höhere Festigkeiten als Kalkmörtel.

Beispiel: Kalk und Ziegelmehl:

2 (Al2O3. 2 SiO2) + 7 Ca(OH)2 → 2 (2 CaO . Al2O3

. SiO2. 2 H2O) + 3 CaO . 2 SiO2

. 3 H2O

Gebrannte hydraulische Kalke

Beim Erhitzen (Brennen) von tonhaltigem Kalkstein, z.B. Mergel auf ca. 1200°C bil-det sich CaO, das sich mit der Kieselsäure des Tones verbindet zu

Dicalciumsilicat: 2 CaO . SiO2 ≡ C2S

Daneben bildet sich 3 CaO . Al2O3 und 4 CaO . Al2O3. Fe2O3.

- 151 -

Diese Komponenten haben hydraulische Eigenschaften, d.h. sie können durch Reaktion mit Wasser und unter Luftabschluss erhärten.

Eigenschaften:

Hydraulische Kalke verhalten sich ähnlich wie Portlandzemente (Abschnitt D.4.1.4), erhärten jedoch wesentlich langsamer und können nach mehreren Jah-ren je nach Verhältnis Wasser / Bindemittel Druckfestigkeiten von 10 - 40 N/mm2 erreichen.

Einteilung der Baukalke

Je nach Anteil der hydraulischen Komponenten laufen bei der Erhärtung von Bau-kalken gleichzeitig sowohl Reaktionen mit Wasser (Hydratation) als auch mit CO2 (Karbonatisierung) ab. Grob können die Baukalke eingeteilt werden in

Baukalke Hydraulischer Anteil

Luftkalke ca. 0 - 10 M.-%

Wasserkalke ca. 10 - 25 M.-%

Hydraulische Kalke ca. 25 - 45 M.-%

Hochhydraulische Kalke > 45 M.-%

Latent hydraulische Stoffe

Definition: Stoffe, die allein keine Neigung zur Hydratation haben, durch andere Stoffe aber zu einer hydraulischen Reaktion angeregt werden können.

Beispiel: Hochofenschlacke bzw. Hüttensand bestehen aus Calciumsilikaten und -aluminaten mit geringem Kalkgehalt. Sie können durch Hydrate, z.B. Ca(OH)2, Portlandzement oder Gips zur Hydratation angeregt werden.

D.4.1.4 Zemente

D.4.1.4.1 Abkürzungen der Zementchemie

Zur Vereinfachung benutzt die Zementchemie folgende Abkürzungen zur Bezeich-nung der Zementkomponenten:

Komponente Bezeichnung Abkürzung der Zementchemie

CaO Kalk C

SiO2 Kieselsäure S

Al2O3 Tonerde A

Fe2O3 Eisenoxid F

H2O Wasser H

SO3 Sulfat S

- 152 -

Daher gilt für:

Komponente Bezeichnung Abkürzung der Zement-chemie

2 CaO . SiO2 Dicalciumsilicat C2S

3 CaO . SiO2 Tricalciumsilicat C3S

3 CaO . Al2O3 Tricalciumaluminat C3A

4 CaO . Al2O3. Fe2O3 Tetracalciumaluminatferrit C4AF

CaSO4 Calciumsulfat CS

Ca(OH)2 Calciumhydroxid CH

D.4.1.4.2 Bestandteile der Zemente

Die im Bauwesen üblichen Zemente bestehen aus Haupt- und Nebenbestandtei-len.

Hauptbestandteile sind der Portlandzementklinker und sog. Zumahlstoffe, die meist puzzolanische oder latent-hydraulische Eigenschaften besitzen, insbesonde-re Hüttensand, Silicastaub, natürliche oder künstliche Puzzolane, Flugasche, ge-brannter Schiefer oder Kalksteinmehl.

Nebenbestandteile sind insbesondere Calciumsulfat (Gips) und andere anorgani-sche und organische Zusätze in kleinen Mengen (0 - 5 M.-%).

Der klassische Zement im Bauwesen ist der Portlandzement, der nach DIN 1164 Teil 1 einen Anteil von 95 - 100 M.-% an Portlandzementklinker aufweisen muss.

D.4.1.4.3 Komponenten und Herstellung

Die häufigsten Ausgangsprodukte zur Herstellung von Zement sind Kalkstein und Ton oder Kalkmergel sowie ggf. die Zumahlstoffe und weitere Zusätze. Ähnlich den hydraulischen Kalken bestehen sie aus folgenden Hauptkomponenten:

Kalk CaO = C

Kieselsäure SiO2 = S

Tonerde Al2O3 = A

Eisenoxid Fe2O3 = F

Durch Erhöhung der Brenntemperatur auf etwa 1250 - 1900°C bei der Herstellung (Brenntemperatur bei gebrannten hydraulischen Kalken ca. 1200°C) entsteht ne-ben dem Dicalciumsilicat 2 CaO . SiO2 = C2S das labilere und daher schneller hydratisierende

Tricalciumsilicat 3 CaO . SiO2 ≡ C3S

Die Bildung von C2S und C3S erfolgt in einem Sintervorgang durch Reaktionen der Komponenten im festen Zustand. Der Vorgang würde eine äußerst feine Zerkleine-rung der Ausgangskomponenten erfordern. Die Rohprodukte zur Zementherstel-lung enthalten jedoch neben CaO und SiO2 auch die niederschmelzenden Kompo-nenten Al2O3 und Fe2O3, in deren Schmelze sich CaO und SiO2 teilweise lösen. Nach der Reaktion und Abkühlung entstehen harte, dichte Stücke mit Durchmes-sern bis zu mehreren Zentimetern, die als Portlandzementklinker bezeichnet wer-den.

- 153 -

Dieser besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

Tricalciumsilicat C3S 3 CaO . SiO2 45 - 80 M.-%

Dicalciumsilicat C2S 2 CaO . SiO2 0 - 32 M.-%

Tricalciumaluminat C3A 3 CaO . Al2O3 7 - 15 M.-%

Tetracalcium- aluminatferrit

C4AF 4 CaO . Al2O3. Fe2O3 4 – 14 M.-%

Als Nebenbestandteile enthält Portlandzementklinker noch geringe Mengen an MgO; SO3; K2O; Na2O; CaO (freier Kalk).

Schließlich wird dem gemahlenen Portlandzementklinker zur Regelung des Abbin-devorgangs eine kleine Menge (1 - 3 M.-%) an Gips zugegeben.

SCHOTTER

Gewinnen Brechen Lagern Trocknen undMahlen

Abscheiden

ROHMEHL

KLINKER

Lagern Brennen

ZEMENTMahlen Lagern Verladen

sackweise losePZ EPZ HOZ TrZ

Hütten-sand

Traß

Klinker

Gips

Konditionieren derAbgase

Homogeni-sieren

Abbildung D.4.1: Schema der Zementherstellung im Drehrohrofen nach dem Tro-

ckenverfahren nach [A.1]

- 154 -

Die Herstellung des Portlandzementes erfolgt in folgenden Schritten:

1. Gewinnung der Ausgangsmaterialien Kalkstein und Ton oder Mergel

2. Zerkleinern und Mahlen der Ausgangsmaterialien

3. Vermischen der Komponenten unter Beachtung eines geforderten Verhältnis-ses CaO und SiO2 mit oder ohne Zugabe von Wasser (Nass- oder Trockenver-fahren)

4. Brennen des Mischgutes in einem Drehofen zur Erzeugung des Portlandze-mentklinkers

5. Abkühlen und Mahlen des Klinkers unter Zugabe von Gips und ggf. Zu-mahlstoffen und Zementzusatzmitteln

6. Abfüllen des Zementes in Säcke, Silos etc.

D.4.1.4.4 Die Hydratation des Portlandzementes

Mischt man Zement mit Wasser, so entsteht Zementleim. Durch Erhärtung wird er in Zementstein umgewandelt. Die Erhärtung (Hydratation) läuft im Wesentlichen in drei Stadien ab:

Stadium 1: Beginnt unmittelbar nach Wasserzugabe. Die Reaktion zwischen C3A, Gips und Wasser führt zur Bildung von sehr dünnen, nadelartigen Kri-stallen ≡ Ettringit. Der Zementleim wird zwar steifer, ist aber thixotrop und bleibt verarbeitbar.

Stadium 2: Beginnt etwa 1/2 Stunde nach Wasserzugabe, erstreckt sich bis zum Erstarrungsbeginn (eine bis mehrere Stunden nach Wasserzugabe). Die Ettringitbildung geht zurück. Der Zement ist chemisch relativ inak-tiv. Zur Definition von Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende siehe Abschn. D.4.1.4.8.

Stadium 3: Beim Erstarrungsbeginn verliert der Zementleim deutlich seine Verar-beitbarkeit. Einsetzen von Erhärtung durch Reaktion des C3S unter Bildung von Calciumsilikathydraten und Calciumhydroxid. Mit zuneh-mendem Alter nimmt auch C2S am Hydratationsvorgang teil. Bei aus-reichendem Vorhandensein von Wasser erstreckt sich der Erhär-tungsvorgang über mehrere Jahre.

Die Hauptkomponenten des Portlandzementes C2S und C3S reagieren mit Was-ser entsprechend folgender Beziehungen (Symbole der Zementchemie):

2 C2S + 4 H → C3S2H3 + CH

2 C3S + 6 H → C3S2H3 + 3 CH

Beide Komponenten bilden also dieselben Hydratationsprodukte

C3S2H3 Calciumsilikathydrat und

CH Calciumhydroxid.

Die Komponente C3A reagiert mit Wasser und Gips zu:

C3A + 3 CSH2 + 26 H → C3A . 3 CS . H32 oder C6AS 3. H32

Das Reaktionsprodukt wird nach einem in der Natur vorkommenden, nadelförmi-gen Mineral gleicher Zusammensetzung Ettringit genannt. Trotz der frühzeitigen Ettringitbildung bleibt der Beton verarbeitbar. Das Ettringit ist nur in sulfatreichen Lösungen stabil. In sulfatarmen, kalkreichen Lösungen bildet sich das sog. Mono-sulfat, in das auch Ettringit in höherem Alter umgewandelt wird:

2 C3A + C6AS 3H32 + 4 H → 3 C4ASH12

- 155 -

Die Ettringitbildung ist mit einer Volumenvergrößerung verbunden, die im noch nicht erhärteten Zementstein unschädlich ist. Sie kann aber zu einer erheblichen Schädigung des Betons führen, wenn Ettringit im Festbeton durch Reaktion von C3A und Sulfaten entsteht, die von außen in den erhärteten Beton eindringen (sie-he Abschnitt D.10.7).

Ohne Zugabe von Gips würde das C3A sehr schnell mit Wasser reagieren und zu einem frühzeitigen Erstarren des Betons führen:

C3A + 21 H → C4AH13 + C2AH8

In höherem Alter wird das C4AH13 in das stabile 2 C3A6 umgewandelt.

Die Reaktion der Komponente C4AF wird ebenfalls durch Gips verzögert. Es ent-stehen Hydratationsprodukte der allgemeinen Form C6(A,F)S 3·H32.

Die Hydratationsprodukte des Zementes, vor allem die C-S-H-Komponenten, be-stehen zum großen Teil aus mikrokristallinen Partikeln kolloidaler Größe, so dass die Struktur des erhärteten Zementsteins einem starren Gel entspricht. Seine Ei-genschaften werden in Abschnitt 8 näher besprochen.

D.4.1.4.5 Hydratation einiger Zumahlstoffe

Hüttensand ist ein latent hydraulischer Stoff. Er entsteht durch schnelles Abkühlen flüssiger Hochofenschlacke. Er hat eine teilweise glasige Struktur und reagiert in Anwesenheit eines Anregers, im Allgemeinen Calciumhydroxid, unter Bildung von Hydratationsprodukten, mit Wasser. Seine wichtigsten Bestandteile sind CaO, MgO, Al2O3 und SiO2, wobei der Anteil des CaO ausreichend hoch sein muss.

Über die Zusammensetzung und die Hydratation von Flugasche sowie von Sili-castaub siehe Abschnitt D.4.2.2.

Trass und andere natürliche Puzzolane enthalten reaktionsfähige Silikate, die in Verbindung mit dem bei der Reaktion der Portlandzementklinker entstehenden Calciumhydroxid Calciumsilikathydrate bilden. Gebrannter Schiefer, der als Zu-mahlstoff für die Zementherstellung Verwendung findet, wird aus einem bituminö-sen, kalkhaltigen Ölschiefer gewonnen. Durch Brennen bei ca. 800°C entsteht dar-aus ein selbständig erhärtendes Bindemittel. Kalksteinmehl ist relativ inert, kann aber unter bestimmten Bedingungen ebenfalls zur Festigkeitsentwicklung beitra-gen.

D.4.1.4.6 Eigenschaften der Zementkomponenten

Die Komponenten C3S und C2S sind für die Festigkeitsentwicklung des Zement-steins am wichtigsten. Während C3S für die Anfangserhärtung maßgebend ist, führt C2S zur weiteren Erhärtung des Zementsteins in höherem Alter.

Da die Zementhydratation ein exothermer Prozess ist, wird bei der Reaktion der Zementkomponenten Hydratationswärme frei. Sie ist bei C3S größer als bei C2S (siehe Tabelle D.4.1).

Die Komponente C3A bewirkt eine schnelle Anfangserhärtung, hohe Hydratati-onswärme und schnelles Erstarren. Das Erstarren kann durch Zugabe von Gips verzögert werden, da die so eingeleitete Ettringitbildung nur zu einer geringen Ver-steifung des Zementleims führt. Die Reaktion von C3A mit Sulfaten (z.B. Gips) und Wasser ist mit einer Volumenvergrößerung verbunden. Tritt sie im erhärteten Be-ton auf, so kann sie diesen zerstören. Zement mit hohem Gehalt an C3A ist daher gegen Sulfate, die in den erhärteten Zementstein eindringen, nicht widerstandsfä-hig (siehe Abschnitt D.10.7).

Die Komponente C4AF erhärtet langsam, beeinflusst die Färbung des Zementes und ist für die Zementherstellung von Nutzen.

Die Nebenkomponenten CaO, MgO, Na2O, K2O sind meist unerwünscht. Größe-re Mengen an CaO und MgO führen zum Kalk- bzw. Magnesiatreiben. Na2O und

- 156 -

K2O können zu schädlichen Reaktionen mit manchen Zuschlägen, z.B. Silikate in amorpher Form, führen (siehe Abschnitt D4.4.5).

Druckfestigkeit [N/mm²]

0

20

40

60

80

0 28 90 180 360 Alter in Tagen

C3S

C2S

C3A

C4AF

Abbildung D.4.2: Festigkeitsentwicklung der Komponenten des Portlandzements

Die Eigenschaften aller Zementkomponenten und damit auch der Zemente können durch die Mahlfeinheit [m2/kg] wesentlich beeinflusst werden. Sehr fein gemahlene Zemente besitzen eine hohe Oberfläche, die mit Wasser reagieren kann. Große Mahlfeinheit führt daher zu einer schnellen Festigkeitsentwicklung, hoher Hydrata-tionswärme und erhöhtem Schwinden.

7 Tg

28 Tg

90 Tg

365 Tg

25

30

35

40

45

300 350 400 450 500

Druckfestigkeit [N/mm²]

Spezifische Oberfläche [m²/kg]

Abbildung D.4.3: Anstieg der Festigkeit von Beton mit der Feinheit des Zementes im Alter von 7, 28, 90 und 365 Tagen

- 157 -

Zusammenfassung der Eigenschaften der Komponenten des Portlandzementes:

Klinkerphase Eigenschaften Hydratationswärme [J/g]

C3S Schnelle Anfangserhärtung Hohe Wärmeentwicklung 500

C2S Langsame, stetige ErhärtungNiedrige Wärmeentwicklung 250

C3A

In größeren Mengen: Schnelle Anfangserhärtung

und Erstarrung Hohe Wärmeentwicklung Geringer Sulfatwiderstand

1340

C4AF Langsame Erhärtung Färbung des Zements 420

Die Zumahlstoffe Hüttensand, Flugasche und natürliche Puzzolane führen zu einer langsameren Festigkeitsentwicklung und einer Reduktion der Hydratationswärme. Ihr Beitrag zur Festigkeit wird erst in höherem Alter wirksam. Sie können darüber hinaus zu einer Erhöhung des Widerstands von Beton gegen chemischen Angriff, insbesondere Sulfate, wesentlich beitragen (siehe dazu Abschnitt D.10.7). Sili-castaub ist aufgrund seiner hohen spezifischen Oberfläche schon frühzeitig reak-tiv. Neben seiner puzzolanischen Wirkung trägt er durch Verbesserung der Pa-ckungsdichte der Zementpartikel zu einer Erhöhung der Betondruckfestigkeit bei.

D.4.1.4.7 Normenzemente

Durch Kontrolle des Gehalts an den Komponenten C3S, C2S, C3A, C4AF sowie der Zumahlstoffe und der Mahlfeinheit können die Eigenschaften der Zemente, insbe-sondere Festigkeitsentwicklung, Hydratationswärme, Sulfatwiderstand u.a. in wei-ten Grenzen variiert werden.

In den Normen DIN EN 197-1 bzw. DIN 1164 (siehe Abschnitt D.3.1) sind die Ze-mente, die in Deutschland im Betonbau eingesetzt werden können, erfasst. Sie werden als sog. CEM-Zemente bezeichnet. Tabelle D.4.1 gibt einen Überblick der Zusammensetzung und Bezeichnung der Zemente.

Nach dieser Tabelle wird zwischen 5 Hauptgruppen von Zementen unterschieden:

CEM I Zemente mit 95 bis 100 M.-% Portlandzementklinker

CEM II Zemente mit 65 bis 94 M.-% Portlandzementklinker und einem geringen Anteil weiterer Komponenten

CEM III Zemente mit 5 bis 64 M.-% Portlandzementklinker und einem hohen An-teil an Hüttensand

CEM IV Zemente mit 45 bis 89 M.-% Portlandzementklinker und einem hohen An-teil an Puzzolanen bzw. Flugasche

CEM V Zemente mit 20 bis 64 M.-% Portlandzementklinker und einem hohen An-teil an Hüttensand und Puzzolanen bzw. Flugasche

Innerhalb der Hauptgruppen II bis V wird je nach Gehalt an Zumahlstoffen (A bzw. B) weiter differenziert. Die Zemente der Hauptgruppe CEM II, CEM IV und CEM V unterscheiden sich ferner in der Art der Zumahlstoffe.

Da bis vor kurzem in Deutschland noch andere Bezeichnungen der Zementarten üblich waren und in zahlreichen Fachbereichen verwendet werden, sind in Tabelle D.4.2 die alten und die neuen Zementbezeichnungen gegenübergestellt.

Tabelle D.4.1: Arten der CEM - Zemente und Zusammensetzung in M.-% nach DIN EN 197-1, Ausgabe 06.2000

Zusammensetzung: (Massenanteile in Prozent)a Bezeichnung Hauptbestandteile

Puzzolane Flugasche Portland-zement klinker

Hütten-sand

Silica-staub natürlich natürlich

getempertkiesel-

säurereich kalkreich

Ge-brannter Schiefer

Kalkstein

Zement- art

K K Db P Q V W T L LL

Neben-bestand-

teile

CEM I Portlandzement CEM I 95 bis 100 - - - - - - - - - 0 bis 5 CEM II/A-S 80 bis 94 6 bis 20 - - - - - - - - 0 bis 5 Portlandhüttenzement CEM II/B-S 65 bis 79 21 bis 35 - - - - - - - - 0 bis 5

Portlandsilicastaubzement CEM II/A-D 90 bis 94 - 6 bis 10 - - - - - - - 0 bis 5 CEM II/A-P 80 bis 94 - 6 bis 20 - - - - - - 0 bis 5 CEM II/B-P 65 bis 79 - 21 bis 35 - - - - - - 0 bis 5 CEM II/A-Q 80 bis 94 - - - 6 bis 20 - - - - - 0 bis 5

Portlandpuzzolanzement

CEM II/B-Q 65 bis 79 - - - 21 bis 35 - - - - - 0 bis 5 CEM II/A-V 80 bis 94 - - - - 6 bis 20 - - - - 0 bis 5 CEM II/B-V 65 bis 79 - - - - 21 bis 35 - - - - 0 bis 5 CEM II/A-W 80 bis 94 - - - - - 6 bis 20 - - - 0 bis 5

Portlandflugaschezement

CEM II/B-W 65 bis 79 - - - - - 21 bis 35 - - 0 bis 5 CEM II/A-T 80 bis 94 - - - - - - 6 bis 20 - - 0 bis 5

Portlandschieferzement CEM II/B-T 65 bis 79 - - - - - - 21 bis 35 - - 0 bis 5 CEM II/A-L 80 bis 94 - - - - - - - 6 bis 20 - 0 bis 5 CEM II/B-L 65 bis 79 - - - - - - - 21 bis 35 - 0 bis 5 CEM II/A-LL 80 bis 94 - - - - - - - - 6 bis 20 0 bis 5

Portlandkalksteinzement

CEM II/B-LL 65 bis 79 - - - - - - - - 21 bis 35 0 bis 5 CEM II/A-M 80 bis 94 6 bis 20 0 bis 5

CEM II

Portlandkompositzementc CEM II/B-M 65 bis 79 21 bis 35 0 bis 5 CEM III/A 35 bis 64 36 bis 65 - - - - - - - - 0 bis 5 CEM III/B 20 bis 34 66 bis 80 - - - - - - - - 0 bis 5 CEM III Hochofenzement CEM III/C 5 bis 19 81 bis 95 - - - - - - - - 0 bis 5 CEM IV/A 65 bis 89 - 11 bis 35 - - - 0 bis 5 CEM IV Puzzolanzementc CEM IV/B 45 bis 64 - 36 bis 55 - - - 0 bis 5 CEM V/A 40 bis 64 18 bis 30 - 18 bis 30 - - - - 0 bis 5 CEM V Kompositzementc CEM V/B 20 bis 38 31 bis 50 - 31 bis 50 - - - - 0 bis 5

a Die Werte in der Tabelle beziehen sich auf die Summe der Haupt- und Nebenbestandteile. b Der Anteil von Silicastaub ist auf 10 M.-% begrenzt. c In den Portlandkompositzementen CEM II/A-M und CEM II/B-M, in den Puzzolanzementen CEM IV/A und CEM IV/B und in den Kompositzementen CEM V/A und in CEM V/B müssen die Haupt-

bestandteile außer Portlandzementklinker durch die Bezeichnung des Zements angegeben werden.

- 159 -

Tabelle D.4.2: Gegenüberstellung der alten und neuen Zementbezeichnungen

neu alt Portlandzement Portlandzement (PZ) Portlandhüttenzement Eisenportlandzement (EPZ) Portlandpuzzolanzement Trasszement (TrZ) Portlandflugaschezement Flugaschezement (FAZ) Portlandschieferzement Portlandölschieferzement (ÖPZ) Portlandkalksteinzement Portlandkalksteinzement (PKZ)

Flugaschehüttenzement (FAHZ) Portlandkompositzement

Portlandflugaschehüttenzement (CEM II/B-SV) Hochofenzement Hochofenzement (HOZ)

Für neuere Zementtypen, die in Tabelle D.4.2 (links) nicht aufgeführt sind, existiert keine entsprechende alte Bezeichnung.

Nach DIN EN 197-1 werden die Zemente auch in Festigkeitsklassen eingeteilt, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind. Diese Tabelle enthält auch Richtwerte für die Hydratationswärmeentwicklung solcher Zemente. Um Verwechs-lungen zu vermeiden, sind Zemente einheitlich zu bezeichnen. Die in DIN 1164 ge-forderten Farbkennzeichnungen sind ebenfalls in dieser Tabelle enthalten.

Tabelle D.4.3: Klassifizierung der Zemente nach DIN EN 197-1 bzw. DIN 1164

Druckfestigkeit (N/mm2)

Anfangs festigkeit

Normfestig-keit

Kennzeichnung durch Farbe

Hydratations- wärme nach

2 Tg. 7 Tg. 28 Tg. Sack Aufdruck 7 Tagen

Festig- keits- klasse

min. min. min. max. [J/g]

32,5 N - 16 32,5 52,5 hellbraun schwarz 150-300

32,5 R 10 - 32,5 52,5 hellbraun rot 275-380

42,5 N 10 - 42,5 62,5 grün schwarz 275-380

42,5 R 20 - 42,5 62,5 grün rot 340-380

52,5 N 20 - 52,5 - rot schwarz 340-380

52,5 R 30 - 52,5 - rot weiß 340-380

Ein R-Zement erhärtet schnell bei höherer Wärmeentwicklung (hohe Anfangsfes-tigkeit; früher: F-Zemente).

Beachte: Nicht alle Zementarten werden in allen Festigkeitsklassen hergestellt.

- 160 -

Zemente mit besonderen Eigenschaften:

Für manche Bauwerke und Zuschläge ist es erforderlich, Zemente mit besonderen Eigenschaften zu verwenden. Diese besonderen Eigenschaften können meist nur durch eine Begrenzung des Gehaltes bestimmter Zementkomponenten erreicht werden (DIN 1164):

NW-Zemente: Zemente mit niedriger Wärmetönung dürfen in den ersten 7 Tagen nur eine Wärmemenge von max. 270 J/g Zement entwickeln.

HS-Zemente: Zemente mit hohem Sulfatwiderstand. Bei Portlandzementen (CEM I) ist der Gehalt von C3A auf 3 M.-% und der Gehalt von Al2O3 auf 5 M.-% beschränkt. Bei den Hochofenzemente sind die Zementtypen CEM III/B und CEM III/C gemäß Tab. D.4.1 zulässig.

NA-Zemente: Zemente mit niedrigem Alkaligehalt zur Vermeidung von Alkali-Zuschlagreaktionen (siehe Abschnitt 4.4.5)

CEM I bis V Na2O-Äquivalent ≤ 0,60 %

CEM II/B-S Anteil Hüttensand ≥ 21 M.-% Na2O-Äquivalent ≤ 0,70 %

CEM III/A Anteil Hüttensand ≤ 49 M.-% Na2O-Äquivalent ≤ 0,95 %

Anteil Hüttensand ≥ 50 M.-% Na2O-Äquivalent ≤ 1,10 %

CEM III/B u. C Na2O-Äquivalent ≤ 2,00 %

Normenbezeichnung der Zemente nach DIN EN 197-1 bzw. DIN 1164:

Diese erfolgt nach Art und Festigkeitsklasse des Zements, nach der Festigkeits-entwicklung und ggf. nach besonderen Eigenschaften.

Beispiele:

• Kompositzement mit einem Hüttensandanteil (S) zwischen 18 % und 30 % und einem Anteil kieselsäurereicher Flugasche (V) zwischen 18 % und 30 % sowie einer üblichen Festigkeitsentwicklung in der Festigkeitsklasse 32,5:

Kompositzement EN 197-1 – CEM V/A (S-V) 32,5 N

• Hochofenzement, Hüttensandgehalt 66 - 80 M.-%, Festigkeitsklasse 32,5, übliche Anfangsfestigkeit, niedrige Hydratationswärme, hoher Sulfatwider-stand:

Hochofenzement DIN 1164 – CEM III/B 32,5 – NW/HS

D.4.1.4.8 Eigenschaften und Prüfung von Zementen

Beschaffenheit und Zusammensetzung der Zemente können insbesondere folgen-de Eigenschaften eines damit hergestellten Betons entscheidend beeinflussen:

• Erstarrungsverhalten (Länge des Zeitraums, innerhalb dem der Frischbeton verarbeitbar bleibt)

• Raumbeständigkeit

• Festigkeitsentwicklung und Verformungseigenschaften

• Wärmeentwicklung während der Erhärtung

• Widerstand gegen chemische Angriffe

- 161 -

Die Kontrolle dieser Eigenschaften erfordert daher eine laufende Überwachung des zur Betonherstellung verwendeten Zementes. Die dazu erforderlichen wich-tigsten Versuche sind in DIN EN 196 festgelegt.

Festigkeitsentwicklung und Betontemperatur:

Wegen ihres Gehalts an latent hydraulischen Stoffen oder Puzzolanen hydratisie-ren Zemente mit Zumahlstoffen meist langsamer als Portlandzement CEM I. Sie zeigen daher auch in höherem Alter noch eine deutliche Festigkeitssteigerung (sie-he Abbildung D.4.4).

Abbildung D.4.4: Zeitliche Entwicklung der Druckfestigkeit von Betonen aus un-terschiedlichen Zementen

Wegen ihrer geringeren Hydratationswärme sind solche Zemente z. B. zum Bau dickwandiger Konstruktionen besonders geeignet.

Dies geht auch aus den nachstehenden Diagrammen (Abbildung D.4.5) hervor, in denen die Erhöhung der Betontemperatur als Folge der Hydratationswärme für Be-ton aus unterschiedlichen Zementen bei Bauteilen unterschiedlicher Dicke in Ab-hängigkeit vom Betonalter aufgetragen ist.

CEM III/A 32,5

CEM I 52,5 RCEM I 32,5 R

3 7 28 90 180

40

80

120

160

Betondruckfestigkeit in %der 28-Tage-Werte

Alter in Tagen (Wurzelmaßstab)

00

CEM III/A 32,5 N

CEM I 32,5 R CEM I 52,5 R

- 162 -

0 10 20 30 40 50 Temperaturanstieg [°C]

CEM I 32,5 R βwN = 45 N/mm²

0 2 4 6 8 10 12 14Alter des Betons (Tage)

6 m

3 m

2 m

1 m

6 m

3 m

2 m

1 m

6 m

3 m

2 m1 m

0 10 20 30 40 50 Temperaturanstieg [°C]

CEM III 32,5 N βwN = 40 N/mm²

0 10 20 30 40 Temperaturanstieg [°C]

CEM III 32,5 N NW/HSβwN = 30 N/mm²

Abbildung D.4.5: Verlauf des Temperaturanstiegs im Kern von Betonbauteilen

unterschiedlicher Dicke (Zementgehalt 300 kg/m3)

Druckfestigkeit (DIN EN 196 Teil 1):

Bestimmung der Druckfestigkeit an Hälften von Prismen 40/40/160 [mm] aus einer Mörtelmischung aus 1 Massenanteil Zement, 3 M.-Teilen Normensand und 0,5 M.-Teilen Wasser im Alter von 2, 7 und 28 Tagen. Geforderte Festigkeiten siehe Ab-schnitt D.4.1.4.7.

Erstarrungsverhalten (DIN EN 196 Teil 3):

Ermittlung von Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende durch Messung der Ein-dringtiefe einer Nadel (Vicatnadel) in einen steifen Zementbrei mit einem Wasser-zusatz von 23 bis 30 M.-%. Der Erstarrungsbeginn darf frühestens 1 Stunde nach dem Anmachen eintreten. Das Erstarrungsende soll nach spätestens 12 Stunden erreicht sein.

- 163 -

Mahlfeinheit (DIN EN 196 Teil 6):

Bestimmung der spezifischen Oberfläche [m2/kg] durch Ermittlung der Luftdurch-lässigkeit eines Zementpulvers nach dem Verfahren von BLAINE. Es beruht auf der Beobachtung, dass mit steigender Oberfläche (= wachsender Mahlfeinheit) die Gasdurchlässigkeit eines verdichteten Pulvers abnimmt. Erforderlicher Mindest-wert: 220 m2/kg.

Raumbeständigkeit (DIN EN 196 Teil 3):

Hohe Gehalte an freiem Kalk, Magnesia oder Sulfaten können bei Wassereinwir-kung zu einem Treiben (starke Volumenvergrößerung) und damit zu Rissen im Zementstein bzw. Beton führen. Der Treibvorgang kann durch Temperaturerhö-hung beschleunigt werden, so dass die Raumbeständigkeit eines Zementes in ei-nem Kochversuch in kurzer Zeit überprüft werden kann. Dazu wird ein aus Ze-mentbrei hergestellter Kuchen in Wasser gekocht. Er muss auch nach dieser Be-handlung scharfkantig und rissefrei bleiben und darf sich um nicht mehr als 2 mm verwölben.

Widerstand gegen chemische Angriffe (DIN EN 196 Teil 2):

Dieser ist durch die chemische Zusammensetzung des Zementes bestimmt und kann nur durch eine chemische Analyse oder durch andere in Deutschland nicht genormte Schnellversuche überprüft werden.

Gehalt an Wasser und CO2 (DIN EN 196 Teil 21):

Bei ungenügendem Schutz des Zementes gegen Feuchtigkeit kann dieser schon vor seiner Verarbeitung hydratisieren. Das Ausmaß dieser Hydratation sowie der Gehalt an CO2 kann aus dem Glühversuch (Erhitzen des Zementes auf T ≈ 1000°C und Bestimmung des Gewichtsverlustes) ermittelt werden. Er darf bei CEM I, CEM II/A(B)-S und CEM III/A(B) 5 M.-%, bei CEM II/A(B)-P 7 M.-% nicht überschreiten.

Hydratationswärme (DIN EN 196 Teil 8 und Teil 9):

Die Hydratationswärme ist nach DIN 1164 nur für NW-Zemente begrenzt. Sie wird nach dem Lösungswärmeverfahren (DIN EN 196 Teil 8) oder nach dem teiladiaba-tischen Verfahren (DIN EN 196 Teil 9) bestimmt und darf einen Wert von 270 J/g Zement nach 7 Tagen nicht überschreiten.

Für einige der CEM-Zemente (Puzzolanzemente) ist deren Puzzolanität (Reakti-onsfähigkeit) zu überprüfen (DIN EN 196 Teil 5).

Andere Eigenschaften:

Zement hat je nach Art eine Rohdichte zwischen 2,90 und 3,20 kg/dm3.

CEM I: 3,10 - 3,20 kg/dm3

CEM II/A(B)-S: 3,04 kg/dm3

CEM III: 3,00 kg/dm3

CEM II/A(B)-P: 2,93 kg/dm3

Die Farbe des Zementes (grau bis weiß) hängt von den Rohstoffen (Fe2O3), der Art des Brennens und der Mahlfeinheit ab, sagt aber über die Zementeigenschaf-ten nichts aus.

Zementleim neigt häufig dazu, vor dem Erstarren Wasser abzusondern (Bluten). Die Neigung zum Bluten nimmt mit steigender Mahlfeinheit ab.

Durch chemische Reaktion und Wasserverlust wird das Volumen des Zement-steins gegenüber dem Ausgangsvolumen u. U. um mehrere Prozent verringert (Schrumpfen; Schwinden). Unter Dauerlast wachsen die Verformungen des Ze-mentsteins auf ein Vielfaches der Anfangsverformungen an (Kriechen, siehe Ab-schnitt D.9).

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Literatur:

[D.4.1] ZEMENT-TASCHENBUCH 1984, Bauverlag GmbH, Düsseldorf

[D.4.2] CZERNIN, W.: Zementchemie für Bauingenieure, Bauverlag GmbH, Wies-baden-Berlin, 1977

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

[D.4.4] GRÜBL, P.; WEIGLER, H.; KARL, S.: Beton: Arten - Herstellung - Eigen-schaften, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001

[D.4.5] BASALLA, A.: Baupraktische Betontechnologie Bauverlag GmbH, Düssel-dorf, 1984

- 165 -

D.4.2 Betonzusatzmittel und Betonzusatzstoffe Definition: Betonzusatzmittel und Betonzusatzstoffe werden dem Frischbeton

flüssig oder als Pulver zugegeben, um die Frischbeton- und/oder die Festbetoneigenschaften günstig zu beeinflussen

Betonzusatzmittel: Zugabe in Mengen ≤ 50 g oder 50 cm³ je kg Zement

Betonzusatzstoffe: Zugabe in Mengen > 50 g oder 50 cm³ je kg Zement

Für Beton dürfen nur Substanzen als Zusatzmittel oder Zusatzstoffe verwendet werden, die vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) zugelassen sind und ein Prüfzeichen besitzen. Ihre Verwendung erfordert immer eine Eignungsprüfung des damit herzustellenden Betons. In jedem Fall ist sorgfältig zu überprüfen, ob Zu-satzmittel oder Zusatzstoffe nicht auch schädliche Wirkungen auf den Beton oder bei Stahl- oder Spannbeton auf die Bewehrung haben können.

D.4.2.1 Betonzusatzmittel

Betonverflüssiger (BV) machen den Frischbeton flüssiger (leichter verarbeitbar) bzw. verringern die für eine bestimmte Verarbeitbarkeit des Frischbetons erforder-liche Wassermenge.

Chemische Substanzen: ligninsulfosaure Salze; anorganische Salze, z.B. von Hydroxylcarbonsäuren

Wirkungsweise: Dispergierung von Zementagglomeraten und Schmierwirkung. Oberflächenaktive Stoffe setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab, und/oder führen zu einer gleichmäßigeren Verteilung der feinen Feststoffe (Zement und Feinsand).

Fließmittel (FM): Eine besondere Gruppe der Betonverflüssiger bilden die Fließmit-tel. Es wird zwischen zwei Gruppen unterschieden:

(1) Bei FM auf der Basis von Melamin oder Ligninsulfonaten tritt keine Verzö-gerung der Erstarrung des Betons ein. Die verflüssigende Wirkung ist be-reits nach ca. 30 Minuten beendet.

(2) Die Naphthalinderivate können auch zu einem verzögerten Erstarren des Betons führen, wobei die verflüssigende Wirkung bis zu 2 Stunden anhält.

Fließmittel können die Wirkung von LP-Mitteln beeinflussen. Bei der Herstellung von Fließbeton (siehe Kapitel 5) ist wegen meist nur begrenzter Wirkungsdauer der Fließmittel häufig ein Nachdosieren erforderlich.

Luftporenbilder (LP) erzeugen im Zementleim ein System gleichmäßiger, verteilter kleiner Luftporen, die während des Mischens des Betons stabil bleiben und sich erst nach sehr langer Wasserlagerung des erhärteten Betons mit Wasser füllen. Luftporenbildner erhöhen den Frostwiderstand des Betons (siehe Kapitel 10). Da sie im Frischbeton wie Kugellager wirken, verbessern sie, ähnlich den BV-Mitteln, auch die Verarbeitbarkeit des Frischbetons.

Chemische Substanzen: Wurzelharze; Ligninsulfonate; Salze der Carboxyl-verbindungen und Proteinsäuren

Wirkungsweise: Stabilisierung von Schaum und Luftblasen in einer wässrigen Lö-sung durch bevorzugte Adsorption an Oberflächen und Reduktion der Oberflä-chenspannung.

Betondichtungsmittel (DM) sollen die Wasserundurchlässigkeit des erhärteten Zementsteins und damit des Betons verbessern. Dies geschieht zum Teil durch eine gewisse wasserabstoßende Wirkung des Zusatzmittels, das auch begrenzt quellfähige Substanzen enthalten kann.

Die dichtende Wirkung von DM-Mitteln ist häufig zeitlich begrenzt, und es ist sinn-voll, dichten Beton durch einen entsprechenden Aufbau des Betons (geringer ω-Wert; gute Verdichtung und Nachbehandlung) zu erreichen.

Chemische Substanzen: Fettsaure Verbindungen, z.B. Kalziumstearat, Natrium-oleat; Abbauprodukte des Eiweißes

- 166 -

Erstarrungsverzögerer (VZ) behindern die Einleitung der Hydratation und verlän-gern den Zeitraum vom Mischen bis zum Erstarrungsbeginn, so dass die Verarbei-tungszeit des damit hergestellten Betons verlängert wird. Die Erhärtung des Be-tons wird im Allgemeinen von VZ-Mitteln nicht oder nur wenig beeinflusst.

Chemische Substanzen: Phosphate; Oxylcarbonsäuren und deren Salze; Sulfona-te; Glukonate

Wirkungsweise: Verzögern des Inlösunggehens der Aluminate; Bildung von Zwi-schenprodukten an der Oberfläche der Zementkörner, so dass weitere Hydratation verzögert wird.

Erstarrungsbeschleuniger (BE) beschleunigen den Hydratationsvorgang und erhö-hen damit die Frühfestigkeit des Zementsteins bzw. des Betons.

Chemische Substanzen: Salze, die in wässriger Lösung alkalisch reagieren, z.B. Natriumkarbonat, Aluminate, Silikate. Ferner Natriumnit-rit, Natriumfluorid und organische Stoffe.

Wirkungsweise: Beschleunigtes Inlösunggehen der Bestandteile des Zementes. Förderung der Keimbildung zur Auskristallisation des Calciumhydroxides.

Beachte: Das früher als Beschleuniger häufig verwendete Calciumchlorid CaCl2 sowie andere chloridhaltige Zusatzmittel dürfen für Stahlbeton- und Spannbeton-konstruktionen wegen der damit verbundenen Korrosionsgefährdung des Beweh-rungs- bzw. Spannstahles nicht mehr verwendet werden.

Einpresshilfen für Einpressmörtel bei Spannbeton (EH) enthalten Treibmittel, wel-che das Volumen der flüssigen Einpressmörtel vergrößern, die in die Spannkanäle von Spannbetonkonstruktionen eingepresst werden. Damit kann eine gleichmäßi-ge, hohlraumfreie Füllung der Spannkanäle erzielt und das Bluten des Einpress-mörtels reduziert werden.

Chemische Substanzen: z.B. Aluminiumpulver, das in einem alkalischen Medium unter Bildung von Wasserstoff oxidiert.

Stabilisierer (ST): Stabilisierer werden dem Beton zugegeben, um ein Entmischen (Bluten) zu vermeiden. ST wirken teilweise etwas verflüssigend. Sie bestehen aus hochmolekularen Polymeren.

Schlussbemerkung:

Manche Zusatzmittel können gleichzeitig verschiedene, z.T. unerwünschte Wir-kungen haben.

Beispiele: Manche Verzögerer erzeugen auch Luftporen; Fließmittel können verzögernd wirken.

Bei der gleichzeitigen Verwendung verschiedener Zusatzmittel können sich diese gegenseitig beeinflussen, z.B. Fließmittel und LP-Bildner. Ihre Wirkung ist daher stets in Eignungsprüfungen besonders sorgfältig zu untersuchen.

Bei falscher Dosierung kann sich die Wirkungsweise eines Zusatzmittels umkeh-ren.

Aus all diesen Gründen ist die Forderung von sorgfältigen Eignungsprüfungen von Beton bei Verwendung von Zusatzmitteln voll gerechtfertigt.

- 167 -

D.4.2.2 Betonzusatzstoffe

Als Betonzusatzstoffe werden verwendet:

• Inerte Stoffe und Pigmente, z.B. Quarz- oder Kalksteinmehl

• Puzzolane Stoffe, Definition siehe Abschnitt D.4.1.3, insbesondere Trass (Tr), Steinkohlenflugasche (FA), Silicastaub (SF) und getemperte Gesteinsmehle (GG)

• Latent hydraulische Stoffe, Definition siehe Abschnitt D.4.1.3, z.B. Hüttensand (als Betonzusatzstoff in Deutschland derzeit nicht bauaufsichtlich zugelassen)

• Organische Stoffe, z.B. Kunstharzzusätze (Dispersionen)

Inerte Zusatzstoffe, z.B. die Gesteinsmehle reduzieren aufgrund ihrer großen Mahlfeinheit das Bluten des Frischbetons und verbessern u.U. seine Verarbeitbar-keit.

Als Pigmente zum Einfärben des Betons werden überwiegend Metalloxide, z.B. Eisenoxidrot, -braun, -schwarz, -gelb, Chromoxidgrün, Manganblau und Titandi-oxid verwendet. Die Farbwirkung der Pigmente hängt von der Betonzusammen-setzung ab und kann zuverlässig nur an trockenen Betonoberflächen beurteilt wer-den.

Tabelle D.4.4: Eigenschaften und Zusammensetzung von Zement, Silicastaub, Flugasche, Hüttensand und Trass im Vergleich

Stoff mittl. Teilchen- durchmesser

[µm]

Dichte

[g/cm³]

Spez. Oberfläche

[m²/g]

SiO2

[M.-%]

Al2O3

[M.-%]

CaO

[M.-%]

Zement 10 – 20 3,1 0,2 – 0,7 18 – 24 4 – 8 60 – 70

Silicastaub 0,1 – 0,2 2,3 20 – 25 85 – 98 < 2 < 1

Flugasche 10 - 20 2,0 – 2,6 0,3 – 1,0 40 - 55 20 - 30 3 - 7

Hüttensand 10 - 20 2,85 0,4 – 1,0 32 - 40 10 - 16 35 - 45

Trass 10 - 30 1,8 – 2,8 0,5 – 0,8 50 - 75 10 - 25 3 - 15

Puzzolane reagieren mit dem im Zementstein vorliegenden Calciumhydroxid unter Bildung von Calciumsilikathydraten. Da diese Reaktion nur sehr langsam abläuft, erfolgt eine Festigkeitssteigerung des Betons auch noch in hohem Alter. Die in der Betontechnologie am meisten verwendeten Puzzolane sind die Flugaschen. Sie fallen als Rückstände bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken an und wer-den über Elektrofilter aus dem Rauchgas abgeschieden. Die Reaktionsfähigkeit von Flugaschen ist einerseits auf ihre sehr kleine Teilchengröße, andererseits auf ihre teilweise amorphe bzw. glasige Struktur zurückzuführen. Die Korngrößenver-teilung der Flugaschen liegt etwa im Bereich jener von Zementen. Flugascheparti-kel sind jedoch in ihrer Form meist kugelig. In Deutschland dürfen z.Zt. nur Stein-kohleflugaschen als Betonzusatzstoffe verwendet werden. Dazu ist ein Prüfzei-chen des Deutschen Instituts für Bautechnik erforderlich. Für Steinkohleflugaschen mit Prüfzeichen sind der C-Gehalt (Glühversuch), der SO3- und der Cl-Gehalt be-schränkt. Ferner ist die Puzzolanität durch Vergleich der Druckfestigkeit von Mi-schungen mit und ohne Flugaschen nachzuweisen (siehe Literatur [D.4.3] und [D.4.4]).

Flugaschen reduzieren wegen ihrer kugeligen Form häufig den Wasseranspruch des Frischbetons. Sie wirken insbesondere in höherem Alter aufgrund ihrer puzzo-lanischen Wirkung festigkeitssteigernd und reduzieren die Hydratationswärme.

- 168 -

In Deutschland kann Flugasche unter bestimmten Voraussetzungen auf den Was-serzementwert und den Zementgehalt angerechnet werden:

eqf

w(w / z)z k f

=+ ⋅

, (D.4.1)

mit (w/z)eq = äquivalenter Wasserzementwert

w = Wassergehalt, kg/m3

z = Zementgehalt, kg/m3

f = Flugaschegehalt, kg/m3

kf = Beiwert, für Außenbauteile 0,3 bis 0,4, siehe [D.4.3]

Flugasche kann den Widerstand von Beton gegen chemischen Angriff, insb. gegen Sulfate, verbessern, siehe Literatur [D.4.3] und [D.4.4].

Silicastaub (silica fume = SF) besteht zu ca. 95 % aus amorpher Kieselsäure und ist ein Abfallprodukt bei der Herstellung von Ferro-Silizium-Legierungen. Die Parti-kel sind kugelig und wesentlich feiner als bei üblichen Zementen. Silicastaub wirkt schon in jungem Alter festigkeitssteigernd und wird z.Zt. vor allem zur Herstellung hochfester Betone verwendet. Wegen seiner hohen Feinheit erhöht er den Was-seranspruch des Frischbetons und erfordert daher meist die Verwendung von Fließmitteln.

Sowohl latenthydraulische als auch puzzolanische Zusatzstoffe werden meist als teilweiser Zementersatz verwendet. Dies wirkt sich sowohl auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit des Betons aus.

Organische Zusatzstoffe verbessern meist das Wasserrückhaltevermögen des Betons. Im Wesentlichen werden sie für Estriche, Reparaturmörtel und als Haft-vermittler bei nachträglich aufzubringenden Schichten verwendet. Für tragende Bauteile aus Beton dürfen diesem keine Kunstharzdispersionen zugegeben wer-den.

Literatur:

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

[D.4.4] GRÜBL, P.; WEIGLER, H.; KARL, S.: Beton: Arten - Herstellung - Eigen-schaften, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001

[D.4.6] DEUTSCHER BETON- UND BAUTECHNIK-VEREIN E. V.: Betonherstellung und Verwendung nach neuer Norm, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2003

- 169 -

D.4.3 Anmachwasser für Beton Fast jedes natürlich vorkommende Wasser, das trinkbar ist oder keinen typischen Geschmack oder Geruch hat, kann als Wasser zum Mischen von Beton benutzt werden.

Bei Wasser unbekannter Herkunft wird empfohlen, Mörtel- oder Betonwürfel her-zustellen und deren Druckfestigkeit nach 28 Tagen zu bestimmen. Die Proben sollten dann mindestens 90 % der Festigkeit eines Betons besitzen, der mit Trink-wasser hergestellt wurde. Außerdem ist zu bestimmen, ob mögliche Verunreini-gungen im Wasser auf den Erhärtungsbeginn und -ablauf des Betons einen Ein-fluss haben.

Wasser mit gelösten Stoffen in einer Konzentration von weniger als 0,2 Vol.-% des Gesamtbetons kann in den meisten Fällen ohne Bedenken für die Betonherstel-lung verwendet werden. Verschiedene Stoffe, die im Folgenden beschrieben sind, können sich aber auch bei geringeren Konzentrationen auf die Eigenschaften von Beton nachteilig auswirken.

D.4.3.1 Salze

Saures Wasser:

Die Verwendung von sauren Wässern zur Herstellung von Beton kann entweder aufgrund der Konzentration an Salzen oder nach dem pH-Wert beurteilt werden. Wenn möglich sollten saure Wässer mit einem pH-Wert kleiner 3,0 zum Herstellen von Beton nicht verwendet werden.

Na2CO3 und K2CO3:

Sobald im Mischwasser eine Konzentration von mehr als 0,1 Vol.-% Alkalicarbona-ten beobachtet wird, sollten Abbindeverhalten und 28-Tage-Festigkeit überprüft werden (Eignungsprüfung).

NaCl und Na2SO4:

Verunreinigungen bis zu 2 Vol.-% können noch hingenommen werden.

Andere Salze:

CaCO3 und MgCO3 sind in Wasser nur wenig löslich und treten daher nur selten in Konzentrationen auf, die für den Beton schädlich sind. Bi-Carbonate des Calciums und Magnesiums sind öfters in Trinkwasser enthalten, erwiesen sich aber in den meisten Fällen als harmlos. Magnesiumsulfate und -chloride in Konzentrationen bis zu 4 Vol.-% wurden schon im Betonwasser vorgefunden, ohne dass dabei Schäden beobachtet wurden. Mangan-, Zinn-, Zink-, Kupfer- oder Bleisalze im Wasser können u.U. auch schon bei Konzentrationen von 0,05 Vol.-% schädliche Auswirkungen haben.

D.4.3.2 Meerwasser

Zur Herstellung von unbewehrtem Beton kann Meerwasser mit einer Konzentration an gelösten Salzen bis zu 3,5 Vol.-% verwendet werden. Die Salze führen oft zu einer Beschleunigung des Erhärtungsvorgangs und zu einer geringen Reduktion der Festigkeit des Betons in hohem Alter. Dies kann durch eine Verringerung des Wasserzementwertes berücksichtigt werden. Die Herstellung von bewehrtem Be-ton mit Meerwasser ist nur bedingt möglich, da sich vor allem bei hohem Chlorid-gehalt des Meerwassers das Risiko der Korrosion der Stahlbewehrung im Beton erhöht.

D.4.3.3 Alkalisches Wasser

Wasser, das NaOH in Konzentrationen über 0,5 Vol.-% enthält, kann zu einer Be-schleunigung des Abbindevorgangs führen. Höhere Konzentrationen können sich auf die Festigkeit nachteilig auswirken. KOH bis zu einer Konzentration von 1,2 Vol.-% kann ebenfalls die Festigkeit des Betons merklich verringern.

- 170 -

D.4.3.4 Industrieabwässer

Die meisten Industrieabwässer enthalten, soweit sie genügend gereinigt sind, nicht mehr als 0,4 Vol.-% an Festbestandteilen. Industrieabwässer führen normalerwei-se zu einem Abfall der Festigkeit bis zu 10 %. In jedem Fall sind jedoch bei der Verwendung von Industrieabwässern vor der Betonherstellung Eignungsprüfungen durchzuführen.

D.4.3.5 Zucker

Geringe Mengen an Zucker, d.h. 0,03 - 0,15 % des Gewichtes an Zement können zu einer erhebliche Verzögerung des Abbindens von Beton führen. Bei Konzentra-tionen über 0,2 % kann dagegen eine Beschleunigung des Abbindevorgangs ein-treten. Konzentrationen über 0,25 % führen zu einem sehr schnellen Abbinden und einem erheblichen Abfall der Druckfestigkeit nach 28 Tagen.

D.4.3.6 Schwebstoffe

Bis zu 0,2 M.-% an Schwebstoffen können normalerweise im Mischwasser hinge-nommen werden. Stärker verunreinigtes Wasser sollte daher in Absetzbecken vorgereinigt werden, ehe es zur Betonherstellung verwendet wird.

D.4.3.7 Öle

Verschiedene Ölarten können gelegentlich im Anmachwasser vorkommen. Dabei hat Petroleum, soweit es nicht mit tierischen oder pflanzlichen Fetten vermengt ist, einen relativ geringen Einfluss auf die Betoneigenschaften. Andere mineralische Öle in Konzentrationen von mehr als 2 %, ausgedrückt in Gewichtsteilen des Zementes, können jedoch zu einer erheblichen Reduktion der Betonfestigkeit führen. D.4.3.8 Algen

Algen im Mischwasser für Beton führen zu einer starken Reduktion der Betonfes-tigkeit, weil sie entweder mit dem Zement unerwünschte chemische Bindungen eingehen oder zu einer großen Erhöhung des Luftgehaltes führen. Algen können auch in Betonzuschlägen enthalten sein, wobei sie sich dann auch auf den Ver-bund zwischen Zuschlagstoff und Zementstein nachteilig auswirken können.

D.4.3.9 Restwasser

Aus Gründen des Umweltschutzes kann Brauchwasser, das in Trans-portbetonwerken z.B. beim Reinigen stationärer Mischer oder der Fahrzeugmisch-trommeln anfällt, wegen seines hohen pH-Wertes nicht dem Abwasser zugeführt werden. Unter bestimmten Bedingungen - siehe dazu Lit. [D.4.6] - kann dieses Wasser zur Herstellung von neuem Beton verwendet werden.

Literatur:

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

[D.4.4] GRÜBL, P.; WEIGLER, H.; KARL, S.: Beton: Arten - Herstellung - Eigen-schaften, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001

[D.4.6] DEUTSCHER BETON- UND BAUTECHNIK-VEREIN E. V.: Betonherstellung und Verwendung nach neuer Norm, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2003

[D.4.7] Richtlinie für die Herstellung von Beton unter Verwendung von Restwas-ser, Restbeton und Restmörtel, September 1991, DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON, Beuth Verlag GmbH Berlin, 1991

- 171 -

D.4.4 Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel

D.4.4.1 Allgemeines

Gesteinskörnungen bestehen üblicherweise aus natürlichem oder künstlichem, dichtem oder porigem Gestein mit Korngrößen von 0 bis max. 63 mm. Die Ge-steinskörnungen sind ein wesentlicher Bestandteil des Betons und füllen etwa 60 bis 80 % seines Gesamtvolumens aus. Der Begriff "Gesteinskörnung" ersetzt in der DIN 1045 den Begriff "Zuschlag", der jedoch noch häufig verwendet wird.

Bedeutung:

• billiger Füllstoff

• Verminderung der Volumenänderungen des Zementsteines

Die Gesteinskörnungen beeinflussen:

• die Festbetoneigenschaften:

hauptsächlich die Rohdichte, Festigkeit, Verformungseigenschaften und die Dauerhaftigkeit des Betons

• die Frischbetoneigenschaften:

Verarbeitbarkeit, Entmischungsneigung, Bluten

D.4.4.2 Arten von Gesteinskörnungen

Zuschläge können entweder nach ihrem Vorkommen oder nach ihrem Gewicht klassifiziert werden:

Nach dem Vorkommen:

• natürliche Gesteinskörnungen:

Sand, Kies, gebrochenes Gestein (Brechsand, Splitt und Schotter)

• industriell hergestellte Gesteinskörnungen:

z.B. geblähter Ton oder Schiefer, Ziegelsplitt, aufbereiteter Altbeton, Hoch-ofenschlacke

Nach dem Gewicht:

• leichte Gesteinskörnungen (ρ < 2,0 kg/dm3):

z.B. Bims, Tuffe, Blähton und Blähschiefer

• normale Gesteinskörnungen (2,0 < ρ < 3,0 kg/dm3):

z.B. Sand, Kies, gebrochenes Gestein

• schwere Gesteinskörnungen (ρ > 3,0 kg/dm3):

z.B. Baryt, Magnetit, Stahlschrot

Es ist grundsätzlich möglich und auch in zunehmendem Maß üblich, Gesteinskör-nungen für Beton durch Recycling von Altbeton herzustellen. Solche Gesteinskör-nungen können die Anforderungen nach DIN 4226-100 erfüllen, wobei die Anteile der Kornfraktion 0/4 mm z.Zt. im Allgemeinen nicht weiter verwendet werden.

D.4.4.3 Kornaufbau von Gesteinskörnungen

Gesteinskörnungen sollen aus Körnern verschiedener Größe aufgebaut sein, um die zur Herstellung eines Betons erforderliche Zementleimmenge zu einem Mini-mum zu machen und die Verarbeitbarkeit des Frischbetons zu optimieren.

- 172 -

Bei kubisch primitiv gepackten Kugeln gleicher Größe entstehen unabhängig vom Kugeldurchmesser Hohlräume, deren Volumen etwa 48 % des Gesamtvolumens beträgt. Bei einer dich-testen Packung bleibt immer noch ein Hohlraumanteil von 26 Vol.-%, der mit Zementleim ausgefüllt werden müsste.

Eine günstigere Füllung kann mit Körnern verschie-dener Durchmesser erzielt werden. Sind die Kugel-durchmesser so gewählt, dass kleinere Kugeln die Hohlräume zwischen den nächstgrößeren Kugeln gerade ausfüllen (Schlupfkorn), so entsteht jedoch ein Gemisch, das für die Verwendung als Gesteins-körnung für Beton meist zu sperrig ist.

vp ~ 0,48v vp ~ 0,26v

D

d

d ~ 0,16D

Tabelle D.4.5: Einige Eigenschaften von Gesteinen für "Betonzuschlag" (Gesteinskörnungen)

1

Reindichte

2

Rohdichte (Trocken-rohdichte)

3

Wasser-aufnahme

4

Quellen und Schwinden

5

Wärme-dehnung

6

Schleifverschleiß, Volumenverlust je 50 cm2 Prüffläche

7

Druckfestigkeit des luft-

trockenen Gesteins

Gesteinsart kg/dm3 kg/dm3 Massen-% mm/m mm je m u. 100°C

cm3 / 50 cm2 N/mm2

Granit, Granodiorit, Syenit 2,62-2,85 2,60-2,80 0,2-0,5 0,06-0,18 0,80 5,0-8,0 160-240

Basalt, Melaphyr 3,00-3,15 2,95-3,00 0,1-0,3 5,0-8,5 250-400

Grauwacke, Quarzit1, Gangquarz2 2,64-2,68 2,60-2,65 0,2-0,5 1,20 7,0-8,0 150-300

Quarzitischer Sandstein 2,64-2,68 2,60-2,65 0,2-0,5 0,03-0,70 1,20 7,0-8,0 120-200

Dichter Kalkstein, Dolomit, kristalliner Marmor1

2,70-2,90 2,65-2,85 0,2-0,6 0,10 0,75 15,0-40,0 80-180

Vulkanischer Tuffstein, Lavaschlacke 2,62-2,75 1,80-2,00 6,0-15,0 20-30

Gneis, Granulit 2,67-3,05 2,65-3,00 0,1-0,6 4,0-10,0 160-280

Baryt 4,10-4,30

Limonit, Goethit 3,6

1 Umwandlungsgestein

2 Erstarrungsgestein

- 174 -

Für Beton werden Korngemische mit stetiger oder unstetiger Korngrößenverteilung verwendet. Die Korngrößenverteilung eines Korngemisches wird durch eine sog. Sieblinie charakterisiert. Für ein vorgegebenes Korngemisch wird sie anhand der Ergebnisse eines Siebversuches ermittelt. Dazu werden Prüfsiebe verwendet, deren Maschen- oder Quadratlochöffnungen nach DIN 4226-1 bzw. DIN 4226-2 festgelegt sind.

Tabelle D.4.6: Beispiel für eine Siebzusammenstellung nach DIN 4226-1

Metalldrahtsiebe

mm

Lochblechsiebe

mm

0,063 0,25 1 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11,2+) 16 22,4+) 31,5+) 45 63

+) Nenngrößen des Korns: 11 mm, 22 mm, 32 mm

Die Zusammenstellung der Prüf-siebe bzw. der Lochdurchmesser dieser Siebe ist in DIN 4226 Teil 1 und Teil 2 in Abhängigkeit vom größten und kleinsten Korndurch-messer der zu prüfenden Korn-gruppe festgelegt. In Tabelle D.4.6 ist ein Beispiel für eine Siebzu-sammenstellung angegeben.

0,25

a7

a6

a5

a4

a3

a2

4,0

2,8

2,0

1,4

1,0

Sie

böffn

ung

[mm

]

Rüc

ksta

nd [k

g]

Eine Korngruppe umfasst die Korngrößen zwischen zwei ge-wählten Sieböffnungen. Z. B. ent-spricht der Rückstand auf dem Sieb mit einer Maschenweite von 2 mm (a5) der Korngruppe 2/2,8 mm. Durch Wägung der Rückstände auf Sieben verschiedener Durch-messer kann der prozentuale Siebdurchgang (Gewichtsanteil an Körnern mit einem Durchmesser < Öffnung des Siebes) wie folgt er-mittelt werden:

aa10,063

Tabelle D.4.7: Vorgehensweise zur Ermittlung des Siebdurchganges

Sieböffnung Rückstand Siebdurchgang Siebdurchgang

[mm] [kg] [kg] [%]

0 a0 - 0

0,063 a1 a0 100•

Ga0

0,25 a2 a0 + a1 100•

Gaa 10 +

1,0 a3 a0 + a1 + a2

1,4 a4 a0 + a1 + a2 + a3

Σa = G

Σa = G

100

- 175 -

Durch Auftragen des Siebdurchgangs in Abhängigkeit von der Korngröße erhält man die Sieblinie. Bei dieser Auftragung gibt der jeweilige Ordinatenwert den An-teil des Korngemisches an, der kleiner als die zugehörige Korngröße ist. Die Sieb-durchgänge von Korngruppen für Beton müssen den Vorgaben in DIN 4226 Teil 1 und Teil 2 entsprechen. Zusätzlich schlägt DIN 1045 Regelsieblinien für Korngemi-sche mit unterschiedlichen Größtkörnern vor, die sich aus den verschiedenen Korngruppen erstellen lassen. Dabei wird jeweils zwischen den Grenzsieblinien A, B, C und U sowie zwischen Sieblinienbereichen bis unterschieden.

Üblicherweise werden auf der Abszisse die Lochweiten der Prüfsiebe mit konstan-ten Abstand voneinander aufgetragen. Da sich die Öffnungen aufeinanderfolgen-der Normensiebe bei den Regelsieblinien nach DIN 1045 um einen konstanten Faktor 2 unterscheiden, entspricht dies einer Auftragung im logarithmischen Maß-stab.

Der Verlauf stetiger Sieblinien kann durch verschiedene Funktionen beschrieben werden, z. B. durch die Korngrößenverteilung nach Andreasen:

n

Dd100A ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅= , (D.4.2)

mit A = Siebdurchgang aller Feststoffe in %

d = Sieböffnung

D = Größtkorn des Korngemisches

n = Potenz

Je höher eine Sieblinie in einem A = f(d)-Diagramm liegt bzw. je kleiner die Potenz in Gleichung D.4.2 ist, umso feiner ist die Sieblinie.

0

20

40

60

80

100

0,25 0,5 1 2 4 8 16 31,5 63

Siebdurchgang [M.-%]

Lochweite [mm]

fein

grob

Abbildung D.4.6: Sieblinien eines feinen und eines groben Korngemisches nach DIN 1045

Die Regelsieblinien nach DIN 1045 können durch die Gleichung

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

=n

D125,0n

Dd

n

D125,01

100A (D.4.3)

beschrieben werden (Ausnahme: Sieblinie U). Mit n ≈ 2/3 ergibt sich Sieblinie A; n ≈ 1/4 Sieblinie B und n → 0 Sieblinie C. Im Gegensatz zu Gleichung D.4.2 gilt Glei-chung 4.3 nicht für den Siebdurchgang aller Feststoffe, sondern lediglich für Fest-stoffe mit d ≥ 0,125 mm, so dass sich nach Gleichung 4.3 für d = 0,125 mm A = 0 ergibt.

- 176 -

Sieblochw eite (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

.125 25 5

511

21

30

42

21

57

36

57

71

30

74

61

85

U8

A8

B8

C8

1

23

4

5

Sieb

durc

hgan

g (M

.-%)

Sieb

durc

hgan

g (V

ol.-%

)

00 00,125 0. 0. 10,25 0,5 1 2 4 82 4 8

Abbildung D.4.7: Grenzsieblinien für Korngemische mit einem Größtkorn von 8

mm

90

100

Sieblochw eite (mm)

38

21

30

42

18

62

36

56

74

30

76

60

88

U16

A16

B16

C16

1

2

3

4

5

49

32

12

Sieb

durc

hgan

g (M

.-%)

Sieb

durc

hgan

g (V

ol.-%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

00 0.1250,125 0.250,25 0.5 11 2 4 8 16 0,5 2 4 8 16

Abbildung D.4.8: Grenzsieblinien für Korngemische mit einem Größtkorn von 16

mm

- 177 -

Sieblochw eite (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

.125 25 .5 2 4 8 16 5

28

23

30

47

15

65

38

62

77

30

80

62

89

U32

A32

B32

C32

1

23

4

5

53

37

14

42

28

8

Sieb

durc

hgan

g (M

.-%)

Sieb

durc

hgan

g (V

ol.-%

)

00 00,125 0.0,25 0 11 0,5 2 4 8 16 31.31,5

Abbildung D.4.9: Grenzsieblinien für Korngemische mit einem Größtkorn von

32 mm

Sieblochw eite (mm)

Sieb

durc

hgan

g (M

.-%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

27

3030

50

14

70

46

64

80

30

80

67

90

U63

A63

B63

C63

1

23

4

5

59

38

19

49

30

116

24

39

0.1 0.25 .5 2 4 8 16 1.5 30 1 3 630,125 0 0,25 0 ,5 1 2 4 8 16 31,5 63

Sieb

durc

hgan

g (V

ol.-%

)

Abbildung D.4.10: Grenzsieblinien für Korngemische mit einem Größtkorn von

63 mm

Bereich grobkörniges Gemisch

Bereich Ausfallkörnung

Bereich grob- bis mittelkörniges Gemisch

Bereich mittel- bis feinkörniges Gemisch

Bereich feinkörniges Gemisch

- 178 -

Der Kornaufbau eines Korngemi-sches beeinflusst die Verarbeitbar-keit des Frischbetons.

Mit feiner werdender Körnung steigt die spezifische Oberfläche des Ge-misches. Entsprechend steigt die zur Benetzung der Gesteinsoberflächen erforderliche Wassermenge, der Wasseranspruch des Korngemi-sches wächst. Der Wasseranspruch ist dabei die für eine bestimmte Ver-arbeitbarkeit des Frischbetons erfor-derliche Wassermenge.

Bei gegebenem Wasserzementwert steigt mit wachsendem Wasseran-spruch auch der erforderliche Ze-mentgehalt (siehe dazu Abschnitt D.5).

Gesteinskörnungen kommen in der Natur meist als Gemenge von Körnern ver-schiedener Größe vor. Um den Aufbau eines natürlichen Korngemisches zu opti-mieren, wird das rohe Gesteinsmaterial im Kieswerk gewaschen und durch Sieben in Kornfraktionen getrennt. Aus wirtschaftlichen Gründen erfolgt die Trennung in Kornfraktionen, die mehrere Kornklassen umfassen, z.B. 0/2; 2/8; 8/32.

Durch geeignete Zusammenstellung eines Korngemisches aus verschiedenen Kornfraktionen wird dann eine Gesamtsieblinie angestrebt, deren Kornaufbau den Regelsieblinien der EN 206-1 und der DIN 1045 möglichst entspricht. Dabei ist eine Sieblinie im Bereich am günstigsten. Sieblinien im Bereich sind zwar noch brauchbar, wegen ihres höheren Anteils an feinen Körnern haben sie jedoch im Vergleich zu Sieblinien im Bereich einen höheren Wasseranspruch.

Sieblinien von sog. Ausfallkörnungen (Bereich ) sind unstetig. Dies sind Korn-gemische, bei denen eine oder mehrere Korngruppen fehlen. Sie können zu wirt-schaftlichen Betonmischungen mit guten Eigenschaften im frischen bzw. im erhär-teten Zustand führen (siehe dazu z.B. [D.4.4]).

Zur Abschätzung des für eine bestimmte Kornzusammensetzung erforderlichen Wasseranspruchs ist es erforderlich, eine Sieblinie durch einen Kennwert zu be-schreiben. Dazu werden u.a. verwendet:

Körnungsziffer: k = 100

enNormensieb allen auf Rückstände∑ in M.-%

Durchgangssumme: D = ∑ Siebdurchgang durch alle Normensiebe in M.-%

Nachfolgende Tabelle gibt diese Kennwerte für die Regelsieblinien nach EN 206-1 bzw. DIN 1045 zusammen mit den dazugehörigen Wasseranspruchszahlen nach Abschnitt D.5.1.3. Sie entsprechen der Wassermenge in dm3, die für 100 dm3 Ge-steinskörnung einer bestimmten Kornzusammensetzung zur Herstellung eines Frischbetons mit plastischer Konsistenz (F2) erforderlich ist.

Zementgehalt

Gehalt an Feinstoffen

Abbildung D.4.11: Erforderlicher Ze-mentgehalt zum Erreichen einer be-stimmten Frischbetonkonsistenz

- 179 -

Tabelle D.4.8: Kennwerte für Regelsieblinien nach EN 206-1 bzw. DIN 1045 und zugehörige Wasseranspruchszahlen

Sieblinie Körnungsziffer D-Summe Wasser-anspruchszahlen

[dm3/100dm3]

A8 B8 C8 U8

3,64 2,89 2,27 3,87

536 611 673 513

10,96 14,46 18,60 11,05

A16 B16 C16 U16

4,61 3,66 2,75 4,88

439 534 625 412

8,90 12,28 16,89 8,72

A32 B32 C32 U32

5,48 4,20 3,30 5,65

352 480 570 335

7,54 11,53 15,13 7,53

A63 B63 C63 U63

6,15 4,91 3,72 6,57

285 409 528 243

7,09 10,53 14,37 7,04

Die Wahl des Größtkorns einer Gesteinskörnung richtet sich nach den Abmessun-gen des zu erstellenden Bauteils. Es soll 1/3 der kleinsten Querschnittsabmessung nicht überschreiten. Bei bewehrtem Beton nach DIN 1045-1 ist zu berücksichtigen, dass der Größtkorndurchmesser dg nicht größer als der Stababstand s zwischen zwei Bewehrungsstäben abzüglich 5 mm sein darf (jedoch nur wenn dg > 16 mm). Zudem muss der Größtkorndurchmesser kleiner als das Nennmaß der Betonde-ckung sein.

Bei Betonfertigteilen nach DIN 1045-4 darf das Größtkorn 4/3 des Nennmaßes der Betondeckung nicht überschreiten.

- 180 -

Um einen Beton mit ausreichendem Zusammenhalt und geringer Neigung zum Bluten und Entmischen herzustellen, soll der Beton einen ausreichenden Mehl-korngehalt besitzen (= Summe des Gehalts an Zement, Zusatzstoff und Feinstzu-schlag 0 bis 0,125), der bei einem Größtkorn von 16 bis 63 mm folgende Richtwerte nicht überschreiten darf:

Tabelle D.4.9: Höchstzulässiger Mehlkorngehalt

Zementgehalt

[kg/m3]

Höchstzulässiger Mehlkorngehalt

[kg/m³]

Für Betone der Festigkeitsklassen bis einschließlich C50/60 und LC50/55 bei den Expositionsklassen XF und XM

≤ 300 400

> 350 450 Für Betone ab den Festigkeitsklassen C55/67 und LC55/60 bei allen Expositions-

klassen

≤ 400 500

450 550

≥ 500 600

Für alle anderen Betone beträgt der höchstzulässige Mehlkorngehalt 550 kg/m³. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte um bis zu 50 kg/m3 ist zulässig, wenn

• der Zementgehalt z > 350 kg/m3 ist • puzzolanische Zusatzstoffe verwendet werden • das Größtkorn 8 mm beträgt

D.4.4.4 Eigenschaften der Gesteinskörnungen

Die meisten normalen Gesteinskörnungen besitzen Festigkeiten von ca. 50 bis 400 N/mm2 und beeinflussen die Betondruckfestigkeit meist nur wenig. Dies gilt nicht für leichte Gesteinskörnungen (siehe Abschnitt D.11.3).

Der Verschleißwiderstand der Gesteinskörnungen ist für Beton von Bedeutung, der besonders starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist. In solchen Fällen sind Körnungen mit besonders hoher Abriebfestigkeit zu verwenden.

Die Rohdichte der Gesteinskörnungen beeinflusst die Rohdichte des Betons und schwankt zwischen 0,5 bis 2,0 kg/dm3 (leichte Gesteinskörnungen), 2,0 bis ca. 3,0 kg/dm3 (normale Gesteinskörnungen), > 3,0 kg/dm3 (schwere Gesteinskörnungen).

Die Kornform hat einen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Ge-drungene bzw. kugel- oder würfelförmige Körner ergeben einen gut verarbeitbaren Beton. Daher sollte höchstens die Hälfte der Gesteinskörnung über 8 mm so plattig sein, dass die Länge der Körner mehr als das 3-fache ihrer Dicke beträgt.

Der Feuchtigkeitsgehalt der Gesteinskörnungen für Beton hängt von Art und Vo-lumen der Poren in den Körnern ab. Eine hohe Eigenfeuchte des Korngemisches, vor allen Dingen des Sandes, erhöht den Wasserzementwert der Betonmischung, wenn sie bei der Wasserzugabe nicht berücksichtigt wird.

Eigenfeuchte: Sie gibt den Feuchtigkeitsgehalt einer Gesteinskörnung und wird durch Bestimmung des Masseverlustes nach Trocknen des Korngemisches bei etwa 100°C bestimmt durch

t

tf

mmm

teEigenfeuch−

= , (D.4.4)

mit mf = Masse der feuchten Probe,

mt = Masse der trockenen Probe.

- 181 -

Die Eigenfeuchte kann in Oberflächen- und Kernfeuchte aufgeteilt werden.

Oberflächenfeuchte: Feuchtigkeit, die an der Oberfläche der Gesteinskörnung adsorbiert oder zwischen den Körnern angelagert ist und am Hydratationsvorgang des Zements teilnehmen kann. Sie ist vor allem bei den feineren Fraktionen (Sand) von Bedeutung.

Zur Bestimmung der Oberflächenfeuchte muss die Eigenfeuchte der Gesteinskör-nung um den Betrag der Kernfeuchte vermindert werden. Diese gibt das in den Poren der Körner enthaltene Wasser an, das am Hydratationsvorgang nicht teil-nimmt. Es beträgt z. B. bei Moräne- und Rheinkies ca. 0,8 M.-% der getrockneten Körner.

Frostwiderstand: Eine Gesteinskörnung für Beton, die häufigem Frost-Tau-Wechsel ausgesetzt ist, muss einen ausreichenden Frostwiderstand besitzen. Dieser hängt vor allem vom Porenvolumen und Porengrößenverteilung der Ge-steinskörnung sowie von der Größe der Körner ab. Körnungen mit einem hohen Gehalt an feinen, kontinuierlichen Poren sind meist weniger frostbeständig als dichte Körnungen mit geringem Porenvolumen. Große Körner werden durch Frosteinwirkung eher zerstört als kleine Körner (siehe dazu auch Abschnitt D.10).

D.4.4.5 Schädliche Bestandteile

Feinanteile:

Die Feinanteile sind als Teile des Zuschlags < 0,063 mm definiert. Sie bestehen häufig aus lehm- oder tonhaltigen Stoffen, haften an der Oberfläche der Betonzu-schläge und vermindern die Verbundfestigkeit zwischen der Gesteinskörnung und dem Zementstein. Ihr Gehalt soll folgende Werte nicht überschreiten:

Tabelle D.4.10: Zulässige Gehalte an Feinanteilen nach DIN 4226-1

Gesteinskörnung

[mm]

Höchstwerte des Gehalts an Feinanteilen

[M.-%]

Grobe Gesteinskörnungen

Feine Gesteinskörnungen (0 mm bis 4 mm)

Natürlich zusammengesetzte Gesteinskör-nungen (0 mm bis 8 mm)

Korngemische (0 mm bis 45 mm)

1,0

4,0

3,0

2,0

Stoffe organischen Ursprungs und erhärtungsstörende Stoffe:

Organische Verunreinigungen der Gesteinskörnungen, wie z. B. Humus oder koh-leartige Substanzen, können für den Beton schädlich sein, da sie den Erhärtungs-ablauf beeinflussen, zur Volumenvergrößerung oder zu einer Verfärbung der Be-tonoberflächen führen können. Der Anteil leichtgewichtiger organischer Verunrei-nigungen soll bei feinen Gesteinskörnungen (Sand) 0,5 M.-% und bei groben so-wie natürlich zusammengesetzten Gesteinskörnungen und Korngemischen 0,1 M.-% nicht überschreiten.

Schwefelverbindungen:

Sie können vor allen Dingen als Sulfate mit der C3A-Komponente des Zements reagieren und durch Treiben zu einer Betonzerstörung führen. Der Gehalt an Sul-fat in Betonzuschlägen soll daher 0,8 M.-% des Trockengewichts nicht überschrei-ten.

- 182 -

Chloride:

Sie sind nicht für die Komponenten des Betons schädlich, zerstören aber die Pas-sivschicht einer im Beton eingebetteten Stahlbewehrung. In nicht karbonatisiertem Beton werden geringe Mengen von Chlorid durch die C3A-Komponente gebunden. In Europa gelten folgende Grenzwerte für die maximalen Chloridgehalte des Be-tons bezogen auf das Zementgewicht (DIN V ENV 206):

• unbewehrter Beton: 1,0 M.-%

• bewehrter Beton: 0,4 M.-%

• Spannbeton, nachträgliche Vorspannung: 0,2 M.-%

Alkali-Zuschlag-Reaktionen:

Betonzuschläge, die Silikate in amorpher Form enthalten, können in feuchter Um-gebung mit den löslichen Alkalien des Zements (Na2O und K2O) reagieren. Die so entstehenden Alkalisilikate haben eine Gelstruktur und können große Mengen an Wasser bei gleichzeitiger Volumenvergrößerung aufnehmen. Diese Treiberschei-nungen können den Beton zerstören (siehe z.B. Literatur [D.4.3]).

D.4.4.6 Zusätzliche Anforderungen in den Normen

Nach DIN 4226, Teil 1, „Gesteinskörnungen für Beton; Zuschlag mit dichtem Gefü-ge; Begriffe, Bezeichnungen und Anforderungen“, werden Gesteinskörnungen in die Kategorien "feine Gesteinskörnungen (Sand)", "grobe Gesteinskörnungen" sowie "natürlich zusammengesetzte Gesteinskörnungen" und "Korngemische" unterteilt. Für Jede dieser Kategorien werden Regelanforderungen angegeben. Diese Regelanforderungen betreffen neben den vorstehend angeführten Punkten folgende Eigenschaften:

• Widerstand gegen Zertrümmerung, Verschleiß, Polieren und Abrieb

• Frostwiderstand und Frost-Tausalz-Widerstand

• Raumbeständigkeit

D.4.4.7 Leichte Gesteinskörnungen

Eine leichte Gesteinskörnung ist ein Gemenge aus natürlichen oder künstlich her-gestellten Stoffen mit einer Rohdichte zwischen 0,4 und 2,0 kg/dm3 entsprechend einem Porenvolumen von 70 bis 35 Vol.-%.

Beispiele: Naturbims; Lavaschlacken; Hüttenbims; Blähschiefer; Blähton

Die hohe Porosität bewirkt eine hohe Wasseraufnahme der Gesteinskörner und u. U. einen hohen Wasseranspruch eines damit hergestellten Frischbetongemi-sches (siehe Abschnitt D.11.3). An leichte Gesteinskörnungen werden im Wesent-lichen die gleichen Anforderungen wie an normale Gesteinskörnungen gestellt. (Weitere Einzelheiten siehe z. B. [D.4.3] und [D.4.4]).

- 183 -

D.5 Eigenschaften des Frischbetons Problemstellung:

Die Eigenschaften des Frischbetons hängen von der Betonzusammensetzung, von den Eigenschaften der Ausgangsstoffe und von den Umweltbedingungen ab. Bei ei-ner Kenntnis der Parameter, welche die Frischbetoneigenschaften beeinflussen, kön-nen die zur Betonherstellung erforderlichen Material- und Energiekosten (Verdich-tung) gering gehalten und die Eigenschaften des erhärteten Betons optimiert werden.

D.5.1 Verarbeitbarkeit und Konsistenz Die Verarbeitbarkeit ist die wichtigste Frischbetoneigenschaft. Sie kann nicht durch eine einzige Kenngröße beschrieben werden, da sie eine Reihe von Eigenschaften umfasst, insbesondere die Mischbarkeit der Komponenten, das Verhalten beim Transport und beim Einbringen des Betons in die Schalung, die Verdichtungswilligkeit und das Verhalten beim Abgleichen der Oberfläche. Eine am ehesten geeignete Messgröße ist der Energieaufwand, der zur Durchführung dieser Operationen erfor-derlich ist. Insbesondere die zum Verdichten erforderliche Energie kann über die Kon-sistenz des Frischbetons abgeschätzt werden.

D.5.1.1 Klassifizierung

Je nach seiner Konsistenz wird der Frischbeton nach DIN 1045 in folgende Klassen eingeteilt:

Tabelle D.5.1: Ausbreit- und Verdichtungsmaße für verschiedene Konsistenzklassen

Ausbreitmaß (Durchmesser)

[mm] Klasse Konsistenzbeschreibung

≤ 340 F1 steif

350 bis 410 F2 plastisch

420 bis 480 F3 weich

490 bis 550 F4 sehr weich

560 bis 620 F5 fließfähig

≥ 630 F6 sehr fließfähig

Verdichtungsmaß [-] Klasse Konsistenzbeschreibung

≥ 1,46 C0 sehr steif

1,45 bis 1,26 C1 steif

1,25 bis 1,11 C2 plastisch

1,10 bis 1,04 C3 weich

Die Konsistenzklassen des Verdichtungs- und des Ausbreitmaßes sind nicht direkt vergleichbar.

Beachte: Bei gegebenem Wasserzementwert sind die Materialkosten zur Herstellung eines trockenen Betons niedriger als zur Herstellung eines weichen Betons. Dagegen wachsen die zur vollständigen Verdichtung des Frischbetons erforderlichen Energie-kosten mit steigender Steifigkeit.

Weitere Beurteilungskriterien für die Betonkonsistenz nach DIN 1045 sind das Setz-maß und die Setzzeit.

- 184 -

D.5.1.2 Methoden zur Bestimmung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons

Das Ausbreitmaß (DIN EN 12350-5): 130 mm

200 mm

200 mm

Auf einen Ausbreittisch wird ein Blechkonus gestellt, der in zwei Lagen mit Frischbe-ton gefüllt wird. Dieser wird durch 10 Stöße je Lage mit einem Holzstampfer, Quer-schnitt 40.40 mm2 verdichtet. Nach dem Füllen des Konus wird dieser gezogen und der Ausbreittisch innerhalb 15 Sekunden 15-mal bis zu einem Anschlag hochgehoben und dann frei fallen gelassen. Dabei breitet sich der Beton aus. Das Ausbreitmaß ist der mittlere Durchmesser des so entstandenen Betonkuchens. Der Ausbreitversuch eignet sich nur für Beton der Konsistenzbereiche F1 bis F6.

Das Verdichtungsmaß (DIN EN 12350-4):

s

200 mm

h =400mm

Dieser Versuch ist für die Konsistenzbereiche C0 bis C3 geeignet. Der Frischbeton wird in einen offenen Blechkasten 200.200.400 mm3 lose eingefüllt. Danach wird der überstehende Beton abgestrichen und der Beton durch Rütteln optimal verdichtet. Der Abstand der Oberfläche des verdichteten Betons vom oberen Behälterrand ist ein Maß für die Konsistenz des Frischbetons:

sh

hv−

= (D.5.1)

- 185 -

D.5.1.3 Einflussgrößen

Die Konsistenzklasse steigt d.h. der Frischbeton wird weicher mit steigendem Was-sergehalt und steigendem Gehalt an Zementleim. Sie kann durch Betonzusatzmittel insbesondere Verflüssiger, Fließmittel und Luftporenbildner erhöht werden. Auch der Mehlkorngehalt muss zur Optimierung der Konsistenz und Verarbeitbarkeit des Frischbetons auf ein richtiges Maß eingestellt werden. Von besonderer Bedeutung sind der Aufbau der Gesteinskörnungen sowie Größe und Form der Körner. Aus der Sieblinie der Gesteinskörnung ergibt sich der Wasseranspruch nach Abschnitt D.4.4.3. Der zur Erzielung einer bestimmten Frischbetonkonsistenz erforderliche Wassergehalt des Frischbetons ≡ Wasseranspruch kann nachfolgendem Diagramm entnommen werden.

Körnungsziffer k (-) 6,0

120 140 160 Wasseranspruch (kg/m³)

180 200 220 240 260

C 8 F1 F2 F3

A

A

B

BA

C

C8

32

32

32

16

16

16

8

B

F3 F2 F1 5,5

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

Abbildung D.5.1: Abhängigkeit zwischen Körnungsziffer k des Korngemisches und Wasseranspruch w des Frischbetons

Eine Erhöhung der Betontemperatur kann eine Reduktion der Konsistenzklasse und insbesondere eine Reduktion der Zeitspanne zur Folge haben, während der ein Frischbeton verarbeitbar bleibt.

Fließbeton (Konsistenz F4 und F5) soll ein gutes Fließ- und ein gutes Zusammenhal-tevermögen aufweisen. Er wird aus einem steiferen Beton als Ausgangsbeton durch nachträgliches Zumischen eines Fließmittels (siehe Abschnitt D.4.1) hergestellt.

D.5.2 Abgleichen einer frischen Betonoberfläche In vielen Fällen ist es erforderlich, eine besonders gleichmäßige, glatte Betonoberflä-che herzustellen. Dies ist umso leichter möglich, je höher der Wassergehalt und je größer der Gehalt an feinen Bestandteilen im Beton ist.

- 186 -

D.5.3 Neigung zum Entmischen Frischbeton, der einen ungenügenden Gehalt an feinen Stoffen und einen zu hohen Gehalt an Wasser hat, neigt zum Entmischen, d.h. beim Transportieren oder Einbrin-gen des Betons trennen sich die groben Gesteinskörnungen vom Zementleim oder Mörtel.

Eine besondere Art des Entmischens ist das Bluten. Wegen der hohen Rohdichte der Gesteinskörnungen und des Zements setzen sich diese in der Betonmischung ab, das Mischwasser steigt nach oben, so dass sich an der Betonoberfläche eine Wasser-schicht bildet.

Folgen:

• Blutkanäle

• Geringer Verschleißwiderstand der Oberfläche

• Ungleichmäßige Festigkeitsverteilung: die höher gelegenen Bereiche des Betons haben wegen des hochsteigenden Wassers einen höheren Wasserzementwert

• Reduzierte Verbundfestigkeit zwischen Beton und Stahlbewehrung: das hochstei-gende Wasser sammelt sich unter der Bewehrung oder unter Gesteinskörnern

• Verbesserte Abziehfähigkeit der Oberfläche

Gegenmaßnahmen:

• Reduktion des Wassergehaltes

• Erhöhung des Mehlkorngehaltes

• Verwendung von Luftporenbildnern, Stabilisierern oder Zusatzstoffen

D.5.4 Luftgehalt Der Luftgehalt des Frischbetons (ohne Verwendung von LP-Mitteln) ist ein Maß für die erreichte Verdichtung des Frischbetons und damit auch für die bei gegebenem Was-serzementwert und Lagerung erreichbare Betondruckfestigkeit. Er soll bei vollständig verdichtetem Frischbeton ohne Verwendung von LP-Mitteln ca. 2 Vol.-% nicht über-schreiten. Der Luftgehalt kann experimentell oder rechnerisch ermittelt werden.

D.5.4.1 Direkte experimentelle Bestimmung

2

3

4

1

Die experimentelle Methode beruht auf dem Boyle-Mariott´schen Gesetz. Dieses be-sagt, dass das Volumen eines Gases bei konstanter Temperatur dem aufgebrachten Druck umgekehrt proportional ist (p·V = const.). Der Frischbeton wird in ein Druckge-fäß eingefüllt und wie der Baustellenbeton verdichtet. Nach dem Säubern des Topf-randes wird der Deckel aufgeschraubt und der Hohlraum zwischen Beton und De-ckel mit Wasser völlig gefüllt. Daraufhin wird in die Druckkammer Luft gepumpt, bis das Manometer einen bestimmten Luftdruck anzeigt. Dann wird das Ventil zwi-schen Druckkammer und dem mit Wasser und Beton gefüllten Raum geöffnet und der Druckabfall über das Manometer gemessen. Je höher der Druckabfall, um so höher der Luftgehalt des Betons.

- 187 -

D.5.4.2 Bestimmung mit Hilfe der Frischbetonrohdichte

Bei der rechnerischen Ermittlung des Luftgehalts eines Frischbetons wird mit Hilfe bekannter Werte für die Mischungszusammensetzung und für die Rohdichten der Betonkomponenten das theoretische Volumen des Betons bei einem Luftgehalt von 0 Vol.-% errechnet. Aus dem Unterschied zwischen der theoretischen Rohdichte ρT und der experimentell bestimmten Rohdichte ρE des verdichteten Frischbetons

100100•v

vvP(%)T

ET

E

TE ⋅ρρ−ρ

=−

= (D.5.2)

kann der Luftgehalt berechnet werden.

Beispiel:

Gesteinskörnungen 1895 kg ρ = 2,64 v = 0,718 m3

Wasser 170 kg ρ = 1,00 v = 0,170 m3

Zement 340 kg ρ = 3,10 v = 0,110 m3

_______ _______________

∑ = 2405 kg ∑v = 0,998 m3

3T kg/dm2,41

0,9982405

==ρ ρE = 2,38 kg/dm3

%-Vol.1,241002,410,03100

2,412,382,41P =⋅=⋅

−=

D.6 Betonzusammensetzung Problemstellung:

Beton soll so zusammengesetzt sein, dass unter Berücksichtigung der geforderten Wirtschaftlichkeit sowohl die Frischbetoneigenschaften (Verarbeitbarkeit, Widerstand gegen Entmischen) als auch die Eigenschaften des erhärteten Betons (Festigkeit, Verformungseigenschaften, Dauerhaftigkeit) ein Optimum erreichen.

D.6.1 Eingangsgrößen und Einflussparameter Bei der Bestimmung der Betonzusammensetzung, dem Mischungsentwurf, sind fol-gende Eingangsgrößen zu berücksichtigen bzw. festzulegen:

• Geforderte Festigkeitsklasse:

Daraus ergeben sich die anzustrebende Festigkeit βD und der Wasserzementwert. Im Normalfall wird für den Beton eine bestimmte Festigkeit im Alter von 28 Tagen gefordert. Je nach Art des Bauwerks und seiner Beanspruchung kann jedoch auch eine Festigkeit maßgebend sein, die bei einem geringeren oder einem höheren Al-ter erreicht wird.

• Die Umweltbedingungen während des Bauzustandes und während der Nutzung des Bauwerkes; sie beeinflussen die Wahl von Wasserzementwert, Zementart und Zementgehalt, die Verwendung von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen, die ange-strebte Frischbetonkonsistenz, besondere Vorkehrungsmaßnahmen während des Betonierens sowie Umfang und Art der Nachbehandlung.

• Die Art der Konstruktion, ihre Abmessungen sowie Art und Abstand der Beweh-rung; sie können maßgebend sein für die Anwendung spezieller Betonierverfahren, die geforderte Frischbetonkonsistenz, Sieblinie und Größtkorn des Korngemi-sches, Zementart und Zementgehalt sowie die Verwendung von Zusatzmitteln.

- 188 -

• Die zur Verfügung stehenden Einrichtungen und Werkstoffe, bei Transportbeton auch die zu erwartende Beförderungszeit vom Transportbetonwerk bis zur Baustel-le.

D.6.2 Konformitätskontrollen Um zu überprüfen, ob die tatsächlichen Eigenschaften eines Betons mit den geforder-ten Betoneigenschaften übereinstimmen, sind so genannten Konformitätskontrollen notwendig. Dabei wird neben anderen Eigenschaften auch die Druckfestigkeit des Betons geprüft und bewertet.

Die Erstprüfung ist ein integraler Bestandteil der Festlegung einer Betonzusammen-setzung. Durch Probemischungen soll überprüft werden, ob ein Beton bestimmter Zusammensetzung die angestrebten Frischbetoneigenschaften sowie die Druckfes-tigkeit im Alter von 28 Tagen aufweist. Eine Erstprüfung ist zwingend erforderlich, bevor der Beton im Bauwerk eingesetzt wird.

Die tatsächliche Druckfestigkeit des Betons mit derjenigen Zusammensetzung, die für den Anwendungsfall übernommen werden soll, muss die Werte der charakteristischen Festigkeit fck (nach Tabelle D.3.2) um eine gewisses Vorhaltemaß V überschreiten. Dieses Vorhaltemaß muss mindestens so groß sein, wie zur Erfüllung der Konformi-tätskriterien nach DIN 1045 erforderlich ist. Das Vorhaltemaß V sollte ungefähr das Doppelte der erwarteten Standardabweichung (mindestens 6 N/mm² und höchstens 12 N/mm²) betragen. Die Konformitätskriterien für die Erstherstellung von Normalbe-ton sind nachfolgend zusammengestellt:

Anzahl n der

Prüfergebnisse in der Reihe

Mittelwert fcm von n Prüfergebnissen

[N/mm²]

Jedes einzelne Prüfergebnis fci

[N/mm²]

Erstherstellung: 3 fcm ≥ fck + 4 fcm ≥ fck – 4 (D.6.1)

Sofern der Hersteller des Betons ausreichende Erfahrungen über die zu erwartende Standardabweichung σ der Druckfestigkeit besitzt, kann anstelle des Vorhaltemaßes die in der Konformitätsprüfung anzustrebende Druckfestigkeit aus folgenden Bezie-hungen ermittelt werden:

Anzahl n der

Prüfergebnisse in der Reihe

Mittelwert fcm von n Prüfergebnissen

[N/mm²]

Jedes einzelne Prüfergebnis fci

[N/mm²]

Stetige Herstellung: 15 fcm ≥ fck + 1,48 σ fcm ≥ fck – 4 (D.6.2)

D.6.3 Kornzusammensetzung, Wasseranspruch, Wasserzementwert und Zementgehalt

Nach der Definition und Festlegung der beim Mischungsentwurf zu berücksichtigen-den Parameter sind das Größtkorn sowie die Zusammensetzung der Gesteinskör-nung nach Abschnitt D.4.4.3 zu bestimmen. Daraus ergibt sich der Wasseranspruch des Frischbetons. Er kann dem Diagramm im Abschnitt D.5.1.3 oder der nachfolgen-den Tabelle entnommen werden.

- 189 -

Tabelle D.6.1: Richtwerte für den Wassergehalt w

Gesteinskörnung Richtwerte für den Wassergehalt w in kg/m3 Frischbeton der Kon-sistenzen F1, F2 und F3 bei Gesteinskörnungen mit

Sieblinie nach

Kör-nungs-

großem Wasseranspruch

geringem Wasseranspruch

DIN 1045 ziffer F1 F2 F3 F1 F2 F3

A63

A32

A16

A8

6,15

5,48

4,61

3,64

120 ± 15

130 ± 15

140 ± 20

155 ± 20

145 ± 10

155 ± 10

170 ± 15

190 ± 15

160 ± 10

175 ± 10

190 ± 10

210 ± 10

95 ± 15

105 ± 15

120 ± 20

150 ± 20

125 ± 10

135 ± 10

155 ± 15

185 ± 15

140 ± 10

150 ± 10

175 ± 10

205 ± 10

B63

B32

B16

B8

4,91

4,20

3,66

2,89

135 ± 15

140 ± 20

150 ± 20

175 ± 20

160 ± 10

175 ± 15

185 ± 15

205 ± 15

180 ± 10

195 ± 10

205 ± 10

225 ± 10

115 ± 15

130 ± 20

140 ± 20

170 ± 20

145 ± 10

165 ± 15

180 ± 15

200 ± 15

165 ± 10

185 ± 10

200 ± 10

220 ± 10

C63

C32

C16

C8

3,72

3,30

2,75

2,27

145 ± 20

165 ± 20

185 ± 20

200 ± 20

180 ± 15

200 ± 15

215 ± 15

230 ± 15

200 ± 10

220 ± 10

235 ± 10

250 ± 10

135 ± 20

160 ± 20

175 ± 20

185 ± 20

175 ± 15

195 ± 15

205 ± 15

215 ± 15

190 ± 10

215 ± 10

225 ± 10

235 ± 10

Der Wasserzementwert ergibt sich aus der anzustrebenden Betondruckfestigkeit fcm und dem Zusammenhang zwischen Betondruckfestigkeit und Wasserzementwert nach Abschnitt D.9.1.3.

Aus dem folgenden Diagramm, das für Beton ohne Betonzusatzmittel gültig ist, geht hervor, dass der zur Erzielung einer bestimmten Betonkonsistenz erforderliche Ze-mentgehalt umso höher ist, je niedriger der Wasserzementwert. Stets sind aber die Anforderungen an den Mindestzementgehalt und den max. zulässigen Wasser-zementwert nach Abschnitt D.10.8 zu überprüfen.

- 190 -

0

100

200

300

400

500

600

700

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

F3

F2

F1

kg Zement pro m³ Beton

Wasserzementwert ω = w/z

Konsistenz: (Ausbreitmaß)weichplastischsteif

Abbildung D.6.1: Erforderlicher Zementgehalt in Abhängigkeit vom Wasserzement-wert

D.6.4 Mischungsentwurf Der rechnerischen Abschätzung der Betonzusammensetzung liegt die sog. Stoff-raumgleichung zugrunde. Sie besagt, dass das Volumen von 1 m3 Frischbeton sich aus der Summe der Volumenanteile von Zement, Wasser, Gesteinskörnungen, Be-tonzusatzstoffen und Verdichtungs- bzw. Luftporen ergibt:

3

fgwz

dm1000pfgwz=+

ρ+

ρ+

ρ+

ρ , (D.6.3)

wobei z = Zementgehalt in kg/m3 w = Wassergehalt in kg/m3 g = Gehalt an Gesteinskörnungen in kg/m3 f = Gehalt an Betonzusatzstoffen in kg/m3 p = Porenraum in dm3/m3 ρz = Rohdichte des Zementes in kg/dm3 ρw = Rohdichte des Wassers (= 1 kg/dm3) ρg = Rohdichte der Gesteinskörnung in kg/dm3 ρf = Rohdichte der Betonzusatzstoffe in kg/m3

Die Rohdichte von Zement liegt etwa im Bereich von 2,95 kg/dm3 für Trasszemente, 3,0 kg/dm3 für Hochofenzemente und 3,1 kg/dm3 für Portlandzemente. Angaben über die Rohdichte von Gesteinskörnungen können Abschnitt 4.4.3 entnommen werden. Die Rohdichte von Flugasche schwankt etwa zwischen 2,2 und 2,7 kg/dm3.

- 191 -

Bei der rechnerischen Abschätzung einer Betonzusammensetzung ist dann wie folgt vorzugehen:

1. Festlegung der maßgebenden Expositionsklassen für den Einsatz des Betons (gemäß Tabelle D.3.4). Daraus ergeben sich die obere Grenze für den w/z-Wert, die untere Grenze für die Festigkeitsklasse und der Mindestzementgehalt des zu verwendenden Betons. Darüber hinaus sind in Abhängigkeit von der Expositionsklasse weitere Vorgaben wie die zu verwendende Zementart und der Mindestluftgehalt des Betons sowie Anforderungen an die Gesteinskörnun-gen zu beachten.

2. Festlegung folgender Kennwerte des Betons unter Beachtung der o. g. Vorga-ben:

• anzustrebende mittlere Druckfestigkeit des Betons

• anzustrebende Konsistenz des Frischbetons

3. Wahl der zu verwendenden Ausgangsstoffe:

• Art und Festigkeitsklasse des Zementes

• Art und Größtkorn der Gesteinskörnungen

• ggf. Art von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen

4. Festlegung der Zusammensetzung der Gesteinskörnung nach Abschnitt D.4.4.3.

5. Bestimmung des erforderlichen Wassergehaltes w unter Berücksichtigung evtl. zu verwendender Betonzusatzmittel und -zusatzstoffe.

6. Festlegung des Wasserzementwertes ω. Er ist so niedrig zu wählen, dass die Grenzwerte auch bei den während der laufenden Betonherstellung auftreten-den Streuungen nicht überschritten werden. Die o. g. Vorgaben in Bezug auf die Dauerhaftigkeit (Expositionsklassen) sind dabei unbedingt einzuhalten.

7. Bestimmung des Zementgehaltes: z = w/ω. Ist der Zementgehalt, z. B. wegen der damit verbundenen Hydratationswärme, zu hoch, so sind der Wasseran-spruch bzw. der Wassergehalt nach 4. entsprechend zu korrigieren. Auch hier-bei sind die o. g. Vorgaben in Bezug auf die Dauerhaftigkeit (Expositionsklas-sen) unbedingt einzuhalten.

8. Abschätzung des zu erwartenden Volumenanteils von Poren unter Berücksich-tigung der möglichen Verwendung von LP-Bildnern.

9. Bestimmung des Gehaltes der Gesteinskörnungen nach Gleichung (D.5.4):

gfwz

pfwz1000g ρ⋅

−

ρ−

ρ−

ρ−= (D.6.4)

10. Überprüfung des Gehaltes an Mehlkorn und Feinsand sowie des Gehaltes an Zugabewasser unter Berücksichtigung der Eigenfeuchte der Gesteinskörnun-gen.

Eine Vorausberechnung der Betonzusammensetzung stellt nur eine Näherung der tatsächlichen Gegebenheiten dar und ist daher stets durch Konformitätsprüfungen (Erstprüfung und laufende Überwachung der Produktion) zu untermauern und, je nach Ergebnis, zu korrigieren.

- 192 -

D.7 Arbeiten mit Frischbeton

D.7.1 Mischen der Ausgangsstoffe Die Ausgangsstoffe des Beton, Zement, Gesteinskörnungen und Wasser müssen innig miteinander vermischt sein, damit der eingebrachte Beton einen möglichst gleichmäßigen Aufbau und eine möglichst gleichmäßige Zusammensetzung besitzt.

Über Mischwerkzeuge wird auf die Vorlesungen Baubetriebstechnik I und II verwie-sen.

Die Mischdauer bestimmt die Gleichmäßigkeit eines Betons. Eine zu kurze Mischdau-er hat eine hohe Streuung der Eigenschaften des erhärteten Betons zur Folge. Im Allgemeinen darf die Mischzeit nach Zugabe aller Ausgangsstoffe bei Mischern mit besonders guter Mischwirkung 0,5 min. und bei allen übrigen Mischern 1 min. nicht unterschreiten. Diese Mindestmischzeiten sind sehr kurz und reichen in den meisten Fällen, insbesondere wenn die Mischwerkzeuge bereits abgenutzt oder nicht optimal eingestellt sind, nicht aus.

Die Zusammensetzung des Betons darf nach dem Abschluss des Mischens nicht mehr verändert werden, weil sich dies auf die Betoneigenschaften nachteilig auswir-ken kann. Ist die nachträgliche Veränderung des Betons in Sonderfällen unvermeid-lich, z.B. bei werkgemischtem Transportbeton mit Zusatz von Fließmitteln, so sind be-sondere Maßnahmen notwendig.

D.7.2 Transportieren Beim Transport von der Misch- zur Verarbeitungsstelle muss darauf geachtet werden, dass der Beton sich nicht entmischt. Es ist ferner darauf zu achten, dass dem Beton durch Sonneneinstrahlung und Fahrtwind keine Feuchte entzogen wird. Plastischer oder flüssiger Beton darf nur in Spezialfahrzeugen transportiert werden, die so ausge-rüstet sind, dass der Beton vor dem Einbringen noch einmal durchgemischt werden kann. Steigt im Sommer die Temperatur des Frischbetons auf 25 bis 30°C an, so ver-steift er rascher. Dieser Umstand bedarf vor allem bei Transportbeton besonderer Aufmerksamkeit. Bei heißem Wetter sind niedrige Frischbetontemperaturen anzustre-ben. Das kann geschehen durch Lagerung der Gesteinskörnungen im Schatten, Ü-berrieselung der groben Gesteinskörnungen mit Wasser, Verwendung von kühlem Anmachwasser, z.B. durch Kühlen mit Eis und durch Einsatz von tief verlegten Lei-tungen und Auswahl eines Zements mit geringerer Wärmeentwicklung. Bei Verwen-dung von Betonzusatzmitteln insbesondere von Erstarrungsverzögerern, ist eine be-sonders sorgfältige Eignungsprüfung unter den zu erwartenden Temperaturbedingun-gen erforderlich. Überdosieren kann ein Umschlagen, d.h. eine Beschleunigung der Erhärtung auslösen.

Wenn bei tiefen Temperaturen betoniert werden soll, kann die Temperatur des Frischbetons durch Anwärmen des Anmachwassers oder durch Anwärmen der Ge-steinskörnungen erhöht werden. Im Allgemeinen nimmt die Frischbetontemperatur des normalen Konstruktionsbetons unter sonst gleichen Voraussetzungen um 1 K zu, wenn entweder die Temperatur

des Zementes um 10 K

oder die des Wassers um 3,5 K

oder die der Gesteinskörnungen um 1,6 K

erhöht wird. Auf dem Wege von der Mischanlage zur Einbaustelle sind die Tempera-turverluste möglichst klein zu halten. Vorteilhaft sind große Behälter und kurze För-derwege.

D.7.3 Einbringen Der Beton soll sobald wie möglich nach dem Mischen und möglichst ohne Unterbre-chung eingebracht werden. Beim Einbringen ist dafür Sorge zu tragen, dass sich der Beton nicht entmischt und dass er derart eingebracht wird, dass eine gute Verdich-

- 193 -

tung möglich ist. Die Schalung ist gut vorzunässen. Schalung und Bewehrung müssen stets frei von Stoffen sein, welche die Erhärtung des Zements stören können. Beim Einbringen darf der Beton nicht über 1 m frei fallen. Ferner ist darauf zu achten, dass der Beton nicht gegen die Schalung geschüttet wird, damit eine ‘Nesterbildung’ an den Außenflächen vermieden wird. Beton ist stets mittig einzufüllen, insbesondere bei Stützen.

Im Winter ist darauf zu achten, dass Schalung und Bewehrung frei von Schnee und Eis sind. Auf gefrorenem Baugrund darf nicht betoniert werden; der Boden ist daher zunächst aufzutauen und vorzuwärmen. Durch Frost geschädigter Beton ist zu besei-tigen. Nach dem Einbau von Beton im Winter ist ein guter Wärmeschutz des Betons notwendig, um einen Wärmeabfluss zu vermeiden und die eigene Wärmeentwicklung zu fördern.

Beton kann in Rohren gepumpt werden, wenn er eine Konsistenz entsprechend KP hat. Dazu sind die Rohre nach Möglichkeit geradlinig zu verlegen. Rohre sollten nicht an der Schalung befestigt werden, damit auftretende Stöße nicht auf die Schalung bzw. auf das Bauwerk übertragen werden.

D.7.4 Verdichten Eine gute Verdichtung des Betons ist zur Erzielung optimaler Betoneigenschaften, wie Festigkeit, Dichtigkeit, geschlossene Oberfläche, chemische und physikalische Wi-derstandsfäigkeit, unerlässlich. Der Frischbeton gilt als vollkommen verdichtet, wenn das experimentell festgestellte Raumgewicht dem Sollraumgewicht entspricht. Da ein völliges Austreiben der Verdichtungsporen in der Regel unmöglich ist, kann man be-reits dann von einer optimalen Verdichtung sprechen, wenn der Frischbeton einen Luftgehalt von 1 bis 2 Vol.-% besitzt.

Je nach der Konsistenz des Betons können folgende Arten der Verdichtung ange-wendet werden:

D.7.4.1 Stampfen Gestampft wird nur steifer Beton der Konsistenzklasse F1. Der Beton wird in 15 bis 20 cm dicken, waagerechten Schichten eingebracht und solange gestampft, bis er an der Oberfläche feucht zu werden beginnt. Es ist darauf zu achten, dass die einzelnen Betonschichten möglichst frisch auf frisch eingebracht werden. Vor dem Aufbringen der nächsten Schicht ist die unterste Schicht leicht aufzurauhen.

D.7.4.2 Rütteln Beton der Konsistenzklasse F2 wird am besten durch Rütteln verdichtet. Dabei wird unterschieden zwischen

• Oberflächenrüttler:

Sie finden Anwendung bei waagerechten Betonschichten, vorwiegend für die Her-stellung von Betonbelägen, Fußböden, Straßen o.ä.

• Innenrüttler:

Sie finden Anwendung bei der Verdichtung von bewehrtem oder unbewehrtem Konstruktions- und Massenbeton. Die richtige Anwendung des Innenrüttlers be-wirkt eine erhebliche Gütesteigerung des Betons durch besonders gute Verdich-tung infolge optimaler Energieübertragung. Es ist darauf zu achten, dass mit einem Innenrüttler der Beton nicht verteilt, sondern verdichtet wird.

• Schalungsrüttler:

Werden dünnwandige, hohe oder stark bewehrte Bauteile wie Stützen, Behälter, Silo-wände u.ä. betoniert und ist das Rütteln mit Innenrüttlern schwierig und damit unwirt-schaftlich, können Schalungsrüttler verwendet werden. Sie werden außen an den Schalungen dünnwandiger Bauteile befestigt und bringen die Schalung ins Vibrieren, wodurch eine Verdichtung erzielt wird.

- 194 -

D.7.5 Nachbehandlung Zur Erhärtung muss dem Beton eine ausreichende Menge an Wasser zur Verfügung stehen. Der junge Beton muss daher so nachbehandelt werden, dass sein vorzeitiges Austrocknen verhindert wird. Dies gilt vor allem bei der Einwirkung von Sonne oder trockenem Wind auf den jungen Beton. Beton soll daher möglichst lange nach seiner Herstellung feucht gehalten werden. Bei den Arten der Nachbehandlung kann unter-schieden werden zwischen Methoden, bei denen Wasser dem jungen Beton zugeführt wird und Methoden, welche die Austrocknung behindern bzw. verzögern. Zur ersten Gruppe gehören das laufende Besprühen mit Wasser und das Aufbringen ständig wasserhaltiger Abdeckungen z. B. aus Jute. Der zweiten Gruppe sind zuzuordnen das Belassen des Betons in der Schalung, das Abdecken mit Folien oder das Aufbringen flüssiger Nachbehandlungsmittel.

Die Dauer der Nachbehandlung hängt ab von der Nachbehandlungsempfindlichkeit des Betons, von der Betontemperatur, von den Umweltbedingungen während und unmittelbar nach der Nachbehandlung sowie von der Beanspruchung des Bauwerks während seiner Nutzung. Nachbehandlungsempfindlich sind insbesondere Betone mit langsam erhärtenden Zementen und/oder mit hohen Anteilen an puzzolanischen Zu-satzstoffen. Mit sinkender Betontemperatur nimmt die Erhärtungsgeschwindigkeit ab, so dass eine längere Nachbehandlungsdauer erforderlich ist. Je schärfer die Trock-nungsbedingungen, um so länger ist der Beton nachzubehandeln. Bei hohen Umge-bungsfeuchten kann Beton ohne bzw. mit nur kurzer Nachbehandlung ausreichend lange hydratisieren.

Die Nachbehandlungsdauer ist in DIN 1045 festgelegt. Bei Umgebungsbedingungen, die den Expositionsklassen gemäß Tabelle D.3.4 außer X0, XC1 und XM entspre-chen, muss der Beton so lange nachbehandelt werden, bis die Festigkeit der oberflä-chennahen Bereiche 50 % der charakteristischen Festigkeit erreicht hat. Diese Anfor-derung ist in der Tabelle D.7.1 in eine entsprechende Mindestdauer der Nachbehand-lung umgerechnet.

Tabelle D.7.1: Mindestdauer der Nachbehandlung von Beton für alle Expositions-klassen außer X0, XC1 und XM nach DIN 1045-3

Mindestdauer der Nachbehandlung in Tagena

Festigkeitsentwicklung des Betonsb r = fcm2/fcm28

Oberflächentemperatur ϑ

[°C] r ≥ 0,50 r ≥ 0,30 r ≥ 0,15 r < 0,15

ϑ ≥ 25 1 2 2 3

25 > ϑ ≥ 15 1 2 4 5

15 > ϑ ≥ 10 2 4 7 10

10 > ϑ ≥ 5 3 6 10 15

a Bei mehr als 5 Stunden Verarbeitbarkeitszeit ist die Nachbehandlungsdauer angemessen zu verlängern

b Die Festigkeitsentwicklung des Betons wird durch das Verhältnis der Mittelwer-te der Druckfestigkeit nach 2 Tagen und nach 28 Tagen beschrieben.

Bei Umweltbedingungen, die den Expositionsklassen X0 und XC1 nach Tabelle D.3.4 entsprechen, muss der Beton mindestens einen halben Tag nachbehandelt werden. Bei Temperaturen der Betonoberfläche unter 5°C ist die Nachbehandlungsdauer um die Zeit zu verlängern, während der die Temperatur unter 5 °C lag.

Bei Betonen, deren Oberflächen einem Verschleiß gemäß der Expositionsklasse XM nach Tabelle D.3.4 ausgesetzt sind, muss die Nachbehandlung so lange fortgesetzt werden, bis die Festigkeit des oberflächennahen Betons 50 % der charakteristischen Festigkeit des verwendeten Betons erreicht hat.

- 195 -

D.8 Mikrostruktur und Festigkeitsentwicklung von Zement-stein und Beton

Problemstellung:

Im Folgenden soll diskutiert werden, welche Mikrostruktur der erhärtete Zementstein und der Beton aufweisen und nach welchen Gesetzmäßigkeiten die Struktur von Ze-mentstein und Beton mit deren mechanischen Eigenschaften, im besonderen mit der Festigkeit, in Verbindung gebracht werden kann.

D.8.1 Komponenten des teilweise hydratisierten Zementsteins Beim Mischen von Zement mit Wasser sind die einzelnen, noch nicht hydratisier-ten Zementsteinpartikel durch das Misch-wasser voneinander getrennt. Das vom Wasser eingenommene Volumen wird als Kapillarporenvolumen bezeichnet. Die spezifische Oberfläche der Zementkörner liegt im Bereich von ca. 200 bis 400 m2/kg, die mittlere Größe beträgt mehrere µm. Während der Hydratation bilden sich vor allem kristallines Calciumhydroxid (CH) und nicht-kristalline Calciumsilikat-hydrate (C3S2H3), siehe Abschnitt D.4.1.4.4. Vor allem die C3S2H3-Partikel sind wesentlich kleiner als die Zement-körner vor der Hydratation.

Die Hydratation nimmt an der Oberfläche der Zementpartikel ihren Ausgang. Die Bildung der Hydratationsprodukte führt zu einem Zusammenwachsen der einzelnen Zementkörner. Dadurch entsteht ein durchgehendes Skelett (Matrix), das Vo-lumen der Kapillarporen (K) nimmt ab, und das Zementsteinsystem entwickelt Festigkeit, die mit steigendem Hydratati-onsgrad m anwächst. Der Hydratati-onsgrad ist dabei jener Volumen- bzw. Massenanteil des Zementes, der zu ei-nem bestimmten Zeitpunkt hydratisiert ist.

Zu Beginn der Hydratation ist m = 0; bei vollständiger Hydratation des gesamten Ze-mentes ist m = 1.

H2O

unhydratisierter Zement

K

K

K K

K

K

- 196 -

Die Hydratationsprodukte weisen einige charakteristische Eigenschaften auf:

Mittlere spezifische Oberfläche: ca. 2 - 3.105 m2/kg

Mittlere Teilchengröße: 1.10-9 m

Die Hydratationsprodukte sind daher um etwa drei Größenordnungen kleiner als die unhydratisierten Zementkörner und weisen eine kolloidiale Größe auf. Die Struktur eines erhärteten Zementsteins entspricht daher einem starren Gel (Baustofftechnolo-gie I).

Die Hydratation des Zements erstreckt sich über einen langen Zeitraum. Der teilweise hydratisierte Zement enthält verschiedene Bestandteile, die in folgender Skizze dar-gestellt sind und deren Anteile sich mit zunehmender Hydratation laufend verändern.

Feststoffe: 1) Reste des unhydratisierten Zementes

2) C3S2H3, u.a. Hydratations- produkte

3) Calciumhydroxid

Poren: a) Kapillarporen

b) Gelporen

Die im Zementstein enthaltenen Poren sind für dessen Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung:

Die Kapillarporen sind die Reste des Volu-mens, das ursprünglich von Mischwasser eingenommen wurde. Je nach Feuchtege-halt des Zementsteins sind die Kapillarporen mehr oder weniger mit Wasser gefüllt. Die Gelporen trennen die einzelnen Gelpartikel voneinander; sie haben Durchmesser im Bereich von ca. 10-5 bis 10-7mm und bieten demnach Platz für höchstens 5 Molekü-le Wasser. Sind diese Poren wassergefüllt, so bezeichnet man das darin enthaltene Wasser mit Gelwasser. Da das Wasser in den Poren des Zementsteins im Kräftefeld der großen Oberflächen des hydratisierten Zementsteines liegt, kann es u.U. die Ei-genschaften des freien Wassers verlieren, d.h. es gewinnt an Festigkeit, wird schwe-rer beweglich und dichter. Sowohl Kapillarwasser als auch Gelwasser sind ver-dampfbar, d.h. bei Erwärmung auf 105°C entweicht dieses Wasser. Darüber hinaus enthält Zementstein auch chemisch gebundenes Wasser oder Kristallwasser, das in die Hydratationsprodukte eingelagert und im Allgemeinen bei 105°C nicht ver-dampfbar ist.

Alle Hydratationsprodukte des Zements sowie das Gelwasser in den Gelporen wer-den als Einheit angesehen und mit Zementgel bezeichnet.

D.8.2 Verteilung der Komponenten des teilweise erhärteten Zement-steins (Powers-Modell)

D.8.2.1 Charakteristische Kenngrößen

Aus vielen Untersuchungen wurden für den Zementstein folgende Kenngrößen expe-rimentell bestimmt:

a) Jedes Gramm Zement bindet im Mittel eine bestimmte Menge an nicht ver-dampfbarem Wasser wn, um vollständig hydratisieren zu können:

wn = 0,24.m.z (D.8.1)

1

1

1

1

b

b

22

2

a

33

33

- 197 -

Dabei bedeuten:

wn : Gewicht an nicht verdampfbarem (chemisch gebundenem) Wasser

z : Gesamtgewicht des Zements

m : Hydratationsgrad, d.i. der Gewichtanteil des Zementes, der mit Was-ser reagiert hat

b) Die Menge an Gelwasser im wassergesättigten Zementstein und damit auch das Gelporenvolumen sind der Menge an hydratisiertem Zement proportional:

wg = 0,18.m.z , (D.8.2)

wobei wg = Gewicht des Gelwassers

c) Das chemisch gebundene Wasser nimmt in seiner gebundenen Form einen kleineren Raum ein als in seiner ungebundenen Form. Es gelten daher fol-gende Reindichten:

Freies Wasser: ρw = 1,0 kg/dm3

Chemisch gebundenes Wasser: ρwn = 1,33 kg/dm3

Gelwasser: ρwg = 1,001 ≈ 1,0 kg/dm3

D.8.2.2 Volumen des Zementgels

Mit den unter D.8.2.1 gegebenen Kenngrößen kann das Volumen des Zementgels rechnerisch ermittelt werden:

Vg = +ρ⋅

z

zm +ρ

nw

nw gw

gwρ

Zementgel-volumen

ursprüngl. Volumen des bereits hydratisierten Zementes

Volumen des chem. gebundenen Wassers

Volumen des Gelwassers bzw. der Gelporen

gn wwz

gzm18,0zm24,0zmV

ρ⋅⋅

+ρ

⋅⋅+

ρ⋅

= (D.8.3)

mit ρz = 3,15; ρwn = 1,33; ρwg = 1,00 erhalten wir

z

gzm13,2V

ρ⋅

⋅= , (D.8.3a)

wobei z

zmρ⋅ = ursprüngliches Volumen des bereits hydratisierten Zementes.

Gleichung (D.8.3a) zeigt, dass das Zementgel für m = 1 mehr als das Doppelte des ursprünglichen Volumens des Zements vor der Hydratation einnimmt, d.h. das Kapil-larporenvolumen nimmt ab (siehe Abschnitt D.8.2.3). Weil die Reindichte des che-misch gebundenen Wassers jedoch größer ist als die Reindichte des freien Wassers, ist das Volumen des Zementgels trotzdem geringer als die Summe des ursprüngli-chen Volumens von Zement und Wasser, aus denen es gebildet wurde:

( )gnwz

g ww1zmV0

+ρ

+ρ⋅

= (D.8.4)

⇒ nach Einsetzen von (D.8.1) und (D.8.2)

z

0gzm32,2V

ρ⋅

⋅= (D.8.4a)

Selbst wenn man verhindert, dass der Zementstein während der Hydratation, z.B. durch Trocknung, Wasser verliert, sind daher nicht alle verbleibenden Kapillarporen

- 198 -

wassergesättigt und es verbleiben leere Kapillarporen. Man bezeichnet diesen Vor-gang als „innere Austrocknung“.

D.8.2.3 Kapillarporenvolumen

Das Kapillarporenvolumen ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem ursprüngli-chen Volumen von Zement (z) + Wasser (w0) vor der Hydratation sowie dem Volumen des Zementgels + dem Volumen des noch nicht hydratisierten Zements:

Ursprüngliches Volumen:

w

0

z0

wzVρ

+ρ

= (D.8.5)

Zementgelvolumen:

z

gzm13,2V

ρ⋅⋅

= (D.8.6)

Volumen des noch nicht hydratisierten Zements:

z

nhz)m1(Vρ⋅−= (D.8.7)

Dann ist das Kapillarporenvolumen:

Vk = V0 - Vg - Vnh (D.8.8)

−

ρρ

⋅⋅ρ

= m13,1z

wzVw

z0

zK (D.8.8a)

Bezogen auf das Gesamtvolumen V0 ist

1

zw

m13,1z

w

VV

w

z0

w

z0

0

K

+ρρ

⋅

⋅−ρρ

⋅= (D.8.9)

mit ρz/ρw = 3,15 erhalten wir

32,0

zw

m36,0z

w

VV

0

0

0

K

+

⋅−= (D.8.9a)

Gleichung (D.8.9a) zeigt, dass mit fallendem w0/z - Wert und steigendem Hydratati-onsgrad m (Alter) das Kapillarporenvolumen des Zementsteines abnimmt.

D.8.2.4 Hydratationsgrad, Wasserzementwert und Volumenanteile der Zementsteinkomponenten

Die Entwicklung des Hydratationsgrades m mit der Zeit hängt von der Hydratations-geschwindigkeit des Zementes und damit von der Art und Festigkeitsklasse des Ze-mentes, vom Wasserangebot und von der Temperatur ab. Das folgende Diagramm gibt einen ungefähren Anhaltspunkt über die zeitliche Entwicklung des Hydratati-onsgrades bei einer Temperatur von T = 20 °C für Portlandzemente unterschiedlicher Festigkeitsklassen.

- 199 -

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1 3 7 28 90 365

Hydratationsgrad, m

Betonalter (Tage)

52,5

32,5 R

32,5

Abbildung D.8.1: Abhängigkeit des Hydratationsgrads vom Betonalter für Zemente

unterschiedlicher Festigkeitsklassen

Gleichung (D.8.9a) enthält als Parameter auch das Gewichtsverhältnis Wasser w0, zu Zement z, also den Wasserzementwert. Daraus ergeben sich folgende Fragestellun-gen:

a) Wieviel Wasser ist notwendig, damit der gesamte Zement gerade noch hydra-tisieren kann?

Aus (D.8.1) und (D.8.2) folgt:

wmin = 0,24 mz + 0,18 mz = 0,42 mz (D.8.10)

Für m = 1 erhalten wir dann:

0wmin 0,42z

= (D.8.10a)

b) Wie klein müsste der Wasserzementwert sein, damit bei völliger Hydratation das Kapillarporenvolumen zu 0 wird?

Nach Gleichung (D.8.9a) ist

0m36,0z

w0V 0

K =⋅−⇒= (D.8.11)

Für m = 1 erhalten wir:

0wmin 0,36z

= (D.8.11a)

Bedingung b) kann nur erfüllt werden, wenn dem Zementstein während der Hydratati-on zusätzlich Wasser zugeführt wird, das in den leeren Kapillarporen Platz findet.

Aus den Angaben der Abschnitte D.8.2.1 bis D.8.2.3 können die Volumenanteile des Zementsteines in Abhängigkeit von m und w0/z bestimmt werden. Mit ρz/ρw = 3,15 sind dies:

Zementgelvolumen: 32,0

zw

m68,0V

zm13,2VV

00z0

g

+

⋅=

⋅ρ⋅⋅

= (D.8.12)

- 200 -

Kapillarporenvolumen: 32,0

zw

m36,0z

w

VV

0

0

0

K

+

⋅−= (D.8.9a)

Volumen des nicht hydratisierten Zementes:

( ) ( )32,0

zw

m132,0V

zm1VV

00z0

nh

+

−⋅=

⋅ρ⋅−

= (D.8.13)

Bei versiegelter Lagerung – kein Wasserverlust durch Trocknung, keine zusätzliche Wasseraufnahme von außen – ist der Anteil leerer Poren im Kapillarporensystem:

32,0

zw

m06,0V

VVV

V

00

gg

0

K 0leer

+

⋅=

−= (D.8.14)

m

m = 0

Volumen (%)

Wasserzementwert

Kapillarporen, V k

nichthydratisierterZement V nh

0

20

40

60

80

100

0 0,2 0,4 0,6 0,80

20

40

60

80

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,80

20

40

60

80

100

0

m

Vnh

Zementgel Vg

Vk

V (leer)

Vnh

Vg

Vk

V (leer)k k

ω ω ω

0,51,0

m = 0,5

m1,00,5

m = 1,0

Abbildung D.8.2: Einfluss von Wasserzementwert ω und Hydratationsgrad m auf die Volumenanteile des nicht hydratisierten Zementes vnh, des Ze-mentgels vg, und der Kapillarporen vk im Zementstein

D.8.3 Kapillarporenvolumen, Wasserzementwert und Druckfestigkeit des Zementsteines

Die Festigkeit eines Werkstoffes nimmt mit zunehmender Porosität ab. Annähernd gilt folgende Beziehung, die sich auch theoretisch begründen lässt:

β = β0 . (1-v)n (D.8.15)

Darin bedeuten:

β = Festigkeit des porösen Werkstoffes

β0 = Festigkeit des Werkstoffes ohne Poren

0

p

VV

v = = Quotient aus Porenvolumen und Gesamtvolumen

n = Exponent (in der Regel zwischen 2 und 3)

- 201 -

Unter der Annahme, dass das Zementgel als Feststoff mit der Festigkeit β0 betrachtet werden kann, erhalten wir aus Gleichung (D.8.9a) und Gleichung (D.8.13):

zw

32,0

m36,032,0VV1v1

0o

k

+

⋅+=−=- (D.8.16)

und

n

00Z

zw

32,0

m36,032,0

+

⋅+⋅β=β , (D.8.17)

wobei βZ = Festigkeit des Zementsteines.

Diese Gleichung ist annähernd richtig für hohe Werte von m.

Für m = 0 erhalten wir jedoch:

0

zw

32,0

32,0

n

00Z ≠

+⋅β=β , (D.8.17a)

d.h. nach Gleichung (D.8.17) müsste der Zementstein auch vor Beginn der Hydratati-on bereits eine erhebliche Festigkeit besitzen, die vom Wasserzementwert abhängt. Dies ist offensichtlich falsch, und Gleichung (D.8.17) ist für diesen Grenzwert deswe-gen fehlerhaft, weil sie nicht berücksichtigt, dass der unhydratisierte Zement noch keine durchgehende Phase (Matrix) bildet.

Powers schlug daher vor, das Kapillarporenvolumen Vk nicht auf das gesamte Volu-men V0 zu beziehen, sondern nur auf jenen Volumenanteil Va, der zu einem bestimm-ten Zeitpunkt mit Zementgel gefüllt werden kann.

K

a

0g

leere PorenV

freies Wasser

VGelwasserV

chem. geb. Wasser Vhydr. Zement

unhydr. Zement

Wir erhalten dann für

( )

+

ρρ

⋅⋅ρ

=ρ

⋅−−= m

zwzzm1VV

w

z0

zz0a (D.8.18)

und für

m

zw

m13,1z

w

VV

w

z0

w

z0

a

K

+ρρ

⋅

⋅−ρρ

⋅= (D.8.19)

Für m = 1 entspricht Gleichung (D.8.19) Gleichung (D.8.9).

- 202 -

Aus Gleichung (D.8.13) und Gleichung (D.8.19) ergibt sich dann mit 15,3w

z =ρρ für die

Festigkeit des Zementsteines βZ:

0

n

00

zw

m32,0

m68,0β≤

+⋅

⋅⋅β=β (D.8.20)

Gleichung (D.8.20) erfüllt die Bedingung, dass für m = 0 auch β = 0 sein muss.

Powers fand die beste Übereinstimmung zwischen Versuch und Theorie für n = 3 und β0 = 240 N/mm2.

Gleichung (D.8.20) kann verbessert werden, wenn wir berücksichtigen, dass neben den Kapillarporen auch noch gewollte oder ungewollte Verdichtungs- und Luftporen mit einem Volumen A im Zementstein enthalten sind. Dann erhalten wir für das Volu-men Va, das mit Zementgel gefüllt werden kann:

AwzmV

w

0

za +

ρ+

ρ⋅

= (D.8.21)

und für

zAw

m32,0

m68,0V

AV10a

K

++⋅

⋅=

+− (D.8.22)

Daraus ergibt sich für die Zementsteinfestigkeit in [N/mm2]:

++⋅

⋅⋅=β 2

3

0Z mm

N

zAw

m32,0

m68,0240 (D.8.23)

Zur leichteren Auswertung von Gleichung (D.8.23) ist es vorteilhaft, den Luftgehalt

des Zementsteines als Bruchteil des Zementleimvolumens

ρ

+ρ zw

0 zw auszudrücken.

Dann ist

w

0

z

p wzAA

ρ+

ρ

= (D.8.24)

und (D.8.23) wird zu

3

0p

0Z

zw

32,0Az

wm32,0

m68,0240

+⋅++⋅

⋅⋅=β (D.8.25)

Diese Beziehungen haben für verschiedene Zementarten Gültigkeit.

- 203 -

β z [N

/mm

²]

0

100

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Gelvolumenverhältnis x

βz = 240 x³ [N/mm²]

Abbildung D.8.3: Ergebnisse von Versuchen an Zementstein nach Powers [D.8.1]

(verschiedene Zementarten, Lagerungsbedingungen, Alter)

0

50

100

150

200

250

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0w/z = ω

β z [N

/mm

2 ]

Abbildung D.8.4: Theoretischer Zusammenhang zwischen Zementstein-Druck-

festigkeit und w0/z nach Gleichung (D.8.25) für Ap = 0

m = 1,0

m = 0,5

m = 0,2

- 204 -

0

50

100

150

200

250

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

w/z = ω

β z [N

/mm

2 ]

Abbildung D.8.5: Theoretischer Zusammenhang zwischen Zementstein-Druck-

festigkeit und w0/z nach Gleichung (D.8.25) für Ap = 0,08

D.8.4 Kapillarporosität und andere Zementeigenschaften

0 10 20 30 40Anteil der Kapillarporen [Vol.-%]

Hydratationsgrad [%]

40

60

80

100

0,20,3 0,4 0,5

0,60,7

0,8

0

20

40

60

80

100

120

140Wasserdurchlässigkeit in cm/s ⋅ 1012

spez. Oberfläche Alterin cm²/g in Tagen

340034007800

416233325

Wasserzementwert:

Abbildung D.8.6: Kapillarporosität und Wasserdurchlässigkeit von Zementstein in

Abhängigkeit vom Wasserzementwert und Hydratationsgrad

m = 1,0

m = 0,5

m = 0,2

- 205 -

Ähnlich wie die Druckfestigkeit nimmt auch der E-Modul des Zementsteines mit sin-kender Kapillarporosität zu. Von besonderer Bedeutung für die Dauerhaftigkeit ist die deutliche Abnahme der Permeabilität (Durchlässigkeit) des Zementsteins gegen Was-ser oder Luft mit sinkender Kapillarporosität. Diese ist für die Dauerhaftigkeit von Be-ton von ausschlaggebender Bedeutung, die durch den Widerstand des Betons gegen das Eindringen von Wasser, aggressiven Lösungen oder Gasen bestimmt wird, siehe Abschnitt D.10. Die Abnahme der Permeabilität des Zementsteins ist nicht nur auf die Abnahme der Kapillarporosität zurückzuführen, sondern besonders darauf, dass das Porensystem, das bei höheren w/z-Werten und niedrigem Hydratationsgrad noch kontinuierlich ist, mit zunehmender Hydratation diskontinuierlich wird.

D.8.5 Folgerungen a) Die maximal erreichbare Druckfestigkeit des Zementgels beträgt ca. 240

N/mm2.

b) Die Druckfestigkeit des Zementsteins wächst mit steigendem Hy-dratationsgrad m, d.h. bei ausreichender Feuchtlagerung mit steigendem Alter und für ein gegebenes Alter mit steigender Lagerungstemperatur.

c) Die Festigkeit des Zementsteins ist um so größer, je kleiner das Volumen von Verdichtungs- und Luftporen ist.

d) Die Druckfestigkeit des Zementsteins steigt mit kleiner werdendem Verhältnis w0/z, dem ω-Wert.

e) In Gleichung (D.8.25) wird unterstellt, dass die Druckfestigkeit von Zement-stein und Beton ausschließlich durch die Volumenanteile der Kapillarporen und durch die Druckfestigkeit des Zementgels bestimmt wird. Dies ist für Wasserzementwerte von ca. ω ≥ 0,45 eine hinreichend genaue Annahme. Bei kleineren Wasserzementwerten spielt aber auch die dritte Komponente, der nicht hydratisierte Zement, eine zunehmend wichtige Rolle. Dieser hat als ke-ramischer Werkstoff und im porenfreien Zustand eine höhere Druckfestigkeit als das Zementgel und trägt zur Festigkeit insbesondere bei kleinen ω-Werten wesentlich bei. Die Druckfestigkeit von Zementstein und Beton steigt daher - abweichend von Gleichung (D.8.25) - mit sinkendem Wassergehalt auch dann, wenn gilt: VK ≈ 0. Dies ist insbesondere für die Herstellung hochfester Betone von unmittelbarer praktischer Bedeutung (siehe dazu Abschn. D.11.2).

Trotzdem beinhaltet Gleichung (D.8.25) direkt oder indirekt alle Einflussgrö-ßen, die in der Betontechnologie von Bedeutung sind. Gleichung (D.8.25) zeigt ferner die Möglichkeiten auf, wie Zementstein optimaler Festigkeit her-gestellt werden kann. Da, wie später gezeigt wird, Beton- und Zementsteinfes-tigkeit annähernd einander proportional sind, hat Gleichung (D.8.25) in ihrem Grundaufbau auch für die Druckfestigkeit von Beton Gültigkeit, sie ist dann le-diglich noch mit einem zusätzlichen Proportionalitätsfaktor zu versehen.

Literatur:

[D.8.1] POWERS, T. C., BROWNYARD, T. L.: Studies of the Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste, Research Laboratories, Portland Cement Association, Bulletin No. 22, 1948

sowie

[D.4.2] CZERNIN, W.: Zementchemie für Bauingenieure, Bauverlag GmbH, Wiesba-den-Berlin, 1977

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

- 206 -

D.9 Mechanische Eigenschaften des erhärteten Betons

D.9.1 Festigkeit und Bruchvorgänge Problemstellung:

Zum Entwurf eines Tragwerks aus Beton ist die Kenntnis der wesentlichen, die Beton-festigkeit beeinflussenden Parameter erforderlich. Noch mehr als bei metallischen Werkstoffen hängt das Festigkeitsverhalten von Beton jedoch von einer Vielzahl von Parametern ab.

D.9.1.1 Bruchvorgänge

D.9.1.1.1 Druckbruch

Der Bruch des Betons bei Druckbe-anspruchung ist eine Folge langsa-men und spontanen Wachstums von Mikrorissen. Unter Druckspan-nungen verhält sich Beton nicht rein spröde, sondern besitzt eine be-schränkte Duktilität. Auch nach Erreichen der Druckfestigkeit βD kann der Beton bei sinkender Span-nung noch weiter verformt werden.

Abbildung D.9.1: Spannungs-Dehnungsverhalten des Betons bei Druckbeanspru-chung

Der Bruch erfolgt in mehreren Stadien:

I Wegen der Behinderung des Schwindens von Zementstein durch die Ge-steinskörnungen entsteht ein innerer Spannungszustand, der schon im unbe-lasteten Beton zu Mikrorissen, hauptsächlich in den Kontaktzonen Zement-stein-Gesteinskorn, führt.

II Bei etwa 50 % von βD wachsen die Risse entlang der Kontaktzonen weiter.

III Bei etwa 80 % von βD treten auch in der Zementsteinmatrix Risse auf. Ursachen: Spannungsspitzen an den Wurzeln der schon vorhandenen Risse.

Gefügespannungen aufgrund der ungleichen Festigkeits- und Ver-formungseigenschaften von Zementstein und Gesteinskörnung.

Rissorientierung: Die Risse verlaufen vorwiegend parallel zur Belastungsrichtung. Einige Risse weichen jedoch von dieser Richtung ab.

IV Kleinere Risse vereinigen sich. Es entstehen größere Risse kritischer Länge, so dass ein spontanes Risswachstum und die Bildung einer Bruchfläche mög-lich ist.

V Durch Verringerung der Belastung kann die Bruchflächenbildung verhindert werden. Die Mikrorisse wachsen langsam weiter. Dies führt zu einem An-wachsen der Betonverformung mit sinkender Spannung.

I

II

III

IV

V

0

5

10

15

20

25

0 1,0 2,0 3,0 4,0Stauchung ε [‰]

Druckspannung σ [N/mm²]

βD

- 207 -

D.9.1.1.2 Zugbruch

Geeignete Prüfmethoden (hohe Stei-figkeit der Prüfmaschine, Wegsteue-rung) ermöglichen die Aufzeichnung eines Spannungs- Dehnungsdi-agrammes von Beton unter Zugbe-lastung, wie es im nebenstehenden Bild dargestellt ist:

Abbildung D.9.2: Spannungs-Dehnungsverhalten von Beton bei Zugbeanspruchung

Auch beim Zugbruch können mehrere Stadien beobachtet werden:

I Bis zu einer Spannung von ca. 80 % der Zugfestigkeit βZ verhält sich der Be-ton nahezu linear-elastisch.

II An einer Schwachstelle im Probekörper beginnt senkrecht zur Belastungsrich-tung die Ausbildung eines sehr schmalen Rissbandes, welches aus Mikroris-sen besteht. Diese Mikrorisse sind zunächst diskontinuierlich, so dass noch Zugspannungen übertragen werden können.

III Die Mikrorisse wachsen, wodurch mit zunehmender Verformung die aufnehm-bare Spannung abnimmt.

Reiner Zementstein ist kerbempfindlich und spröde. Bei Erreichen seiner Zugfestigkeit werden die Risse nicht, wie bei Beton oder Mörtel, an den Gesteinskörnungen abge-bremst. Es kommt daher zu einem schlagartigen Abfall der aufnehmbaren Spannung. Mit steigendem Gehalt an Gesteinskörnern und steigendem Größtkorndurchmesser nimmt die zum Trennen eines Probekörpers in zwei Hälften notwendige Energie (= Bruchenergie) zu. Sie ist daher bei Beton höher als bei Mörtel.

D.9.1.2 Methoden zur Bestimmung der Betonfestigkeit

D.9.1.2.1 Zerstörende Prüfmethoden

Am Bauwerk

a) Belastung bis zum Bruch

b) Entnahme von Proben (z.B. Bohrkerne)

An Parallelproben

Herstellung von Betonproben (Würfel, Zylinder, Prismen) aus den selben Mischungen, aus denen das Bauwerk hergestellt wird

I

II

III

0

1

2

3

0 0,2 0,4Dehnung ε [‰]

Zugspannung σ [N/mm²]

βz

- 208 -

Druckfestigkeit:

Bei vorgegebenen Betoneigenschaften hängt die an einer Betonprobe ermittelte Druckfestigkeit von folgenden Parametern ab:

• Probengröße

• Probenschlankheit

• Beschaffung der belasteten Endflächen

• Exzentrizität der Belastung

• Steifigkeit der Druckplatten und der Prüfmaschine

• Art der Lastaufbringung (Belastungsgeschwindigkeit)

Um diese zum Teil erheblichen Einflüsse möglichst gering zu halten, sind für die Be-tonprüfung Probenform, Versuchsdurchführung und Prüfmaschinen weitestgehend genormt.

Standardprobe für den Druckversuch:

• Würfel 200.200.200 [mm3] oder 150.150.150 [mm3]

• In zweiter Linie auch Zylinder Durchmesser 150 mm, Höhe 300 mm

1,2

0,5

1,0

1,5

2,0

1,0 2,0 3,0 4,0

< C12/15

> C20/25

< C12/15

> C20/25

l/d = 2

l/d

β/β

2,00

1,20 1,00 0,92

1,50

l d

σ = β

0,8

1,0

1,4

100 200 300

d = 200

d (mm)

β/β

d

d

σ = β

1,40

1,15

1,000,901,10

0,88

Abbildung D.9.3: Abbildung D.9.4: Einfluss der Probenschlankheit auf die Druckfestigkeit des Betons

Einfluss der Würfelgröße auf die Druckfestigkeit des Betons

Zugfestigkeit:

Ähnlich wie für die Druckfestigkeit spielen auch für die Bestimmung der Zugfestigkeit etliche Einflussparameter eine Rolle. Besondere Bedeutung kommt hierbei dem Maß-stabseffekt (engl. size effect) zu. Er beinhaltet die Abhängigkeit der gemessenen Zug-festigkeit von der Probengröße.

Die ursprüngliche Form des Size Effect Law (SEL) von Bažant lautet:

21

0tNc d

d1fBσ−

+⋅= , (D.9.1)

- 209 -

mit σNc = nominale Festigkeit (nominale kritische Spannung)

ft = Betonzugfestigkeit

d = maßgebende Abmessung des Betonkörpers

B, d0 = empirische Koeffizienten

Das SEL beschreibt den Übergang vom konventionellen Versagenskriterium der Fes-tigkeitslehre zum energetischen Kriterium der Linear Elastischen Bruchmechanik (LEBM, vgl. Skriptum Baustofftechnologie I) als Funktion der Betonkörpergröße.

Abbildung D.9.5: Schematische Darstellung des Size Effect Laws für die einachsige Zugbeanspruchung

Der in Abbildung D.9.5 aufgeführte Bereich der Nichtlinearen Bruchmechanik (NLBM), in dem das Size Effect Law den zutreffendsten Wert für die Zugfestigkeit in Abhängig-keit von der Probengröße (Bauteilabmessungen) liefert, berücksichtigt die bei Beton auftretende Bruchprozesszone an der Spitze eines durch einen Probekörper laufen-den Risses. Weiterführende Erläuterungen siehe Vertiefervorlesung Werkstoffmecha-nik im Betonbau.

Wegen der Sprödigkeit von Mörtel und Beton kann die Zugfestigkeit von Beton nicht, wie z.B. beim Stahl, durch Einspannen einer Betonprobe in die Prüfbacken einer Prüfmaschine ermittelt werden. Örtliche Spannungskonzentrationen an der Einspan-nung würden zum vorzeitigen Bruch führen. Die Zugfestigkeit von Beton wird daher meist auf indirekte Weise ermittelt, z.B. am Biegebalken (Biegezugfestigkeit) oder an einem durch zwei gegenüberliegende Linienlasten beanspruchten Zylinder (Spaltzug-festigkeit).

Die zentrische Zugfestigkeit kann bestimmt werden, indem man auf die Stirnflächen der Proben mit einem geeigneten Kleber Stahlplatten aufklebt. Über diese Platten können Zugspannungen zwängungsfrei eingeleitet werden.

Unterschiedliche Prüfmethoden führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, da Span-nungszustand und Spannungsverteilung bei den verschiedenen Methoden unter-schiedlich sind.

log(maßgebende Abmessung d)

log(

nom

inal

e Fe

stig

keit

σ Nc)

1

2

ft Festigkeitskriterium

LEBM-Kriterium

LEBM nichtlinear-elastische

Bruchmechanik

Festig- keits- lehre

SEL

- 210 -

200 200 200

F/2 F/2

700

150

150

200 200

F

700

100

150

4-Punkt-Biegung

3-Punkt-Biegungoder

d = 150

L = 300

F

Foder

F

F

L = 300

d = 150

SpaltzugZug

Abbildung D.9.6: Prüfmethoden zur Ermittlung der Zugfestigkeit von Beton

Die zentrische Zugfestigkeit im Alter von 28 Tagen, kann aus der Druckfestigkeit nach folgender Beziehung abgeschätzt werden:

32

W0

WNZ0ZZ β

βββ

⋅= , (D.9.2)

mit βZZ = zentrische Zugfestigkeit im Alter von 28 Tagen

βZ0 = 1,32 N/mm2

βWN = Nennfestigkeit des Betons

βW0 = 10 N/mm2

Die Biegezugfestigkeit des Betons hängt von der Balkenhöhe hb ab.

Für die 4-Punkt-Biegung gilt näherungsweise

0,7

0

bBZ

0,7

0

bBZ

ZZ

BZ

hh

hh

1

α

α+

=ββ , (D.9.3)

mit βBZ = Biegezugfestigkeit bei 4-Punkt-Biegung

βZZ = zentrische Zugfestigkeit

hb = Balkenhöhe [mm]

h0 = 100 mm

αBZ = 1,5

- 211 -

Spannungszustand beim Biegezug-versuch

Spannungszustand beim Spaltzugversuch

(Annahme elastischen Verhaltens)

F

d

l

max. M = F*l4

Biegespannungen:

max.

-

+

σ

d x x

y

yF

F

Verteilung im Schnitt y -y

+

-

Verteilung imSchnitt x - x

max.

max. =

x

y

x

y

σ

σ

σ

σ

σ σx y-

+

-

-

max. yσmax. =xσ 2Fdlπ

-6Fdlπ

l: Länge des Zylinders

2Z dbM.max6

WM.max.max

⋅⋅

==σ=β

2Z dblF

23

⋅⋅

=β

Abbildung D.9.7: Biegezugversuch Abbildung D.9.8: Spaltzugversuch

Der mit einer Einzellast beanspruchte Biegebalken hat meist eine etwas höhere Bie-gezugfestigkeit als der in den Drittelspunkten beanspruchte Balken, so dass

1,10BZ4

BZ3 ≈ββ . (D.9.4)

Im ersten Fall ist lediglich der Querschnitt in Balkenmitte der maximalen, zum Bruch führenden Beanspruchung unterworfen. Im zweiten Fall tritt die maximale Beanspru-chung dagegen über einen größeren Bereich auf. Die Wahrscheinlichkeit des Zu-sammentreffens maximaler Beanspruchung und minimaler Festigkeit ist im zweiten Fall größer, die Festigkeit des Balkens deswegen meist geringer.

Bei der Bestimmung der Spaltzugfestigkeit βSZ steht der höchst beanspruchte Quer-schnitt unter einem 2-achsigen Spannungszustand (Druck und Zug). Die Zug-Druckfestigkeit von Beton ist jedoch geringer als die einachsige Zugfestigkeit bei zent-rischer Belastung βZZ (siehe Abschnitt D.9.1.7). Andererseits tritt bei der Spaltzugpro-be die maximale Beanspruchung nur in einem Querschnitt auf. Dies führt zu einer Festigkeitserhöhung gegenüber der Festigkeit eines gleichmäßig beanspruchten Kör-pers.

Näherungsweise kann gesetzt werden:

1,10ZZ

SZ ≈ββ

(D.9.5)

x

y

- 212 -

D.9.1.2.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden

Dies sind Methoden zur Abschätzung der Festigkeit eines Werkstoffes, ohne die Pro-ben zu zerstören. Dabei wird meist nicht die Festigkeit, sondern eine andere Material-kenngröße bestimmt, z.B. die Dichte oder der E-Modul, aus der dann auf die Festig-keit geschlossen werden kann.

Rückprallhammer:

Die Methode basiert auf der Beobach-tung, dass der Rückprall einer elasti-schen Masse von der Oberflächenhärte und vom Elastizitätsmodul des zu prü-fenden Werkstoffes abhängt. Im Rück-prallhammer wird ein Schlaggewicht mit einer bestimmten Energie gegen die Oberfläche des zu prüfenden Werkstof-fes geschlagen und der Rückprall des Schlaggewichts gemessen. Dieser ist ein Maß für die wahrscheinliche Beton-druckfestigkeit.

Abbildung D.9.9: Rückprallhammer

Schalllaufzeitmessung:

Die Geschwindigkeit v, mit der ein Impuls einen festen Stoff durchläuft, folgt bei Längswellen folgender Beziehung:

( )( ) ( )ν⋅−⋅ν+

ν−⋅

ρ=

2111Ev 2 (D.9.6)

Darin bedeuten

E = Elastizitätsmodul

ρ = Dichte des untersuchten Werkstoffes

ν = Querdehnungszahl

Bei bekannter Dichte und Querdehnungszahl kann daher über eine Schalllaufzeit-messung auf den E-Modul und damit indirekt auf die Festigkeit des untersuchten Be-tons geschlossen werden.

Beachte: Neben der Druckfestigkeit hängt die Schalllaufzeit in hohem Maß von der Betonfeuchte ab.

Untersuchungen mit Gammastrahlen:

Wird ein fester Körper mit Gammastrahlen einer bestimmten Energie bestrahlt, so werden die Gammastrahlen abgebremst und gestreut. Mit steigender Entfernung von der Energiequelle fällt ihre Intensität S nach folgender Beziehung:

σ⋅−⋅= x0 eSS (D.9.7)

Darin bedeuten:

S = Strahlungsintensität

S0 = Strahlungsintensität an der Strahlungsquelle

x = Entfernung von der Quelle

σ = Materialkonstante, die auch von der Dichte abhängig ist

Beton

Schlagbolzen Skala

Feder Gewicht

- 213 -

Mit Hilfe von Gammastrahlen können daher z.B. die Dicke eines Querschnittes oder bei bekannten Abmessungen die Dichte des Betons und damit indirekt seine Festig-keit abgeschätzt werden.

Alle zur Zeit zur Verfügung stehenden indirekten Prüfmethoden sind relativ ungenau und erlauben nur eine sehr grobe Abschätzung der Festigkeit von Baustellenbeton. In den meisten Fällen können zuverlässige Werte nur über Vergleichsversuche an Beto-nen mit bekannten Eigenschaften erreicht werden.

D.9.1.3 Einflüsse auf die Festigkeit von Beton

Sowohl Zug- als auch Druckfestigkeit von Beton hängen ab

• von der Betonzusammensetzung und den Eigenschaften der Ausgangsstoffe,

• von den Erhärtungsbedingungen, d.h. von der Temperatur, dem Feuchtegehalt und dem Alter des Betons

• von der Art der Belastung

• vom Spannungszustand

Darüber hinaus sind Prüfeinflüsse zu berücksichtigen, die im Abschnitt D.9.1.2 be-handelt wurden.

Betrachtet man den Beton als Mehrphasensystem, so sind die wichtigsten Einflusspa-rameter für Zug- und Druckfestigkeit von Beton:

• Festigkeit des Zementsteins (siehe Abschnitt D.8)

• Festigkeit der Gesteinskörnungen

• Festigkeit des Verbundes beider Komponenten

Einfluss der Betonzusammensetzung:

Die wichtigste Einflussgröße für die Betonfestigkeit ist der Wasserzementwert. Darüber hinaus nimmt die Druckfestigkeit von Beton im Alter von 28 Tagen mit der Normendruckfestigkeit des Zements zu.

Dies wird in der folgenden Abbildung deutlich, in der für verschiedene Zementarten Beziehungen zwischen der mittleren Betondruckfestigkeit βW28 und dem Wasserze-mentwert angegeben sind. Die theoretischen Grundlagen für diesen Zusammenhang wurden im Abschnitt D.8 näher behandelt.

- 214 -

Der experimentell gewonnene Einfluss des Wasserzementwerts aus nebenste-hendem Diagramm entspricht für w/z > 0,45 dem theoretischen Verlauf der Zementsteinfestigkeit nach Abschnitt D.8.3 und Gleichung (D.8.23) Bei klei-nerem Wasserzementwert nehmen Verarbeitbarkeit und damit Verdich-tungswilligkeit des Frischbetons deutlich ab, was zu einem reduzierten Festig-keitsanstieg mit sinkendem w/z-Wert führt, es sei denn, es werden Betonzu-satzmittel, insbesondere Fließmittel, eingesetzt.

Abbildung D.9.10: Betondruckfestigkeit in Abhängigkeit von w/z-Wert und der Zementart

Für w/z-Werte < 0,45 ist im Diagramm daher ein Bereich anstelle einer eindeutigen Kurve angegeben. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Betondruckfestigkeit mit steigender Dicke der Zementsteinschicht, die die Gesteinskörnungen umhüllt, etwas abnimmt. Der Zementgehalt kann sich daher auf die Betonfestigkeit in zweierlei Hinsicht aus-wirken: Bei konstantem Wassergehalt führt eine Erhöhung des Zementgehalts zu einer Reduktion des w/z-Wertes und damit zu einer Festigkeitssteigerung. Wird der w/z-Wert aber konstant gehalten, so sinkt die Betondruckfestigkeit mit steigendem Zementgehalt, sofern ein insgesamt ausreichender Zementsteingehalt vorhanden ist.

Einfluss der Gesteinskörnung:

Die meisten Gesteinskörnungen für Normalbeton haben Druck-festigkeiten, die höher liegen als die Druckfestigkeit des Zement-steins. Ihr Einfluss auf die Be-tonfestigkeit ist daher gering. Lediglich bei niederfesten Ge-steinskörnungen (z. B. leichte Gesteinskörnungen) wird die Betonfestigkeit von der Festig-keit der Gesteinskörner wesent-lich beeinflusst (siehe Abschnitt D.11.3).

10

20

30

40

50

60

70

0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

Wasserzementwert w/z

Betondruckfestigkeit(N/mm²)W28β

N = 63,5 N/mm²N = 55 N/mm²N = 45 N/mm²28

2828

CEM 42,5CEM 52,5

CEM 32,5

10

20

30

40

0 100 200

Beton

Zuschlag

(N/mm²)

(N/mm²)

β

β

w/z = 0,4

w/z = 0,5

w/z = 0,7

Abbildung D.9.11: Einfluss der Kornfestigkeit auf die Betonfestigkeit

Körnung

- 215 -

Einfluss des Gesteinskorn - Zementstein - Verbundes:

Wegen des weitgehenden Fehlens chemischer Bindungen zwischen Zementstein und Gesteinskorn ist die Verbundfestigkeit zwischen beiden Komponenten meist geringer als die Zugfestigkeit des Korns oder des Zementsteins. Die Grenzflächen beider Kom-ponenten sind daher häufig der Ausgangspunkt für die Bildung von Mikrorissen und damit für den Bruch eines Betonkörpers (siehe Abschnitt D.9.1.1). Mit steigender Verbundfestigkeit steigt auch die Betondruckfestigkeit. Allerdings gibt es kaum techni-sche Möglichkeiten, die Verbundfestigkeit zu beeinflussen, mit Ausnahme jener Pa-rameter, die auch die Zementsteinfestigkeit bestimmen.

Einfluss der Nachbehandlung des Betons:

Eine lang andauernde Feuchtlagerung des Betons ist die Voraussetzung für einen hohen Hydratationsgrad des Zementsteins und damit eine hohe Betonfestigkeit. Jun-ger Beton muss daher ausreichend nachbehandelt werden.

Über die Dauer der erforderlichen Nachbehandlung siehe Abschnitt D.7.5.

020406080

100120

0 2 4 6 8 10 12 Monat

Dβ (%)3 Mon. feuchttrocken geprüft

feucht bis zurPrüfung

trocken gelagertbis zur Prüfungtrocken gelagertfeucht geprüft

100 %

60 %

Abbildung D.9.12: Einfluss der Nachbehandlung auf die Festigkeitsentwicklung von

Beton

Herrscht während des ganzen Zeitraums der Nachbehandlung kühle Temperatur vor, so erfolgen Hydratations- und Festigkeitsentwicklung langsamer. Der Beton muss dann über einen längeren Zeitraum feucht gehalten werden, bis er die Festigkeit eines bei normaler Temperatur gelagerten Betons erreicht (siehe dazu Abschnitt D.9.1.4).

- 216 -

Einfluss des Feuchtigkeitsgehaltes zum Zeitpunkt der Prüfung:

Betonproben, die unmittelbar vor ihrer Prüfung getrocknet werden, zeigen eine höhere Festigkeit als Proben, die auch zum Zeitpunkt ihrer Prüfung noch feucht sind.

0 40 80 120 160 200 2400

20

40

60

Tage

D (N/mm²)β

feuchtofen-trocken

ofen-trockenfeucht

Abbildung D.9.13: Einfluss des Feuchtigkeitsgehaltes zum Zeitpunkt der Prüfung

Erklärung:

Wegen des kleiner werdenden Abstands zwischen den Gelpartikeln steigt die Festig-keit eines Gels mit sinkendem Feuchtigkeitsgehalt

Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit:

Eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit ε, mit der Betonproben beansprucht werden, führt zu einer deutlichen Erhöhung der erzielten Druck- und Zugfestigkeit.

0 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

β Z, dyn. β Z, stat.

β D, dyn. β D, stat.

ε (1/s) . ε (1/s) .

Abbildung D.9.14: Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit auf die Zug- und Druck-

festigkeit

D.9.1.4 Einflüsse auf die Erhärtungsgeschwindigkeit

Die zeitliche Entwicklung der Festigkeit eines Betons wird durch die zeitliche Entwick-lung des Hydratationsgrades und damit durch die Art und Festigkeitsklasse des ver-wendeten Zements sowie durch die Temperatur des Betons bestimmt (siehe z.B. Abschnitte D.4.1.4.7 und D.8.2.4).

Je niedriger die Temperatur, um so geringer ist die Erhärtungsgeschwindigkeit (Vorle-sung Baustoffkunde). Eine hohe Anfangstemperatur führt daher zu einer schnellen Betonerhärtung. Dies wird z.B. bei einer gezielten Wärmebehandlung von Beton tech-nisch genutzt.

- 217 -

Niedrige Temperaturen führen zwar zu einer langsameren Betonerhärtung, können aber eine höhere Endfestigkeit bewirken.

Näherungsweise kann der Temperatureinfluss auf die Betonerhärtung mit dem Reife-grad R abgeschätzt werden.

Die einfachste Beziehung hierbei ist der Reifegrad RS nach SAUL-NURSE:

( )∑=

∆⋅+=n

1iiis t10TR , (D.9.8)

wobei

Ti = mittlere Tagestemperatur des Betons in °C

∆ti = Anzahl der Tage, während denen eine Temperatur Ti vorherrscht

Der Reifegrad Rs nach Gleichung D.9.8 entspricht dem Integral des Zeitverlaufes der Temperatur oberhalb von – 10 °C. In Gleichung D.9.8 wird davon ausgegangen, dass bei T = -10 °C die Hydratation völlig zum Stillstand kommt.

Die Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen Erhärtung und Temperatur stellt eine grobe Näherung dar. Zuverlässiger ist eine Anwendung der ARRHENIUS-Gleichung (siehe Vorlesung Baustoffkunde):

dteconst.Rt

0

RTQ

A ⋅⋅= ∫−

, (D.9.9)

mit T = Betontemperatur [K]

t = Betonalter

Q = Aktivierungsenergie für die Hydratation

R = allgemeine Gaskonstante

Die Aktivierungsenergie hängt von zahlreichen technologischen Parametern ab und muss daher experimentell bestimmt werden.

Anstelle des Reifegrades kann auch das wirksame Betonalter tT verwendet werden. Weicht die Betontemperatur von 20 °C ab, so entspricht es jenem Betonalter, bei dem der Beton dieselbe Reife wie bei einer konstanten Temperatur von 20 °C erreicht hat.

Unter Zugrundelegung von Gleichung D.9.8 erhält man für das wirksame Betonalter tT:

( )

30

t10Tt

n

1iii

T

∑=

∆⋅+= (D.9.10)

Eine genauere, nichtlineare Abhängigkeit kann aus Gleichung D.9.9 abgeleitet wer-den:

( )∑=

∆+

−⋅∆=n

1i

0

iiT

TtT

273

400013,65exptt , (D.9.11)

mit tT = wirksames Betonalter T(∆ti) = Betontemperatur in °C während des Zeitintervalls ∆t T0 = Bezugswert = 1 °C

- 218 -

D.9.1.5 Verhalten von Beton unter Dauerlast

Problemstellung:

Viele Bauwerke sind über lange Zeiträume vorwiegend ruhenden, nahezu konstanten Dauerlasten unterworfen. Die Dauerstandfestigkeit des Betons ist jedoch auch bei Normaltemperaturen merklich kleiner als seine Kurzzeitfestigkeit. Bei der Bemessung eines Betonbauwerkes kann daher nur die Dauerstandfestigkeit als Bruchteil der Kurzzeitfestigkeit in Ansatz gebracht werden.

Zur Abschätzung der Dauerstandfestigkeit des Betons sind zwei gegenläufige Einflüs-se zu berücksichtigen:

• Festigkeitsabfall als Folge einer hohen Dauerspannung

• Festigkeitszunahme als Folge der fortschreitenden Hydratation während der Dau-erbelastung

Da die während der Dauerbelastung noch mögliche Hydratation vom Betonalter ab-hängt, hängt auch die Dauerstandfestigkeit in hohem Maße vom Belastungsalter des Betons ab.

Wichtige Parameter:

a) Dauer der Beanspruchung b) Höhe der Dauerspannung

c) Belastungsalter d) Feuchtigkeitsgehalt während der Dauerspannung

Das Dauerstandverhalten von unterschiedlichen Betonen kann durch eine einheitliche Beziehung beschrieben werden, wenn die Festigkeit als Bruchteil der Kurzzeitfestig-keit im Alter von 28 Tagen βW28 ausgedrückt wird.

0,4

0,8

1,2

1,6

10 min. 100 min. 1000 min. 7 Tage 70 Tage 700 Tage

βDD/βW28

kritischer Zeitraum

Belastungsalter

3 Jahre6 Monate

28 Tage

7 Tage

Belastungsdauer (log.)

Abbildung D.9.15: Dauerstandverhalten von Betonen

Wegen der gegenläufigen Entwicklung der Einflüsse Hydratation und Dauerlasteinwir-kung ist mit einem Dauerstandbruch nur innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu rechnen = kritischer Zeitraum. Er ist um so kürzer, je geringer das Belastungsalter, da vor allem bei jungem Beton die Festigkeit als Folge der Hydratation (Nacherhärtung) noch erheblich zunehmen kann. Sobald der Festigkeitszuwachs größer ist als die Festigkeitsabnahme infolge der Dauerbeanspruchung, ist bei konstanter Dauerlast kein Bruch mehr möglich.

Die Dauerstandfestigkeit von Beton im Alter von 28 Tagen beträgt ca. 0,8.βW28.

- 219 -

D.9.1.6 Verhalten von Beton bei wiederholter Beanspruchung

Problemstellung:

Betonquerschnitte (z.B. im Straßen- und Brückenbau) können einer großen Zahl von Be- und Entlastungen unterworfen sein. Ähnlich wie bei Metallen nimmt die Span-nung, die der Beton ohne Bruch ertragen kann, mit steigender Lastwechselzahl ab. Bei der Bemessung so beanspruchter Bauwerke kann daher nur eine gegenüber der Kurzzeitfestigkeit reduzierte Festigkeit (Dauerschwingfestigkeit) in Ansatz gebracht werden.

Wichtige Parameter:

a) Lastwechselzahl b) Ober- und Unterspannung

c) Schwingbreite d) Frequenz der Belastung

e) Belastungsalter f) Feuchtigkeitsgehalt während der Ermüdungsbeanspruchung

1 1 2 3 4 5 6 7 80,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

10 10 10 10 1010 10 10

Spannungshöheσ /βmax. D

Anzahl der Lastwechsel N

A = 0

A = 0,25

A = 0,5

A = 0,75

A = σ /σmin. max.

Abbildung D.9.16: Dauerschwingfestigkeit von altem Beton (keine wesentliche Nach-

erhärtung während der Belastung)

Das Dauerschwingverhalten verschiedener Betone kann durch einheitliche Beziehun-gen ausgedrückt werden, wenn die Dauerschwingfestigkeit als Bruchteil der Kurzzeit-festigkeit bei Belastungsbeginn angegeben wird.

- 220 -

00

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

bezogene Oberspannungσ /βmax. D

2R =σ − σmax. min.

bezogene Unterspannung σ /βmin. D

bei sehr niedrigerPrüffrequenz

βD

Abbildung D.9.17: Einfluss der Schwingbreite auf die Dauerschwingfestigkeit von

altem Beton (GOODWIN-Diagramm)

D.9.1.7 Verhalten von Beton bei mehrachsiger Beanspruchung

Problemstellung:

In Flächentragwerken (Schalen, Scheiben, Platten, Faltwerke), dickwandigen Behäl-tern, aber auch in Balken und umschnürten Säulen aus Beton herrscht ein mehrach-siger Spannungszustand. Festigkeits- und Verformungsverhalten von Beton hängen jedoch von der Art des Spannungszustandes ab.

Zweiachsige Spannungszustände:

Bei zweiachsiger Druckbelas-tung steigt die Betonfestigkeit gegenüber der einachsigen Druckfestigkeit etwas an. Trotzdem kann in erster Nä-herung die MOHR-COU-LOMB´sche Bruchypothese zur Abschätzung der Festigkeit von Beton bei mehr-achsiger Beanspruchung ver-wendet werden.

Abbildung D.9.18: Betonfestigkeit bei zweiachsiger Beanspruchung

0,6 0,4 0,2 1,2

1,0

0,4

1,2

0,8

0,6

1,0 0,8Druck

Druck

Zug

Zug1 D

2 Dσ /β

σ /β

2 D σ /β

1 Dσ /βMohr-Coulomb

0,2

- 221 -

Dreiachsige Spannungszustände:

Das nebenstehende Bild zeigt die Festigkeit von Beton unter dreiachsigem Druck, wie sie an Betonzy-lindern bei radialer und achsialer Beanspruchung ermittelt wurde.

Abbildung D.9.19: Betonfestigkeit bei dreiachsigem Druck für verschiedene βA/βR-Verhältnisse

Im Bruchzustand ist βA = σ1

βR = σ2 = σ3 (Druck ist positiv)

σ1 ≥ σ2 = σ3

Mit steigender Radialspannung βR wächst die aufnehmbare Achsialspannung βA. Näherungsweise kann dieser Zusammenhang beschrieben werden durch:

mRDA n β⋅+β=β (D.9.12)

Für kleine Werte von βR ist n ≈ 4,0 und m ≈ 1,0.

Von der Festigkeitssteigerung des Betons bei dreiachsiger Druckbeanspruchung wird im Stahlbetonbau z. B. bei der Ausbildung umschnürter Säulen Gebrauch gemacht.

D.9.2 Verformungsverhalten Problemstellung:

Die Kenntnis der Verformungseigenschaften eines Baustoffes ist Voraussetzung zur Abschätzung von Bauwerksverformungen. Mehr als bei metallischen Werkstoffen werden die Verformungseigenschaften von Beton durch eine Vielzahl von Werkstoff- und Umweltparametern beeinflusst.

Einteilung der Verformungen im festen Zustand:

Lastunabhängige Verformungen Lastabhängige Verformungen

Zeitunabhängig: Zeitabhängig:

Wärmedehnung Schwinden, Quellen elastische Verformungen,

Schrumpfen, Trei-ben

bleibende Verformungen Kriechen

Lastunabhängige Verformungen können auch im noch nicht erhärteten Beton auftre-ten.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30

(N/mm²)

(N/mm²)

A

R

D

β

β

β

β

β

A

R

βA

- 222 -

Zusammenstellung lastunabhängiger Verformungen:

In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen lastunabhängigen Verformungsanteile des Betons aufgeführt. Dabei sind in erster Linie Schwinden, Quellen und Schrumpfen sowie durch Temperaturänderungen hervorgerufene Verformungen von Bedeutung.

Tabelle D.9.1: Wesentliche lastunabhängige Verformungen

Verformung Ursache

Setzen (Bluten) Wasserabsonderung

Plastisches Schwinden kapillarer Unterdruck

Schrumpfen

- chem. Schwinden

- innere Austrocknung

Hydratation

Trocknungsschwinden Wasserverlust

Quellen Wasseraufnahme

Karbonatisierungsschwinden Karbonatisierung

Thermische Längenänderung Temperaturänderung

Treiben chemische Treibreaktion

Eine Entmischung des noch nicht erhärteten Betons (Bluten) führt zu einer Absonde-rung von Wasser (siehe Kap. D.5.3). Das zuvor mit diesem Wasser gefüllte Kapillar-porensystem bricht teilweise in sich zusammen, wodurch der frische Beton an Volu-men abnimmt. Die Menge an abgesondertem Wasser und die Volumenabnahme sind einander proportional.

D.9.2.1 Wärmedehnung

Tabelle D.9.2: Richtwerte für die Wärmedehnzahl von Beton, αBT

Art der Gesteins körnung

Feuchtezustand αBT in 10-6 1/K

für Zementgehalte in kg/m3

300 kg/m3 400 kg/m3 500 kg/m3

gebrochener wassergesättigt 11,6 11,6 11,6

Quarz lufttrocken 13,0 13,4 13,8

Quarzkies wassergesättigt 11,1 11,2 11,2

mit Sand lufttrocken 12,6 13,0 13,4

Granit wassergesättigt 8,1 8,3 8,5

lufttrocken 9,7 10,2 10,9

Basalt wassergesättigt 7,4 7,6 7,8

lufttrocken 9,1 9,6 10,4

dichter wassergesättigt 5,7 6,0 6,3

Kalkstein lufttrocken 7,2 7,9 8,7

- 223 -

Wärmedehnzahl des Zementsteins je nach Alter und Feuchtigkeitsgehalt:

10.10-6 bis 20.10-6 K-1

Wärmedehnzahl des Kornmaterials je nach mine-ralogischem Aufbau:

4.10-6 bis 12.10-6 K-1

Wärmedehnzahl des Betons αBT je nach Zusam-mensetzung, Alter, Art des Kornmaterials, Feuch-tigkeitsgehalt:

6.10-6 bis 15.10-6 K-1

D.9.2.2 Schwinden und Quellen

Definition:

Unter Schwinden versteht man eine last- und temperaturunabhängige Volumenab-nahme eines Werkstoffes. Eine entsprechende Volumenzunahme wird mit Quellen bezeichnet. Bei normalfestem Beton ist die Ursache von Schwinden und Quellen hauptsächlich Wasserverlust als Folge einer Austrocknung bzw. Wasseraufnahme des Zementsteins.

Schwind- und Quellvorgänge im Beton sind nur teilweise reversibel.

0

- 0,1

- 0,2

- 0,3

- 0,4

+ 0,1

+ 0,2

7 14 28 90 180 360Trocknungsdauer bzw.Dauer der Wasserlagerung [Tage]

3

Schwinden [‰]

Quellen [‰]

Trocknung bei 65 % rel. FeuchteWasserlagerung

Abbildung D.9.20: Schwind- und Quellvorgänge von normalfestem Beton in Abhän-gigkeit von der Trocknungsdauer bzw. der Dauer einer Wasser-lagerung

Für Normalbetone liegt das Schwinden je nach Zusammensetzung und Lagerungsart im Bereich von 0,1 bis 1 ‰ (siehe Abschnitt D.9.2.5).

Das in der Praxis beobachtete Schwinden von Betonbauteilen ist die Summe aus Trocknungsschwinden, Schrumpfen und Karbonatisierungsschwinden. Bei Bauteilen mit üblichen Abmessungen aus normalfestem Beton überwiegt bei Weitem das Trock-nungsschwinden.

Plastisches Schwinden des noch nicht erhärteten Betons:

Die vor dem Erstarrungsbeginn entstehende und auf den frischen noch verarbeitungs-fähigen Beton bezogene Volumenminderung infolge eines kapillaren Unterdrucks wird als plastisches Schwinden, seltener auch als Kapillar- oder Frühschwinden bezeich-net.

- 224 -

Das Trocknungsschwinden resultiert aus dem durch Feuchteabgabe herbeigeführten Feuchteausgleich mit der Umgebung. Es ist mit strukturellen Änderungen und Volu-menänderungen des Betons verbundenen. Diese werden durch Kapillarspannungen, Oberflächenspannungen und den Spaltdruck verursacht.

Veränderung von Kapillarspannungen:

d

hK d/2 P = γw cos απ dd

r γw

α

Abbildung D.9.21: Kapillares Saugen und Kapillarspannungen; siehe Gl. D.9.13

Die kapillare Steighöhe ergibt sich aus einer Kräftebilanz:

Gewicht der Wassersäule = Aufnehmbare Kraft.

2

k w wd dh cos d; cos4 2rπ

⋅ ⋅ρ = α ⋅ γ ⋅ π ⋅ α =

w

w

w

wk r

2d

4coshρ⋅γ

=⋅ρ

γ⋅α= (D.9.13)

mit r = Radius des Meniskus

d = Durchmesser der Kapillare

α = Benetzungswinkel Wasser - Kapillare

γw = Oberflächenspannung des Wassers

ρw = Reindichte des Wassers

hk = Kapillare Steighöhe

Zugspannung im Wasser σw:

r

2 ww

γ=σ (D.9.14)

Als Folge der Oberflächenspannungen freier Oberflächen steigt Wasser in dünnen Kapillaren. Dadurch entstehen Zugspannungen im Wasser, denen durch Druckspan-nungen in den Kapillarwandungen das Gleichgewicht gehalten wird. Die Steighöhe und damit die Spannungen hängen vom Kapillardurchmesser d, vom Radius des Meniskus r, und von der Oberflächenspannung des Wassers γw ab. Mit sinkender relativer Feuchte der Umgebung nimmt auch der Radius des Meniskus ab, so dass die Steighöhe des Wassers in der Kapillare und d ie Zugspannungen im Wasser anwachsen. Entsprechend steigen auch die Druckspannungen in der Kapillare. Dies hat eine Volumenabnahme zur Folge (→ Schwinden).

Veränderung der Oberflächenspannung:

An der freien Oberfläche eines Körpers herrschen Zugspannungen (Oberflächen-spannungen), denen durch Druckspannungen im Innern das Gleichgewicht gehalten wird. Wird die Oberfläche mit einer benetzenden Flüssigkeit überzogen, so werden die Oberflächenspannungen reduziert und ebenso die Druckspannungen im Inneren des Körpers. Das Volumen des Körpers nimmt zu (→ Quellen). Bei der Austrocknung

- 225 -

nehmen die Oberflächenspannungen zu, das Volumen des Körpers nimmt ab (→ Schwinden).

Veränderung des Spaltdrucks:

Die Entfernung zwischen 2 Partikeln sei so gering, dass an der schmalsten Stelle nur für wenige Wassermoleküle Platz vorhanden ist. Werden die Partikel mit Wasser in Berührung gebracht, so versuchen die Oberflächen zur Verringerung ihrer Oberflächenspannung Wasser zu ad-sorbieren. Um auch an der engsten Stelle zwischen bei-den Partikeln Wasser anlagern zu können, müssen die Partikel auseinander geschoben werden. Es entsteht ein Spaltdruck, der eine Volumenvergrößerung des Gesamt-systems zur Folge hat (→ Quellen). Bei einem Wasser-entzug rücken die Partikel wieder zusammen (→ Schwin-

den).

Abbildung D.9.22: Spaltdruck zwischen zwei benetzten Feststoffpartikeln

Aufgrund der chemischen Reaktionen zwischen Zement und Wasser wird eine Volu-menabnahme beobachtet, die dadurch hervorgerufen wird, dass das Volumen des Zementgels kleiner ist als das Volumen des Wassers und des Zements, aus denen das Gel gebildet wurde. Diese Volumenabnahme, gemessen an einer versiegelten Probe bei konstanter Temperatur ohne äußere Belastung, wird mit Schrumpfen oder autogenem Schwinden bezeichnet. Das Schrumpfen kann weiter in chemisches Schwinden und in eine innere Austrocknung unterteilt werden. Das chemische Schwinden beinhaltet die Volumenabnahme bei der Hydratation, die sich im Wesentli-chen auf die Umwandlung des Ettringits in Monosulfat zurückführen lässt. Die innere Austrocknung ist primär ein physikalischer Vorgang, bei dem das für eine weitere Hydratation notwendige Wasser nicht mehr von außen durch das bereits dichte Be-tongefüge dringen kann, sondern aus den inneren Bereichen eines Betonkörpers „abgesaugt“ wird. Hierdurch werden Kapillarkräfte aktiviert.

Auch die Karbonatisierung der Hydratationsprodukte des Zements ist mit einer Volu-menverminderung verbunden (→ Karbonatisierungsschwinden). Sie ist jedoch nur auf die Betonrandzone beschränkt.

Parameter, welche die Größe des Schwindens beeinflussen:

Entscheidend für die Größe des Schwindens ist in erster Linie der Wasserverlust während des Austrocknens. Daher führen alle Parameter, welche den Wasserverlust des Betons steigern, zu einer Erhöhung des Schwindens.

• Zementsteinvolumen:

Mit zunehmendem Volumenanteil des Zementsteins nimmt die Größe des Schwindens von Beton zu.

• Wassergehalt und Wasserzementwert:

Mit steigendem Wassergehalt und zunehmendem ω-Wert wächst das Schwinden, da die Menge an verdampfbarem Wasser und die Porosität des Zementsteins zu-nehmen.

• Relative Luftfeuchte der umgebenden Luft:

Mit sinkender relativer Luftfeuchte steigt der Wasserverlust des Betons und damit auch das Schwinden.

H O2

- 226 -

• Körpergröße:

Die Körpergröße beeinflusst vor allem die Geschwindigkeit des Schwindablaufs: Große Körper schwinden langsamer als kleine.

• Art der Gesteinskörnung:

Die Gesteinskörner behindern die freie Schwindverformung des Zementsteins, und zwar um so mehr, je steifer sie sind. Daher ist die Schwindverformung eines Betons bei sonst gleichen Parametern um so kleiner, je höher der E-Modul der Gesteinskörner.

Angaben zur Abschätzung der Größenordnung des Schwindens können Abschnitt D.9.2.5 entnommen werden.

Folgeerscheinungen des Schwindens:

a) Das Schwinden des Betons führt zu einem inneren Spannungszustand (Eigen-spannungen), wobei die auftretenden Spannungen die Zugfestigkeit des Betons überschreiten können und dann zu Oberflächenrissen führen.

Ursache: Die Größe der Schwindverformung ist dem Feuchtigkeitsverlust nähe-rungsweise proportional. Da Beton jedoch nur sehr langsam austrocknet, sind Feuchtigkeit und damit die freie Schwindverformung über die Probendicke un-gleichmäßig verteilt.

Abbildung D.9.23: Feuchtigkeitsverteilung in einer Betonprobe (rel. Luftfeuchtigkeit der Umgebung: 50 %)

b) Neben den unter a) genannten Eigenspannungen treten auch Gefügespannun-gen auf, da das Schwinden und Quellen vorwiegend auf Vorgänge im Zement-stein zurückzuführen ist. Die Gesteinskörner selbst schwinden und quellen aber selbst nicht oder nur sehr wenig (Ausnahme: manche leichte Gesteinskörnun-gen). Die i. d. R. steiferen Gesteinskörner behindern das Schwinden des Ze-mentsteins, so dass Druckspannungen im Gesteinskorn, Zugspannungen in der Zementsteinmatrix entstehen. Diese können zu Rissen in der Kontaktzone zwi-schen Zementsteinmatrix und Gesteinskorn führen. Bei der Bestimmung der Größe der Schwindspannungen ist jedoch zu berücksichtigen, dass sie durch die Wirkung des Kriechens abgebaut werden können.

c) Behinderte Schwindverformungen führen zu Zwängungsbeanspruchungen im Bauwerk.

d) Beim Spannbeton verursacht das Schwinden des Betons einen Spannkraftver-lust.

Probenmitte

50

60

70

80

90

100

2,5 5,0 7,5 cm

Rel. Feuchte in %

5 Tage10204080

- 227 -

D.9.2.3 Spannungs-Dehnungsdiagramm, Elastizitätsmodul und Querdeh-nungszahl bei Druckbelastung

Das Spannungs-Dehnungsdiagramm bei Druckbeanspruchung:

Die Form des Spannungs-Dehnungsdiagrammes von Beton bei Druckbeanspruchung hängt in hohem Maße von seiner Druckfestigkeit ab. Mit steigender Porosität nimmt die Festigkeit des Betons ab, während seine Verformbarkeit steigt.

Ferner wird das Spannungs-Dehnungsdiagramm des Betons von der Dehngeschwin-digkeit beeinflusst: Je langsamer die Dehngeschwindigkeit, um so größer die Ver-formbarkeit.

0 1 2 3 4 5 6 70

0,25

0,5

0,75

1,0

σ/βD

Dehnung ε [‰]

βD = 21 N/mm²

1 ‰ / 100 Tage

1 ‰ / 1 Tag

1 ‰ / 1 Stunde

1 ‰ / 1 min.

Abbildung D.9.25: Spannungs-Dehnungsdiagramm in Abhängigkeit von der Dehn-

geschwindigkeit

Beachte: Sehr hohe Dehngeschwindigkeiten

>

εsec

1dtd führen zu einem deutlichen

Anstieg von Festigkeit und E-Modul.

0 1 2 3 4Dehnung (°/oo)

0

20

40

60

(N/mm²)σ

= 55N/mm²Dβ

Abbildung D.9.24: Spannungs-Dehnungsdiagramm bei Druckbeanspruchung

(‰)

- 228 -

Der Elastizitätsmodul:

Der Elastizitätsmodul des Betons, definiert als Sekanten- oder Tangentenmodul, nimmt auch bei kleinen Spannungen mit steigender Spannung ab. Näherungsweise kann er jedoch im Bereich der Gebrauchsspannungen (σ < ca. 0,40.βd) als konstant angenommen werden.

Einflussgrößen:

• Elastizitätsmodul des Zementsteins, der mit steigender Porosität (steigender w/z-Wert, sinkender Hydratationsgrad) abfällt

• Elastizitätsmodul der Gesteinskörnung

• Korn- und Zementsteingehalt

• Feuchtigkeitsgehalt des Betons zum Zeitpunkt der Belastung

Die Abhängigkeit des E-Moduls von Beton von den E-Moduln der Gesteinskörnung und des Zementsteins kann mit Hilfe einfacher Modellvorstellungen abgeschätzt wer-den, die im Teil D beschrieben werden.

Näherungsweise kann der E-Modul des Betons auch in Abhängigkeit von der Beton-druckfestigkeit abgeschätzt werden (siehe dazu Abschnitt 9.2.5.1).

Die Querdehnungszahl von Beton:

Die Querdehnungszahl ist abhängig von der Spannungshöhe und steigt bei hohen Span-nungen von Anfangswerten zwischen 0,10 und 0,20 bis auf Werte > 0,5 an.

Ursache:

Während der Belastung auftretende Mikro-risse im Beton führen zu hohen Querdeh-nungen

Abbildung D.9.26: Querdehnungszahl in Abhängigkeit von der Spannungshöhe

D.9.2.4 Kriechen von Beton

Definition:

Kriechen von Beton ist der zeitabhängige Anstieg der Verformung unter konstanter Dauerlast nach Abzug der an einer unbelasteten Probe beobachteten Schwindver-formung.

Die folgenden Ausführungen gelten für die Kriechverformung von Beton unter Druck-beanspruchung. In erster Näherung kann angenommen werden, dass bei absolut gleicher Spannung deutlich unterhalb der Zugfestigkeit, Kriechen bei Druck- bzw. Zugbeanspruchung annähernd gleich sind.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2 0,40Querdehnungszahl

σ/βD βD

µ

- 229 -

Im Bereich der Gebrauchsspannungen betragen die Kriechverformungen von Beton unter konstanter Dauerlast ungefähr das 1- bis 4-fache der elastischen Augenblicks-verformung (Verformung unmittelbar nach der Belastung).

Wird der Beton nach einer Dauerbelastung wieder entlastet, so geht ein Teil der Kriechverformungen zurück (= verzögert elastische Verformung, Anelastizität). Der irreversible Anteil der Kriechverformung wird als Fließverformung bezeichnet.

Die Gesamtverformung des Betons setzt sich daher aus folgenden Anteilen zusam-men:

εc(t) = εci(t0) + εcc(t) + εcs(t) + εcT(t) (D.9.15)

εc(t) = εcσ(t) + εcn(t) (D.9.15a)

bzw.

εc(t) = εci(t0) + εcd(t) + εcf(t) + εcs(t) + εcT(t) (D.9.15b)

Darin bedeuten:

εc(t) = Gesamtverformung (total strain) des Betons bei einem Beton-alter t

εci(t0) = Elastische Augenblicksverformung (initial strain) bei einer Be-lastung im Betonalter t0

εcc(t) = Kriechverformung (creep) bei einem Betonalter t

εcs(t) = Schwindverformung (shrinkage) bei einem Betonalter t

εcT(t) = Temperaturdehnung (thermal strain) bei einem Betonalter t

εcσ(t) = εci(t0) + εcc(t) = gesamte lastabhängige Verformung bei einem Betonalter t

εcn(t) = εcs(t) + εcT(t) = gesamte lastunabhängige Verformung bei ei-nem Betonalter t

εcd(t) = Verzögert elastische Verformung bei einem Betonalter t

εcf(t) = Fließverformung bei einem Betonalter t t0 = Belastungsalter t = Betonalter

Dehnung εcc

Belastungsdauer (t - t0)

εcs = Schwindverformung

bleibende

verzögerte elast. Verformung

Verformung

elastische Rückverformung

Kriechver- formung

εcd(t)

εcf(t)εcs(t)

εcc(t)

εci(t)

Abbildung D.9.27: Schematische Darstellung der einzelnen Verformungs- bzw. Kriechanteile des Betons

Bei niedrigen Spannungen ist die Kriechverformung des Betons der aufgebrachten Spannung annähernd proportional. Bei Spannungen oberhalb der Dauerstandfestig-

- 230 -

keit (Abschnitt 9.1.3) tritt unter Dauerlast ein Bruch ein, wobei die Bruchdehnung mit steigender Belastungsdauer bis zum Bruch wächst.

Dehnung (°/oo)

σ/βD

20 4 6 80

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

t == 35 N/mm²

Belastungsalter = 56 TageDβ

Kriechgrenze

Augenblicks-verformung

Bruchgrenze

Abbildung D.9.28: Betonbruch- und Kriechgrenzen

Folgeerscheinungen des Kriechens:

• Zeitabhängige Vergrößerung der Bauwerksverformungen (z.B. Durchbiegung)

• Abbau von Eigenspannungen (z.B. von Schwindspannungen)

• Reduktion der Vorspannkraft bei Spannbeton

• Abbau von Zwängungsspannungen

• Umlagerung der Spannungen bei Verbundwerkstoffen

• Beeinflussung der Schnittkraftverteilung in statisch unbestimmten Tragwerken aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Verformungseigenschaften

Ursachen des Kriechens:

Versuche an Beton mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt zeigten, dass das Krie-chen des Betons in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Wassergehalt und der Austrocknung des Betons während der Belastung steht.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0 -10 -20 -30 -40 -50

Trocknung währendder Belastung

Trocknung vor der Belastung(kein Wasserverlustwährend der Belastung)

Wasserverlust in % des Anmachwassers

Relatives Kriechmaß

Abbildung D.9.29: Relatives Kriechmaß in Abhängigkeit vom Wasserverlust

(‰)

- 231 -

Das obenstehende Diagramm verdeutlicht folgende Beobachtungen:

a) Beton, der während der Belastung versiegelt ist, so dass er keine Feuchtigkeit verlieren kann, kriecht um so weniger, je geringer sein Feuchtigkeitsgehalt ist.

b) Sehr trockener Beton oder Zementstein zeigt nur sehr geringe Kriechverformun-gen.

c) Beton, der während der Belastung austrocknet, kriecht um so mehr, je größer der Wasserverlust während der Belastung ist.

Daraus ist zu schließen, dass die Vorgänge, die Kriechen und Schwinden des Betons verursachen, eng miteinander verwandt sind.

Entsprechend dem Feuchtigkeitsgehalt und dem Feuchtigkeitsverlust während der Belastung unterscheidet man zwischen:

Grundkriechen:

Kriechverformung einer wassergesättigten Probe, die während der Belastung versie-gelt ist, so dass sie kein Wasser verliert.

Mögliche Ursache:

Die äußere Belastung führt zu einer Veränderung des Abstandes zwischen den Ze-mentsteinpartikeln. Adsorbierte Wassermoleküle stehen unter zusätzlichen, lastab-hängigen Spannungen, das thermodynamische Gleichgewicht in der Nähe der Ober-flächen ist gestört. Die Wassermoleküle diffundieren daher von den Bereichen hoher Spannung zu Bereichen niedrigerer Spannung. Dadurch wird eine weitere Annähe-rung der Gelpartikel (→ Kriechverformung) ermöglicht. Darüber hinaus können Gleit-vorgänge zwischen und innerhalb der Gelpartikel auftreten. Bei hohen Spannungen führt eine zeitabhängige Rissbildung zu bleibenden Verformungen.

Trocknungskriechen:

Kriechverformung einer Probe, die während der Belastung austrocknen kann, abzüg-lich des Grundkriechens.

Eine mit der Belastung gleichzeitig stattfindende Austrocknung erhöht die Beweglich-keit der Wassermoleküle und beschleunigt damit den Kriechvorgang bzw. erhöht die Kriechverformung.

Verzögert elastische Verformung:

Der teilweise Rückgang der Kriechverformung nach der Entlastung.

Der Abstand zwischen den einzelnen Gelpartikeln hat sich durch die Entlastung wie-der vergrößert, das thermodynamische Gleichgewicht ist erneut gestört, und ein Teil der Wassermoleküle wandert wieder an die ursprünglichen Stellen zurück.

Das Kriechen kann wegen bleibender Strukturveränderungen jedoch nicht völlig re-versibel sein.

Ursachen:

Mikrorissbildung während der Belastung; Bildung von Primärbindungen zwischen Gelpartikeln; Kriechen durch bleibende Gleitverformungen

- 232 -

Parameter, welche die Größe des Kriechens beeinflussen:

Alle Parameter, die zu einer Erhöhung der Schwindverformungen des Betons führen, verursachen auch eine Erhöhung des Kriechens:

• Zementsteinvolumen

• relative Luftfeuchte der umgebenden Luft

• Körpergröße

• Art der Gesteinskörnung

Zusätzlich ist zu berücksichtigen:

• Hydratationsgrad bzw. Alter des Betons bei Belastungsbeginn

Das Kriechen ist um so geringer, je geringer die Porosität des Betons, d.h. je älter der Beton bzw. je höher sein Hydratationsgrad ist.

D.9.2.5 Vorherbestimmung der Verformungseigenschaften von Beton

Die in den folgenden Abschnitten dargestellten Ansätze zur Vorbestimmung des Schwindens und Kriechens von Konstruktionsbeton sind aus der neuen DIN 1045 entnommen. Hinsichtlich des stoffmechanischen Grundkonzeptes und der mathemati-schen Darstellung lehnen sich die neuen Ansätze an die Vorhersagemodelle im Euro-code 2 bzw. CEB-FIP Model Code 1990 an. Das angegebene Vorhersageverfahren für die elastische Verformung wurde aus dem CEB-FIP Model Code 1990 übernom-men.

D.9.2.5.1 Elastische Verformung oder Augenblicksverformung

Solange auf den Beton einwirkende Druckspannungen etwa 40 % der Kurzzeitdruck-festigkeit des Betons nicht überschreiten, können die Augenblicksverformungen, die unmittelbar nach der Lastaufbringung auftreten, mit Hilfe des Elastizitätsmoduls Ec bestimmt werden. Dieser kann nach folgender Beziehung abgeschätzt werden:

31

cm

cm0cE

ci

cc

0ff

EE

⋅α=

εσ

= (D.9.16)

mit Ec = Elastizitätsmodul des Betons im Alter von 28 Tagen, definiert als Tangentenmodul bei σc = 0 [N/mm2]

σc = Spannung [N/mm2]

εci = elastische Verformung, Belastungsalter 28 Tage [mm/mm]

Ec0 = Grundwert des E-Moduls = 2,15.104 [N/mm2]

fcm = mittlere Zylinderdruckfestigkeit des Betons im Alter von 28 Tagen [N/mm2]

0cmf = Bezugswert = 10 [N/mm2]

αE = Beiwert zur Berücksichtigung des Einflusses der Art der Ge-steinskörnung auf den E-Modul.

- 233 -

Tabelle D.9.3: αE für verschiedene Arten von Gesteinskörnungen

Art der Gesteinskörnung αE

Basalt, dichter Kalkstein 1,2

Quarzitisches Gestein 1,0

Kalkstein 0,9

Sandstein 0,7

Soll der Einfluss bleibender Anfangsverformungen berücksichtigt werden, so ist Ec nach Gleichung D.9.16 um den Faktor 0,85 zu reduzieren.

Für die Querdehnung kann für σc < 0,4.fcm eine Poisson´sche Zahl ν ≈ 0,20 ange-nommen werden.

D.9.2.5.2 Schwinden, Quellen und Kriechen

Berechnungsannahmen:

a) Bei Druckspannungen unter etwa 40 % der Druckfestigkeit und bei Zugspannun-gen unterhalb 80 % der Zugfestigkeit ist das Kriechen der elastischen Dehnung bzw. der aufgebrachten Dauerspannung proportional.

b) Die Kriechverformungen bei Druck- und Zugspannungen sind bei absolut glei-cher Spannung gleich.

c) Kriechvorgänge erstrecken sich über viele Jahre, u. U. über Jahrzehnte, wobei die Kriechgeschwindigkeit dauernd abfällt. Es ist noch nicht eindeutig geklärt, ob die Kriechverformung selbst oder nur die Kriechgeschwindigkeit einem Endwert zustreben. In erster Näherung wird jedoch angenommen, dass das Kriechen ei-nen Endwert erreicht.

d) Es werden nur Eingangsparameter angesetzt, die dem entwerfenden Ingenieur zum Zeitpunkt der Bemessung bekannt sind. Dies sind im Einzelnen:

• Festigkeitsklasse des Betons

• Belastungsalter des Betons

• Bauwerksabmessungen

• Festigkeitsklasse des Zementes.

Die Kriechzahl:

Die Kriechverformung des Betons εcc(t,t0) bei einem Betonalter t, der bei einem Belas-tungsalter t0 erstmals beansprucht wurde, wird durch die Kriechzahl ϕ(t,t0) ausge-drückt:

ϕ(t,t0) = εcc(t,t0)/εci (D.9.17)

Beim dargestellten Vorhersageverfahren wird für εci stets die elastische Verformung im Alter von 28 Tagen angenommen, so dass gilt:

( ) ( ) ccc 0 0

c 28

t, t t, tEσ

ε = ϕ ⋅ (D.9.18)

wobei σc = kriecherzeugende Spannung [N/mm²]

Ec28 = Elastizitätsmodul nach Gleichung D.9.16 [N/mm2].

- 234 -

Die Vorhersage der Kriechzahl erfolgt nach einem sog. Produktansatz der allgemei-nen Form:

ϕ(t,t0) = k1(t0)...ki...k(t-t0) (D.9.19)

mit k1(t0) = Beiwert, der den Einfluss des Belastungsalters t auf das Krie-chen berücksichtigt

ki = Beiwerte, welche andere Einflussgrößen auf das Kriechen, z. B. die Festigkeitsklasse des Betons, berücksichtigen

t = Betonalter

t0 = Belastungsalter

k(t-t0) = Beiwert, der den zeitlichen Verlauf des Kriechens beschreibt

t-t0 = Belastungsdauer.

Im Einzelnen gilt für die Vorhersage:

ϕ(t,t0) = ϕ0.βc(t, t0) (D.9.20)

Darin sind

ϕ0 = Grundwert der Kriechzahl

βc(t,t0) = Funktion zur Beschreibung des zeitlichen Kriechverlaufes.

Die Größe ϕ0 kann aus den Gleichungen D.9.21 bis D.9.24 bestimmt werden:

( ) ( )0cmRH0 tf β⋅β⋅ϕ=ϕ (D.9.21)

mit 0RH 1 21

3

0

RH1RH1

h0,1h

− ϕ = + ⋅ α ⋅ α ⋅

(D.9.22)

und ( ) 5,0

cm

cm

cm

0ff

3,5f

=β (D.9.23)

und ( )0 0,2

0

1

1tt0,1t

β =

+

(D.9.24)

mit 0,7

cm01

cm

3,5 ff

⋅α =

und

0,2

cm02

cm

3,5 ff

⋅α =

(D.9.25)

wobei RH = relative Feuchte der umgebenden Luft [%]

RH0 = Bezugswert = 100 %

- 235 -

fcm = mittl. Zylinderdruckfestigkeit des Betons im Alter von 28 Tagen

[N/mm2]

fcm0 = Bezugswert = 10 N/mm2

t0 = Belastungsalter [Tage]

t1 = Bezugswert = 1 Tag

h = wirksame Bauteildicke [mm]

h0 = Bezugswert = 100 mm.

Die wirksame Bauteildicke h ist definiert als

h = 2.Ac/u

mit Ac = Querschnittsfläche [mm]

u = Anteil des Querschnittumfanges, welcher einer Austrocknung ausge-setzt ist [mm].

Die Beiwerte α1 und α2 bewirken, dass nach Gleichung D.9.22 mit steigender Beton-druckfestigkeit der Einfluss der rel. Feuchte der umgebenden Luft auf das Kriechen immer geringer wird. Damit wird erfasst, dass mit steigender Betondruckfestigkeit der Beitrag des Trocknungskriechens zur gesamten Kriechverformung abnimmt.

Nach Gleichung D.9.23 sinkt das Kriechen mit steigender Druckfestigkeit des Betons. Die Betondruckfestigkeit ist hier nur als Hilfsgröße zu betrachten, die den Einfluss des Wasserzementwertes indirekt erfasst.

Gleichung D.9.24 berücksichtigt den Einfluss des Belastungsalters t0: Mit steigendem Belastungsalter nimmt die Kriechverformung deutlich ab.

Die zeitliche Entwicklung des Kriechens wird durch eine Hyperbelfunktion nach Glei-chung D.9.26 beschrieben:

( )

( )

( )

0,3

0

1c 0

0H

1

t ttt, tt t

t

− β = −β +

(D.9.26)

mit

18

H 3 30 0

RH h150 1 1,2 250 1500RH h

β = ⋅ + ⋅ + ⋅ α ≤ ⋅ α

(D.9.27)

und cm03

cm

3,5 ff

α =

wobei t1 = 1 Tag fcm0 = 10 N/mm2

RH0 = 100 % h0 = 100 mm

- 236 -

Nach den Gleichungen D.9.26 und D.9.27 entwickelt sich das Kriechen umso lang-samer, je dicker das betrachtete Bauteil ist. Bei hoher rel. Luftfeuchte vermindert sich der Einfluss der Körperdicke wie schon in Gleichung D.9.22.

Die folgende Tabelle gibt als Anhaltswerte die Endkriechzahlen von Beton ϕ70. Sie entsprechen den Kriechzahlen, die sich aus den Gleichungen D.9.20 bis D.9.26 für eine Belastungsdauer von 70 Jahren ergeben.

Tabelle D.9.4: Endkriechzahlen für Beton ϕ70

Belastungsalter t0 [Tage]

Trockene Umweltbedingungen (Innenräume) RH = 50 %

Feuchte Umweltbedingungen (im Freien) RH = 80 %

wirksame Bauteildicke h [mm]

50 150 600 50 150 600

1

7

28

90

365

5,8

4,1

3,1

2,5

1,9

4,8

3,3

2,6

2,1

1,6

3,9

2,7

2,1

1,7

1,3

3,8

2,7

2,0

1,6

1,2

3,4

2,4

1,8

1,5

1,1

3,0

2,1

1,6

1,3

1,0

Je nach verwendetem Zement hat der Beton bei einem gegebenen Belastungsalter unterschiedliche Hydratationsgrade und entsprechend eine unterschiedliche Kriech-neigung. Dies kann durch eine Korrektur des Belastungsalters t0 nach Gleichung D.9.28 berücksichtigt werden:

0 0,T 1,2

0,T

1,T

9t t 1 0,5 Taget

2t

α

= ⋅ + ≥

+

(D.9.28)

Dabei ist t0,T das tatsächliche Belastungsalter, das nach Gleichung D.9.11 (Abschnitt D.9.1.4) korrigiert werden muss, wenn die Lagerungstemperatur vor der Belastung deutlich von 20 °C abweicht. Die Größe t0 ist das in Gleichung D.9.24 und Gleichung D.9.26 einzusetzende Belastungsalter. Die Potenz α ist Tabelle D.9.5 zu entnehmen.

Tabelle D.9.5: Potenz α in Abhängigkeit von der Festigkeitsklasse des Zementes

Festigkeitsklasse des Zementes

CEM 32,5 CEM 32,5 R

CEM 42,5

CEM 42,5 R

CEM 52,5

Potenz α -1 0 +1

Nach Gleichung D.9.28 ist bei einem gegebenen Belastungsalter ein Beton aus einem langsam erhärtenden Zement CEM 32,5 im Vergleich zu einem Beton aus einem schneller erhärtenden Zement CEM 32,5 R in bezug auf das Kriechen jünger. Bei höheren Belastungsaltern (t0 > 28 Tage) verschwindet der Einfluss des Zementes.

- 237 -

Das Schwindmaß:

Die Schwindverformung eines Betons εcs(t,ts) bei einem Alter t, der ab einem Alter ts austrocknen kann, setzt sich aus den Anteilen des autogenen Schwindens εc,as(t) und des Trocknungsschwindens εc,ds(t,ts) zusammen. Die Komponenten des Schwindens ergeben sich aus dem Grundwert des autogenen Schwindens (Schrumpfen) εc,as0(fcm) und einer Zeitfunktion βas(t) bzw. aus dem Grundwert des Trocknungsschwindens εs,ds0(t,ts), einem Beiwert βRH(RH) zur Berücksichtigung des Einflusses der rel. Luft-feuchte auf das Trocknungsschwinden sowie einer Zeitfunktion βds(t-ts).

( )c,as c,as0 cm ast (f ) (t)ε = ε ⋅ β (D.9.29)

( ) ( )c,ds s c,ds0 cm RH ds st,t (f ) (RH) t tε = ε ⋅β ⋅β − (D.9.30)

Das autogene Schwinden εc,as(t) nach D.9.29 ergibt sich aus D.9.31 und D.9.32.

( )2,5

6cm cm0cas0 cm as

cm cm0

f ff 106 f f

− ε = −α ⋅ +

(D.9.31)

( )0,5

as1

tt = 1 - exp -0,2 t

⋅β

(D.9.32)

Darin bedeuten:

fcm = mittlere Zylinderdruckfestigkeit des Betons im Alter von 28 Ta-gen [N/mm²]

fcm0 = Bezugswert = 10 N/mm2

t1 = 1 Tag

αas = Beiwert, siehe Tabelle D.9.6.

Tabelle D.9.6: Beiwerte nach Gl. D.9.31 und D9.33 in Abhängigkeit vom Zementtyp

Festigkeitsklasse des Zements Merkmal αas αds1 αds2

32,5 langsam erhärtend 800 3 0,13

32,5 R; 42,5 normal oder schnell erhärtend 700 4 0,12

42,5 R, 52,5 schnell erhärtend und hochfest 600 6 0,12

Zur Bestimmung des Trocknungsschwindens εcds(t,ts) nach D.9.30 werden die Glei-

chungen D.9.33 bis D.9.36 herangezogen.

[ ] -6cm cmc,dso ds1 ds2 cm0( ) = (220 + 110 ) exp (- / f ) 10f f⋅ ⋅ ⋅ ⋅ε α α (D.9.33)

3

s10RH

s1

RH-1,55 1- für 40 RH < 99 % RH

0,25 für RH 99 %

⋅ ≤ ⋅ β β = ≥ ⋅ β

(D.9.34)

- 238 -

( ) ( )( ) ( )

0,5

s 1sds 2

0 s 1

t - t tt - t =

350 h h + t - t t

β ⋅

(D.9.35)

0,1cm0

s1cm

3,5 f = 1,0f⋅

≤β

(D.9.36)

darin bedeuten:

αds1 = Beiwert zur Berücksichtigung der Zementart, siehe Tabelle D.9.6

αds2 = Beiwert zur Berücksichtigung der Zementart, siehe Tabelle D.9.6

βs1 = Beiwert zur Berücksichtigung der inneren Austrocknung des Betons

RH = relative Luftfeuchte der Umgebung [%]

RH0 = 100 %

h = 2Ac/u = wirksame Bauteildicke [mm], mit Ac = Querschnittsfläche [mm2] und u = Umfang des Querschnitts, welcher der Trocknung ausgesetzt ist [mm]; Anm.: In der DIN 1045 wird h als h0 bezeichnet

h0 = 100 mm

fcm0 = 10 N/mm².

Der Endwert des Trocknungsschwindens εcds∞ ergibt sich aus dem Produkt des Grundwertes des Trocknungsschwindens εcds0(fcm) nach D.9.33 und dem Beiwert für den Einfluss der Umgebungsfeuchte βRH nach D.9.34.

Nach D.9.31 ist das autogene Schwinden für Betone niedriger Druckfestigkeit gering und nimmt erst für höhere Festigkeitsklassen mit steigender Betondruckfestigkeit deutlich zu. Im Gegensatz zum autogenen Schwinden sinkt das Trocknungsschwin-den mit steigender Betondruckfestigkeit, und auch die gesamte Schwindverformung nimmt mit steigender Betondruckfestigkeit ab. Die Betondruckfestigkeit ist hier nur als Hilfsgröße zu verstehen. Insbesondere das Trocknungsschwinden ist umso geringer, je kleiner die Kapillarporosität bzw. je geringer der Anmachwassergehalt bzw. der Wasserzementwert ist. Dieser beeinflusst auch die Betonfestigkeit, so dass daraus der Zusammenhang zwischen Schwinden und Betondruckfestigkeit abgeleitet werden kann.

Das autogene Schwinden ist von der rel. Feuchte der umgebenden Luft unabhängig, während das Trocknungsschwinden wegen der beschleunigten Austrocknung mit sinkender rel. Luftfeuchte deutlich zunimmt.

Die zeitliche Entwicklung des Trocknungsschwindens wird durch D.9.35 beschrieben, die auf der Diffusionstheorie aufbaut. Nach Gleichung D.9.35 hat ein Betonkörper mit quadratischem Querschnitt bei einer Kantenlänge von 100 mm nach einer Trock-nungsdauer von einem Monat ca. 50 % von εc,ds0 erreicht. Beträgt die Kantenlänge 500 mm, so sind wegen der langsameren Austrocknung nach einem Monat erst ca. 10 % von εc,ds0 aufgetreten.

Der Grundwert des Schwindens εc,ds0 stellt zugleich den Endwert des Schwindens für (t-ts) → ∞ dar. Dicke Bauteile schwinden jedoch so langsam, dass sie auch nach jahr-zehntelanger Trocknung diesen Wert nicht erreicht haben. Als Endschwindmaß kann daher die in der nachstehenden Tabelle angegebene Schwindverformung εcs70 ange-nommen werden.

- 239 -

Tabelle D.9.7: Endschwindmaße εcs70 für Beton

Trockene Umweltbedingungen (Innen-räume) RH = 50 %

Feuchte Umweltbedingungen (im Freien) RH = 80 %

wirksame Bauteildicke h [mm]

50 150 600 50 150 600

Endschwindmaß εcs70 [‰]

-0,57 -0,56 -0,47 -0,32 -0,31 -0,26

Literatur:

[D.9.1] NEVILLE, A. M., DILGER, W. H., BROOKS, J. J.: Creep of plain and structural concrete, Construction Press, London - New York, 1983

[D.9.2] MÜLLER, H. S., KVITSEL, V.: Kriechen und Schwinden von Beton – Grundla-gen einer neuen DIN 1045 und Ansätze für die Praxis. Beton- und Stahlbe-tonbau 97, 2002, Heft 1, S. 8-19.

sowie

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

[D.4.4] GRÜBL, P.; WEIGLER, H.; KARL, S.: Beton: Arten - Herstellung - Eigenschaften, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001

- 240 -

D.10 Dauerhaftigkeit von Beton Problemstellung:

Im Betonbau ist das Versagen einer Konstruktion viel häufiger auf mangelnde Dauer-haftigkeit, d. h. unzureichenden Widerstand gegen Witterungseinflüsse und chemi-sche Angriffe, als auf eine nicht ausreichende Tragfähigkeit zurückzuführen. Zur wirt-schaftlichen Bemessung muss der entwerfende Ingenieur daher Kenntnisse über die Vorgänge besitzen, die zur Zerstörung des Betons durch Witterungseinflüsse oder chemische Angriffe führen können.

D.10.1 Umweltbedingungen und Schädigungsmechanismen Für die verschiedenen Umweltklassen sind verschiedene Schädigungsmechanismen von Bedeutung, die z. T. unterschiedliche betontechnologische und konstruktive Maß-nahmen erfordern. Die Mechanismen, welche die Dauerhaftigkeit von Beton gefährden, können in physi-kalische, chemische und mechanische Einwirkungen gruppiert werden. Unter den physikalischen Einwirkungen ist an erster Stelle der Frost zu nennen, der Beton, wenn dieser einen kritischen Wassersättigungsgrad aufweist, schädigen kann. Die schädi-gende Wirkung des Frostes wird verstärkt, wenn gleichzeitig Taumittel auf den Beton einwirken. Obwohl Beton nicht brennbar ist, können hohe Temperaturen den Beton bis zur völligen Zersetzung zerstören. Ein chemischer Angriff liegt vor, wenn in den Beton eindringende Substanzen, z. B. aus der Luft, aus dem Grundwasser oder aus Lagerstoffen, mit Komponenten des erhärteten Betons reagieren. Dadurch werden entweder Bestandteile des Betons gelöst (lösender Angriff) oder die Reaktionsproduk-te nehmen ein größeres Volumen ein als der Reaktionspartner im Beton (treibender Angriff). Die Reaktionspartner können aber auch schädliche Bestandteile der Beton-ausgangsstoffe sein. Ein Sonderfall des chemischen Angriffs ist die Carbonatisierung, die vor allem für den Korrosionsschutz der Bewehrung wesentlich ist. Zu den Folgen mechanischer Einwirkungen ist insbesondere der Verschleiß zu zählen. Er kann auf-treten, wenn die Oberfläche eines Betonbauteiles, z. B. durch Verkehr, Schüttgüter o. ä. beansprucht wird. Den meisten Schädigungsmechanismen ist gemeinsam, dass sie zunächst auf die oberflächennahen Bereiche einwirken und dass sie einen hohen Feuchtegehalt des Betons voraussetzen bzw. in ihrer Wirkung durch Feuchte verschärft werden. Ähnlich wie bei der mechanischen Beanspruchung wird in der EN 206-1 und der DIN 1045-2 unterschieden zwischen der Einwirkungsseite und der Widerstandsseite. Dauerhaft ist demnach ein Bauwerk, wenn der Widerstandsvorrat während der Nut-zungsdauer größer ist als die Summe der Einwirkungen. Die Einwirkungsseite wird durch Expositionsklasssen (engl. exposure classes) be-schrieben, die sich jeweils auf ein bestimmtes Schadensrisiko beziehen (siehe Tab. D.3.4). Dabei wird unterschieden zwischen solchen Einwirkungen, die Korrosion der Bewehrung oder anderer eingebetteter Metalle hervorrufen könnten, und solchen, die den Beton schädigen könnten. In manchen Fallen kann eine Exposition auch beide Me-chanismen betreffen, z. B. Meerwasserumgebung, die sowohl den Beton angreifen könnte als auch zur Korrosion der Bewehrung führen könnte. Die Expositionsklasse wird durch den Großbuchstaben X (von Exposition) und einem weiteren Buchstaben be-zeichnet:

Expositionsbedingung Klas-se Englisch Deutsch

Korrosionstyp

X0 0 0 keine Korrosion XC Carbonation Karbonatisierung XD Deicing Salt Chloride ohne Meerwasser XS Sea Meerwasser

Bewehrungs-korrosion

XF Frost Frost und Frost-Taumittel XA Acid chemischer Angriff XM Mechanical Abrasion Verschleiß

Betonkorrosion

- 241 -

Die Klasse X0 (null) deutet darauf hin, dass kein Schadensrisiko besteht. Das Risiko eines Schadens wird in drei bis vier Stufen eingeteilt. In der Summe ergeben sich die 21 Expositionsklassen, die Tabelle D.3.4 zusammengestellt sind.

Die Widerstandsseite wird durch die Betonzusammensetzung definiert. Kennzeich-nende Größen sind der höchstzulässige Wasserzementwert, die Mindestdruckfestig-keitsklasse, der Mindestzementgehalt (ohne bzw. mit anrechenbaren Zusatzstoffen). der Mindestluftgehalt und Anforderungen an die Gesteinskörnungen. Außerdem wer-den bestimmte Zemente für bestimmte Expositionsklassen ausgeschlossen.

D.10.2 Widerstand gegen das Eindringen aggressiver Stoffe Die in Abschnitt D.10.1 genannten Schädigungsmechanismen werden, mit Ausnahme des Angriffs durch hohe Temperaturen und des Verschleißes, nur wirksam, wenn Wasser, gelöste Stoffe oder Gase in den Beton eindringen. Dem Widerstand des Be-tons gegen das Eindringen solcher Stoffe bzw. seiner Dichtheit kommt damit für die Dauerhaftigkeit überragende Bedeutung zu. Die möglichen Transportwege für ein-dringende Stoffe sind die Kapillarporen des Zementsteines, die Poren in der Kontakt-zone zwischen dem Zementstein und den Gesteinskörnern sowie Mikrorisse. Neben der Gesamtporosität und der Porengrößenverteilung ist dabei die Kontinuität des Po-rensystems von besonderer Bedeutung, die im Zementstein bei ausreichend niedri-gem w/z-Wert und hohem Hydratationsgrad nicht mehr gegeben ist.

Ein Stofftransport im Porensystem erfolgt nach drei unterschiedlichen Mechanismen oder deren Kombinationen:

Permeation ist die Durchströmung des Porensystems durch Flüssigkeiten oder Gase als Folge eines Druckgefälles. Unter Diffusion versteht man den Transport von freien Atomen, Molekülen oder Ionen als Folge eines Konzentrationsgefälles. Kapillares Saugen ist die Aufnahme von Wasser oder anderen benetzenden Flüssigkeiten in das Porensystem des Betons als Folge von Kapillarkräften.

Der Widerstand eines Betons gegen das Eindringen aggressiver Substanzen nach diesen Transportmechanismen kann durch Kenngrößen des Betons, den Permeabili-tätskoeffizienten, den Diffusionskoeffizienten und den Wasseraufnahmekoeffizienten charakterisiert werden, siehe dazu Kap. C.6. Solche Kenngrößen können daher unter bestimmten Voraussetzungen ein Maß für die Dauerhaftigkeit von Beton sein, siehe dazu z. B. [D.4.3] und die Vorlesung „Korrosion und Dauerhaftigkeit“.

D.10.3 Korrosionsschutz der Bewehrung im Beton

D.10.3.1 Allgemeine Anforderungen

Eine wesentliche Voraussetzung für die gemeinsame Tragwirkung von Stahl und Be-ton und für die Dauerhaftigkeit von Bauteilen aus Stahl- und Spannbeton ist, dass die Bewehrung, die an der Luft sehr rasch korrodieren würde, im Beton auf Dauer vor Korrosion geschützt ist. Der dauerhafte Korrosionsschutz der Bewehrung im Beton beruht darauf, dass die Porenlösung des Betons im Bereich der Bewehrung eine hohe OH-Ionen-Konzentration und daher einen pH-Wert oberhalb von 12,5 aufweist. Unter diesen Bedingungen bildet sich auf der Oberfläche des Stahles eine sog. Passiv-schicht. Dies ist eine sehr dünne, aber dichte Schicht aus Eisenoxid, die eine Auflö-sung des Eisens in Ionen verhindert (siehe dazu auch Kap. C.6). Eine Korrosion von Stahl im Beton kann daher nur auftreten, wenn gleichzeitig drei Bedingungen erfüllt sind:

1. Die Passivschicht wird durch Carbonatisierung oder Chloride zerstört

2. Der elektrische Widerstand des Betons wird durch einen hohen Feuchtegehalt deutlich vermindert

3. Sauerstoff kann in ausreichender Menge bis zum Bewehrungsstahl vordringen.

Wegen des hohen elektrischen Widerstandes von trockenem Beton geht die Korrosi-onsgeschwindigkeit von Stahl in trockenem Beton auch dann gegen Null, wenn der

- 242 -

Beton carbonatisiert ist oder freie Chloridionen enthält. Auch in ständig unter Wasser gelagertem Beton ist wegen unzureichender Sauerstoffzufuhr nicht mit Stahlkorrosion zu rechnen. Eine Korrosionsgefährdung der Bewehrung besteht jedoch bei nicht sachgerecht hergestellten Betonbauteilen, die wechselnd durchfeuchtet und ausge-trocknet werden. Hier kann der Fall eintreten, dass alle drei für die Korrosion erforder-lichen Bedingungen erfüllt sind. Ein für die meisten Fälle ausreichender Schutz der Bewehrung wird aber durch eine ausreichend dicke Betondeckung aus ausreichend dichtem Beton und durch Begrenzung des Gehaltes an korrosionsgefährdenden Stof-fen in den Betonausgangsstoffen erreicht.

D.10.3.2 Carbonatisierung und Eindringen von Chloriden

Dringt Kohlendioxid aus der Luft in den Beton ein, so kann es mit den Komponenten des Zementsteines, insbesondere mit dem Calciumhydroxid reagieren:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Mit dieser Reaktion (Carbonatisierung) verbunden ist ein Abfall des pH-Wertes der Porenlösung im Zementstein auf pH < 9, so dass die Passivierung eines im Beton eingebetteten Stahles nicht mehr gegeben ist, siehe Kap. C.6.3. Für Beton, der unter konstanten klimatischen Bedingungen gelagert ist und für Beton im Freien, der vor direkter Regeneinwirkung geschützt ist, kann die zeitliche Entwicklung der Carbonati-sierung nach dem sogenannten t -Gesetz beschrieben werden:

tD.constd2COc ⋅⋅= (D.10.1)

mit dc = Carbonatisierungstiefe in mm

t = Dauer der Carbonatisierung

DCO2 = Diffusionskoeffizient für CO2 im carbonatisierten Beton.

Die Carbonatisierungsgeschwindigkeit nimmt daher mit sinkendem DCO2 ab und ist

umso geringer, je kleiner die Kapillarporosität des Zementsteines ist.

Bei Bauwerken, die häufig Feuchte, z.B. als Schlagregen, ausgesetzt sind, verläuft die Carbonatisierung deutlich langsamer und kann sogar einem Endwert zustreben. Dann ist vor allem die Dicke der Betonüberdeckung dafür maßgebend, ob die Carbonatisie-rungsfront die Bewehrung erreicht oder nicht.

Chloride, z.B. aus Tausalzen, dringen durch Diffusion oder als wässrige Lösung in den Beton ein. Chloridionen zerstören auch bei hohem pH-Wert der Porenlösung die Passivschicht auf einer Stahloberfläche, siehe Vorlesung Kap. C.6. Betonoberflächen, die häufig Tausalzlösungen ausgesetzt sind, bedürfen in den meisten Fällen eines zusätzlichen Schutzes, um zu verhindern, dass während der Nutzung einer Stahlbe-tonkonstruktion Chloridionen bis zur Bewehrung vordringen.

D.10.4 Wasserundurchlässiger Beton Ein Bauteil aus Beton wird als wasserundurchlässig bezeichnet, wenn bei längerer Einwirkung von Wasser auf das Bauteil auf der dem Wasser abgewandten Seite kein Wasser austritt und sich dort auch keine feuchten Flecken zeigen. Dies bedeutet, dass an der dem Wasser abgewandten Seite das Wasser schneller verdunstet, als es durch Permeation im Beton bis zur Oberfläche transportiert wird. Wasserundurchläs-sigkeit setzt einen niedrigen Wasserzementwert, i. a. w/z ≤ 0,60, und einen hohen Hydratationsgrad des Betons voraus.

D.10.5 Widerstand von Beton gegen Frost Die Schädigung von Beton durch Frosteinwirkung gehört zu den häufigsten Scha-densfällen von Betonkonstruktionen. Voraussetzung für die Schädigung von Beton durch Frosteinwirkung ist eine kritische Wassersättigung des Betons. Bei geeigneter

- 243 -

Zusammensetzung, Herstellung und Lagerung kann Beton aber einen hohen Frostwi-derstand besitzen.

D.10.5.1 Mechanismen der Frostschädigung

Die Menge an gefrierbarem Wasser:

Wird reines, freies Wasser abgekühlt, so dehnt es sich nach Unterschreiten des Gefrierpunktes um ca. 9,1 Vol.-% aus. Die Abkühlkurve zeigt während der Phasenumwandlung einen Hal-tepunkt, d.h. die Temperatur bleibt so lange konstant, bis alles Wasser zu Eis gefroren ist.

Wird wassergesättigter Beton gefroren, so gefriert darin ent-haltenes Wasser bei Erreichen einer Temperatur von 0 °C meist noch nicht. Mit weiter sinkender Temperatur nimmt die Menge an gefrorenem Wasser kontinuier-lich zu. Sie hängt vom Wasser-zementwert ab.

Abbildung D.10.2: Menge an gefrorenem Wasser in [g/dm3] Beton

Ursachen:

a) Das im Beton enthaltene Wasser ist nicht chemisch rein, sondern enthält Alka-lien des Zementes und Calciumhydroxid in gelöster Form. Je nach Konzentrati-on dieser Substanzen erniedrigt sich dadurch der Gefrierpunkt des Wassers.

b) Der Zementstein besitzt Poren unterschiedlicher Größe. Das Wasser in den feinsten Poren (Gelporen) wird durch Adsorptionskräfte an Oberflächen gebun-den und gefriert daher erst bei tiefen Temperaturen. Das Wasser in den größe-ren Poren (Kapillarporen) kann dagegen schon bei höheren Temperaturen ge-frieren. Mit steigendem Wasserzementwert wächst das Kapillarporenvolumen und daher auch die Menge an gefrierbarem Wasser.

Der Vorgang der Frostzerstörung des Betons:

Das in den großen Poren des Zementsteines enthaltene Wasser gefriert bei einer bestimmten Temperatur, wobei die Menge des gefrorenen Wassers temperaturab-hängig ist. Die Eisbildung hat eine Volumenvergrößerung zur Folge. Dadurch wird im noch nicht gefrorenen Wasser der kleinen Poren ein hydrostatischer Druck erzeugt, der, wenn die Zugfestigkeit des Zementsteines überschritten wird, den Zementstein zerstört.

Abkühlungskurve von reinem WasserZeit

Temp. (°C)

0Zeitraum, während

dem allesWasser gefriert

Menge an gefrorenem Wasser in g/dm³ Beton

Temp.0(°C)

80

160

-20 -15 -10 -5 +/-0

= 0,72

= 0,41ω

ω

= 0,49ω

w (g/dm3-Beton)

0

Abbildung D.10.1: Abkühlungskurve von reinem Wasser

- 244 -

Die folgende Tabelle zeigt, dass die Volumenvergrößerung des zu Eis gefrorenen Wassers vom Wasserzementwert des Zementsteines abhängt und bei einer Tempe-ratur von -10 °C 1 % des Zementsteinvolumens nicht überschreitet.

Tabelle D.10.1: Bezogene Volumenvergrößerung des zu Eis gefrorenen Wassers

w/z-Wert

gefrorenes Wasser im Beton bei -10 °C

in % des Zementsteinvolumens

Volumenzuwachs des Wassers

in % des Zementsteinvolumens

0,41 3,8 0,35

0,49 4,8 0,45

0,72 8,1 0,75

Das durchschnittliche Porenvolumen des Zementsteines im Beton beträgt ca. 4-6 %.

Auch Beton, der über längere Zeit wassergelagert wurde, besitzt noch ein Volumen nicht wassergefüllter Poren, das größer als die Volumenzunahme des Wassers beim Gefrieren ist. Das unter Druck stehende Wasser könnte daher zu den leeren Poren-räumen wandern und sich dort entspannen und ungehindert gefrieren. Trotzdem wird der Beton zerstört.

Ursache:

Der hydrostatische Druck im nicht gefrorenen Wasser wird um so größer, je länger der Weg ist, den das Wasser bis zum Entspannen in einer leeren Pore zurücklegen muss. Ohne besondere Maßnahmen ist trotz ausreichendem Porenvolumen der Ab-stand zwischen den leeren Poren zu groß, um den hydrostatischen Druck wirksam abzubauen.

Wirkungsweise von Luftporenbildnern:

Beton weist einen hohen Frostwiderstand auf, wenn im Zementstein mit Luftporen-bildnern ein System sehr kleiner, gleichmäßig verteilter Luftporen erzeugt wird. Diese Luftporen sind nicht kontinuierlich und füllen sich auch bei länger andauernder Was-serlagerung nicht vollständig mit Wasser.

Das wichtigste Merkmal eines wirksamen Luftporensystems im Zementstein ist der Abstandsfaktor AF. Er gibt die größte Entfernung eines Punktes im Zementstein zur nächst gelegenen Luftpore an und soll für Beton mit hohem Frostwiderstand im Be-reich von 0,10 bis 0,20 mm liegen. Dann bleibt der von nicht gefrorenem Wasser bis zur Entspannung zurückzulegende Weg gering, so dass die Größe des hydrostati-schen Druckes im Zementstein keine kritischen Werte erreicht.

Erforderliche Luftgehalte:

Um Zementstein gegen Frosteinwirkung ausreichend schützen zu können, muss er einen Luftgehalt von ca. 15 bis 20 Vol.-% besitzen. Bezogen auf das gesamte Beton-volumen ergibt sich ein erforderlicher Luftgehalt des Betons von 3 bis 6 Vol.-%.

Mit steigendem Luftgehalt nimmt der Frostwiderstand des Betons zu:

- 245 -

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

0 4 8 12

Ausdehnung (Vol.-%)

Luftgehalt des Betons (Vol.-%)

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6Luftgehalt des Betons (Vol.-%)

Relativer Frostwiderstand

Abbildung D.10.3: Volumenzunahme des Betons und relativer Frostwiderstand in

Abhängigkeit vom Luftgehalt des Betons

Um sicherzustellen, dass das Luftporensystem im Zementstein nicht zu grobporig ist, wird als weiterer Kennwert der Mikroluftporengehalt L 300 herangezogen. Er gibt den Gehalt an Luftporen mit Durchmessern < 0,30 mm an und soll 1,5 Vol.-% nicht unter-schreiten.

Einfluss von Luftporenbildnern auf die Betonfestigkeit:

Wegen der Erhöhung der Gesamtporosität führt die Verwendung von LP-Mitteln zu einer Reduktion der Betonfestigkeit und des Widerstandes von Beton gegen mecha-nische Angriffe. Luftporenbildner verbessern aber die Verarbeitbarkeit des Frischbe-tons, so dass bei vorgegebener Frischbetonkonsistenz der Wasserzementwert mit steigendem Luftgehalt etwas reduziert werden kann. Dadurch kann der Festigkeits-verlust des erhärteten Betons als Folge der Vergrößerung des Luftvolumens zumin-dest teilweise kompensiert werden.

D.10.5.2 Parameter, die den Frostwiderstand von Beton beeinflussen

POWERS gibt für die Größe des hydrostatischen Druckes p, der beim Gefrieren von Wasser in einem gesättigten Porensystem entsteht, folgende allgemeine Beziehung an:

gK

dtdTAF09,0

p⋅⋅

≈ (D.10.2)

wobei AF = Abstandsfaktor

Kg = Permeabilität des Zementgels

dtdT = Geschwindigkeit des Temperaturabfalles.

Aus dieser Beziehung und den voranstehenden Überlegungen zur Frostschädigung von Beton ergeben sich die wesentlichen Parameter, welche den Frostwiderstand von Beton beeinflussen.

• Sättigungsgrad: Trockener Beton ist nicht frostgefährdet. Erst wenn mehr als ca. 91 Vol.-% der Poren des Betons mit Wasser gefüllt sind, ist mit einer Frostschädi-gung zu rechnen.

Volumenzunahme (Vol.-%)

- 246 -

• Abstandsfaktor: Mit kleiner werdendem Abstandsfaktor nimmt der Frostwiderstand des Betons zu, da der vom nicht gefrorenen Wasser bis zur Entspannung zurück-zulegende Weg kleiner wird.

• Zementsteingehalt: Häufig ist der Zementstein frostgefährdeter als die Gesteins-körnung. Die Frostanfälligkeit von Beton wächst daher mit steigendem Zement-steingehalt. Der für Zementstein mit hohem Frostwiderstand erforderliche Luftge-halt beträgt ca. 15 bis 20 Vol.-%. Daher wächst mit steigendem Zementsteingehalt auch der auf das Betonvolumen bezogene erforderliche Luftgehalt.

• Wasserzementwert: Mit steigendem Wasserzementwert wächst das Kapillarpo-renvolumen und daher auch die Menge an gefrierbarem Wasser. Beton, der nied-rigen Temperaturen ausgesetzt sein kann, soll daher einen Wasserzementwert von weniger als 0,60 haben, und zwar auch dann, wenn ein Luftporenbildner ver-wendet wird.

• Geschwindigkeit des Temperaturabfalles: Bei plötzlichen Temperaturänderungen ist die Gefahr der Frostzerstörung des Betons größer als bei langsam sinkender Temperatur, da die Höhe des hydrostatischen Druckes im nicht gefrorenen Was-ser mit steigender Temperierungsgeschwindigkeit anwächst.

• Anzahl der Frost-Tau-Wechsel: Durch häufige Frost-Tau-Wechsel wird der Ze-mentstein einer Ermüdungsbeanspruchung unterworfen. Eine Zerstörung von Be-ton durch Frost erfolgt daher meist erst nach mehreren Frost-Tau-Wechseln.

• Eigenschaften der Gesteinskörnung: Je nach Porenstruktur und Sättigungsgrad können auch Gesteinkörner durch Frosteinwirkung zerstört werden. Der Frostwi-derstand von Gesteinskörnungen ist daher durch geeignete Versuche (siehe DIN 4226) nachzuweisen. Kleine Körner sind meist frostwiderstandsfähiger als große (Ähnlichkeit zwischen Korngröße und Abstandsfaktor).

D.10.6 Einwirkung von Tausalzen Straßen und Fahrbahnen von Brücken werden im Winter zur Freihaltung von Eis und Schnee häufig mit Salzen bestreut, welche den Gefrierpunkt des Wassers erniedri-gen. Die Behandlung von Betonoberflächen mit Tausalzen führt oft zu einer erhebli-chen Schädigung des Betons.

Tausalzarten:

a) Steinsalz (NaCl)

b) Magnesiumchlorid (MgCl2)

c) Calciumchlorid (CaCl2)

d) Mischungen aus a), b) und c)

e) Harnstoff (UREA)

f) Gemische aus Isopropylalkohol und Ethylenglycol.

Mechanismen der Betonschädigung durch Tausalze:

a) Erhöhung des Sättigungsgrades: Durch Tausalz geschmolzenes Eis oder Schnee dringen in den Beton ein und führen zu einem überkritischen Sätti-gungsgrad des Betons.

b) Die zum Schmelzen des Eises erforderliche Wärme wird dem Beton entzogen und führt zu einer starken Unterkühlung der Betonoberfläche. Daraus resultie-rende Temperaturspannungen können zu einem Ablösen der Oberflächen-schichten des Betons führen.

c) Osmotischer Druck: Zwischen dem im Beton enthaltenen Wasser und der in den Beton eindringenden Tausalzlösung besteht ein erheblicher Konzentra-

- 247 -

tionsunterschied an gelösten Substanzen. Dadurch kann ein osmotischer Druck entstehen, der sich dem hydrostatischen Druck als Folge des Gefrierens von Wasser im Beton überlagert und so die Frostgefährdung des Betons erhöht.

d) Beim Eindringen von Tausalzlösungen in den Beton sinkt die Konzentration des Tausalzes mit steigender Entfernung von der Oberfläche. Entsprechend verän-dert sich der Gefrierpunkt TS der wässrigen Lösung im Beton. Gleichzeitig liegt ein Temperaturgefälle im Beton vor. Unterschreitet die vorhandene Temperatur T die ortsabhängige Gefrierpunktstemperatur TS, so bildet sich in diesem Be-reich Eis (z. B. im oberflächennahen Bereich). Wenn später die tieferen Beton-schichten gefrieren, kann die darüberliegende Betonschicht abgesprengt wer-den.

T (-Bereich) 0°C

T

TSBetonplatte

Untergrund

Abbildung D.10.4: Temperatur- und Gefrierpunktverlauf beim Eindringen von Tau- salzlösungen

e) Kristallwachstum: Aus den in den Beton eingedrungenen Tausalzlösungen kristallisieren bei Ü-bersättigung die Tausalze in den Poren des Betons wieder aus. Dieses Kris-tallwachstum kann zu einem Überdruck in den Poren des Zementsteines und damit zu seiner Zerstörung führen.

f) Chemische Reaktionen: Manche Tausalze können mit den Hydratationsprodukten des Zementsteines reagieren und damit zu einer Zerstörung des Zementsteines beitragen.

g) Korrosion der Bewehrung: Tausalze können durch Risse in der Betonoberfläche nach verschiedenen Me-chanismen bis zu einer evtl. vorhandenen Stahlbewehrung vordringen. Manche Tausalze (Chloride) zerstören die Passivschicht der Stahloberfläche und führen zu einer Korrosion der Bewehrung. Die Volumenausdehnung der Korrosions-produkte führt dann zu einem Absprengen der Betonüberdeckung.

Gegenmaßnahmen:

Um Beton mit hohem Frost-Tausalz-Widerstand herzustellen, gelten die Anforderun-gen verschärft, die an Beton mit hohem Frostwiderstand gestellt werden.

D.10.7 Widerstand von Beton gegen chemische Angriffe Hochwertiger Beton setzt vielen in der Natur vorkommenden Chemikalien einen aus-reichenden Widerstand entgegen. Chemikalien, die Beton angreifen können und die erforderlichen Schutzmaßnahmen sind in DIN 4030 genauer beschrieben. Dabei wird zwischen lösendem und treibendem Angriff unterschieden.

Tabelle D.10.2 führt die Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem An-griff nach EN 206-1 auf. Diese Klasseneinteilung chemisch angreifender Umgebung gilt für natürliche Böden und Grundwasser mit einer Wasser-/Boden Temperatur zwi-schen 5°C und 25°C und einer Fließgeschwindigkeit des Wassers, die klein genug ist, um näherungsweise hydrostatische Bedingungen anzunehmen.

Der schärfste Wert für jedes einzelne chemische Merkmal bestimmt die Klasse.

- 248 -

Wenn zwei oder mehrere angreifende Merkmale zu derselben Klasse führen, muss die Umgebung der nächsthöheren Klasse zugeordnet werden, sofern nicht in einer speziellen Studie für diesen Fall nachgewiesen wird, dass die nicht erforderlich ist.

Tabelle D.10.2: Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natürliche Böden und Grundwasser

D.10.7.1 Salze und Säuren

Trockener Beton ist im Allgemeinen gegenüber trockenen Salzen unempfindlich.

Saure Wässer, d.h. Wässer, die freie Säuren enthalten, können auf Zementstein und carbonathaltige Gesteinskörnungen lösend wirken. Allgemein gilt, dass bei Wässern mit einem pH-Wert kleiner 6,5 die Gefahr der Betonkorrosion besteht.

Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid können für den Beton vor allen Dingen des-wegen schädlich sein, weil sie zur Bildung von Sulfaten (siehe Abschnitt D.10.7.2) führen können.

Kalklösende Kohlensäure greift Beton vor allem dadurch an, dass das im Zementstein befindliche Calciumhydroxid gelöst wird.

Chloride greifen den Beton nicht oder nur wenig an, können jedoch zu einer Korrosion von im Beton eingebetteten Stahl führen.

Ammoniumsalze und Magnesiumsalze können ebenfalls das Calciumhydroxid des Zementsteines angreifen. Ebenso wirken weiche Wässer calciumhydroxidlösend.

Fette und Öle können je nach Zusammensetzung und Herkunft verschiedene Wir-kungen auf den Beton ausüben. Vorsicht ist geboten vor allen Dingen bei pflanzlichen und tierischen Fetten, weil diese als Ester der Fettsäure mit dem Calciumhydroxid des Zementsteines fettsaure Calciumsalze bilden.

D.10.7.2 Sulfate

Böden, Grundwasser und Abgase können Sulfate in der Form von z.B. K2SO4, Na2SO4 und MgSO4 enthalten. Wenn Sulfate in gelöster Form in den Beton eindrin-

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gen, können sie mit noch nicht hydratisiertem C3A reagieren oder Bestandteile des Zementsteines zu Gips oder Ettringit umsetzen. Diese Reaktion ist mit einer Volu-menvergrößerung verbunden und führt bei ausreichendem Vorhandensein von Was-ser zu einer Schädigung oder Zerstörung des Betons.

Gegenmaßnahmen: Verwendung von HS-Zementen (siehe Abschnitt D.4.1.4.7)

D.10.7.3 Schutzmaßnahmen

Betone, die aggressiven Substanzen ausgesetzt sind, können durch geeignete Maß-nahmen weitgehend geschützt werden.

Grundvoraussetzung:

Möglichst dichter Beton bei geringem Zementgehalt (niedriger w/z-Wert, hoher Hydra-tationsgrad, gute Frischbetonverdichtung, ausreichende Nachbehandlung).

Bei besonders aggressiven Bedingungen kann Beton mit Schutzüberzügen meist auf Kunststoff-, Bitumen- oder Teerbasis geschützt werden, vorausgesetzt, dass der

Überzug mechanischer Beanspruchung widerstehen kann, beständig ist und auch unter Belastung rissefrei und dicht bleibt.

D.10.8 Anforderungen in den Normen Die Tabellen D.10.3 und D.10.4 gehen von einer vorgesehenen Nutzungsdauer von mindestens 50 Jahren aus, wobei eine übliche Instandhaltung vorausgesetzt wird.

Tabelle D.10.3: Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung für die Exposi-tionsklassen X0 bis XS3

Die Grenzwerte gelten auch für Schwerbeton, aber für Leichtbeton mit der Ein-schränkung, dass keine Mindestfestigkeitsklasse festgeschrieben wird. Der Zu-sammenhang zwischen Wasserzementwert und Festigkeit, der für Normalbeton gilt, ist bei Leichtbeton zusätzlich von der Festigkeit der Gesteinskörnung abhän-gig. Da die Dauerhaftigkeit hauptsächlich von der Dichte und Dauerhaftigkeit der Matrix abhangt. ist die Festlegung der anderen Grenzwerte (Wasserzementwert, Zementgehalt. Luftgehalt, Zementart) ausreichend. Wenn die vorgesehene Nut-zungsdauer deutlich von 50 Jahren abweicht, sind zusätzliche Überlegungen hin-sichtlich einer Verschärfung oder Abschwächung der Grenzwerte nach Tabelle D.10.3 und D.10.4 und, falls die Bewehrungskorrosion der kritische Risikofaktor ist, hinsichtlich der Betondeckung anzustellen.

- 250 -

Von besonderer Bedeutung sind die Festlegungen bezüglich der Betondeckung nach DIN 1045-1, siehe Tabelle D.10.5. Die darin gegebenen Werte für die Be-tondeckung sind umso größer, je korrosionsgefährdender die Umweltbedingun-gen. Darüber hinaus wird zwischen einem Mindestmaß und einem Nennmaß der Betondeckung unterschieden. Beide Größen unterscheiden sich um ein Vorhalte-maß von 10 mm. Die Nennmaße sind Entwurf und Ausführung zugrunde zu legen, um so die Einhaltung der Mindestmaße im Bauwerk mit ausreichend hoher Wahr-scheinlichkeit sicherzustellen. Für Spannbeton gelten darüber hinaus zusätzliche Festlegungen.

- 251 -

Tabelle D.10.4: Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung für die Exposi-tionsklassen XF1 bis XM3

- 252 -

Tabelle D.10.5: Mindestbetondeckung cmin zum Schutz gegen Korrosion und Vorhal-temaß ∆c in Abhängigkeit von der Expositionsklasse

Spalte 1 2 3

Mindestbetondeckung cmin mm 1)2)

Zeile

Klasse Betonstahl

Spannglieder im sofortigen Verbund und im nachträgli-chen Verbund 3)

Vorhalte-maß ∆c

mm

1 XC1 10 20 10 XC2 20 30 XC3 20 30 2 XC4 25 35 XD1 XD2 3

XD34) 40 50

XS1 XS2 4 XS3

40 50

15

1) Die Werte dürfen für Bauteile, deren Betonfestigkeit um 2 Festigkeitsklassen höher liegt, als nach Tabelle 3 mindestens erforderlich ist, um 5 mm vermindert werden. Für Bauteile der Expositionsklasse XC1 ist diese Abminderung nicht zulässig.

2) Wird Ortbeton kraftschlüssig mit einem Fertigteil verbunden, dürfen die Werte an den der Fuge zugewandten Rändern auf 5 mm im Fertigteil und auf 10 mm im Ortbeton verringert werden. Die Bedingungen zur Sicherstellung des Verbundes nach Absatz (4) müssen jedoch eingehalten werden, sofern die Bewehrung im Bauzustand ausgenutzt wird.

3) Die Mindestbetondeckung bezieht sich bei Spanngliedern im nachträglichen Verbund auf die Oberfläche des Hüllrohrs.

4) Im Einzelfall können besondere Maßnahmen zum Korrosionsschutz der Bewehrung nötig sein.

Literatur:

[D.10.1] DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON, Richtlinie für hochfesten Beton, 1995

[D.10.2] DIN 1045-1:2001-07, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil1: Bemessung und Konstruktion

[D.10.3] HENNING, O., KNÖFEL, D.: Baustoffchemie, Verlag für Bauwesen, Berlin, Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, 1997

[D.10.4] BICZÓK, J.: Betonkorrosion – Betonschutz, 6. Auflage, Bauverlag, Wiesba-den, 1968

[D.10.5] KNOBLAUCH, H., SCHNEIDER, U.: Bauchemie, 4. Auflage, Werner Verlag, Düsseldorf, 1995

sowie

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

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D.11 Sonderbetone

D.11.1 Arten Sonderbetone sind je nach Eigenschaften des Festbetons bzw. seiner Zusammenset-zung z. B.

• Hochfester Beton (Festigkeitsklasse über C50/60)

• Schwerbeton (ρ > 2,6 kg/dm3)

• Leichtbeton (ρ < 2,0 kg/dm3)

• Faserbeton

• Selbstverdichtender Beton.

Betone können auch nach besonderen Verfahren hergestellt werden, z. B.

• Unterwasserbeton

• Vakuumbeton

• Spritzbeton und Faserspritzbeton

• Trockenbeton

• Beton für Gleitbauverfahren.

D.11.2 Hochfester Beton Als hochfester Beton wird Beton mit einer Festigkeitsklasse über C50/60 im Falle von Normalbeton oder Schwerbeton und einer Festigkeitsklasse über LC50/55 im Falle von Leichtbeton bezeichnet. Mit modernen Technologien ist es möglich, auch unter Baustellenbedingungen Betone mit Nennfestigkeiten über 100 N/mm2 herzustellen. Hochfeste Betone fanden ihre erste Anwendung beim Bau von Off-Shore-Konstruktionen und werden in zunehmendem Maße in hohen Bauwerken eingesetzt.

D.11.2.1 Ausgangsstoffe, Zusammensetzung und Herstellung

Zur Herstellung von hochfestem Beton sind keine ungewöhnlichen Geräte und Mi-scher oder unübliche Zusatzmittel und Zusatzstoffe erforderlich. Trotzdem setzt die erfolgreiche Herstellung hochfester Betone eine besonders sorgfältige Wahl der Aus-gangsstoffe und der Betonzusammensetzung sowie eine besonders gründliche Quali-tätskontrolle voraus.

Die hohen Festigkeiten werden durch niedrige Wasserzementwerte, häufig unter Ver-wendung puzzolanischer Zusatzstoffe, erzielt. Der Einsatz hochaktiver Fließmittel ist daher im Allgemeinen unerlässlich. Als Bindemittel sind die Normenzemente mit hoher Druckfestigkeit (CEM 42,5; CEM 52,5) besonders geeignet. Die Druckfestigkeit von Gesteinskörnungen für Beton kann bei hochfesten Betonen die erzielbare Beton-druckfestigkeit begrenzen. So sind daher entsprechend feste Gesteinskörnungen erforderlich.

Um den Wasseranspruch und damit für einen gegebenen Wasserzementwert den Zementgehalt möglichst niedrig zu halten, kommt der Auswahl einer geeigneten Korn-zusammensetzung besondere Bedeutung zu. Wegen der meist hohen Zement- und Zusatzstoffgehalte kann der Gehalt an Feinstoffen in den Gesteinskörnungen niedrig sein. Aus Gründen der Verarbeitbarkeit wird das Größtkorn häufig auf 20 mm be-grenzt.

Puzzolanische Zusatzstoffe, insbesondere silikatische Feinstäube (SF) und u. U. auch einige hochaktive Flugaschen als teilweiser Zementersatz, tragen zur Festigkeitsent-wicklung nicht nur wegen ihrer puzzolanischen Wirkung, sondern bei richtiger Ab-stimmung mit dem jeweils verwendeten Zement wegen der Verbesserung der Pa-

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ckungsdichte im Zementstein bei. Silikatische Feinstäube erhöhen den Wasseran-spruch. Dies unterstreicht die Notwendigkeit der Verwendung von Fließmitteln.

Hochfeste Betone werden auch unter Baustellenbedingungen mit Wasser-zementwerten etwa zwischen 0,22 und 0,35 hergestellt. Bei Verwendung von silikati-schen Feinstäuben (SF) wird von entsprechenden Wasserbindemittelwerten ausge-gangen. Insbesondere in höherem Alter kann SF voll auf den Bindemittelgehalt ange-rechnet werden. Da SF bei seiner Hydratation Calciumhydroxid verbraucht, sollte aber das Verhältnis SF/Z auf etwa 0,10 begrenzt werden.

Die Anforderungen an die Verarbeitbarkeit des Frischbetons entsprechen jenen an Normalbeton. Wegen der Verwendung von Fließmitteln ist häufig ein frühes Ausstei-fen des Frischbetons zu verzeichnen, das ein Nachdosieren des Fließmittels und u. U. auch die Verwendung von Verzögerern erforderlich macht.

Beim Transport und der Verarbeitung hochfester Betonmischungen ist besonders darauf zu achten, dass möglichst wenig Wasser verdunsten kann. Wegen der gerin-gen Wassergehalte neigen hochfeste Betone kaum zum Bluten. Dies erhöht aber die Gefahr des plastischen Schwindens, so dass entsprechende Schutzmaßnahmen un-mittelbar nach dem Verdichten bzw. der Bearbeitung freier Oberflächen besonders wichtig sind. Die Entwicklung der Hydratationswärme hängt nicht nur vom Bindemit-telgehalt, sondern auch vom Wassergehalt des Betons ab. Bei niedrigen Wasserze-mentwerten reicht das Anmachwasser für eine vollständige Hydratation des Bindemit-tels bei weitem nicht aus, so dass sich nur ein Teil der möglichen Hydratationswärme entwickelt. Trotzdem sollte durch besondere Vorkehrungen insbesondere bei massi-ven Bauteilen der Bindemittelgehalt möglichst niedrig gehalten werden.

Die Anforderungen an die Nachbehandlung von Normalbeton gelten auch für hochfes-ten Beton, wobei den Methoden mit Wasserzufuhr der Vorzug zu geben ist. Dies gilt vor allem deswegen, weil bei den niedrigen Wasserzementwerten das Anmachwasser im Beton schnell verbraucht wird. Dies hat eine innere Austrocknung und eine damit verbundene Schwindverformung zur Folge. Hochfeste Betone sind aber im Allgemei-nen schon nach wenigen Tagen so dicht, dass von außen zugeführtes Wasser nicht mehr in den Beton eindringen kann.

D.11.2.2 Festigkeitsklassen und mechanische Eigenschaften

Die Festigkeitsklassen für hochfesten Beton nach DIN 1045-1 sind in Tabelle D.3.2 angegeben.

Hochfester Beton ist im Allgemeinen spröder als Normalbeton. Dies drückt sich insbe-sondere durch einen steilen Abfall des σ-ε-Diagrammes bei Druckbelastung aus.

Mit steigender Druckfestigkeit steigt die Zugfestigkeit hochfester Betone nicht oder nur noch wenig an. Die Schwindverformungen insbesondere aber die Einzelverformungen hochfester Betone sind im Allgemeinen deutlich geringer als jene von Normalbetonen.

Bei der Eignungsprüfung hochfester Betone im Labor sollte wegen der großen Ab-hängigkeit von der Streuung der Eigenschaften der Ausgangsstoffe und des Wasserzementwertes ein Vorhaltemaß vorgesehen werden, das etwa dem zweifachen der Standardabweichung des jeweiligen Betons entspricht.

D.11.2.3 Dauerhaftigkeit

Hochfeste Betone zeichnen sich, insbesondere bei der Verwendung silikatischer Fein-stäube als Zusatzstoff, durch besondere Dichtheit aus. Es ist daher von solchen Betonen eine hohe Dauerhaftigkeit zu erwarten, soweit sie sachgerecht zusammen-gesetzt, hergestellt und nachbehandelt wurden.

Die Zugabe von silikatischen Feinstäuben (SF) kann sich bei Verhältnissen SF/Z > 0,10 vor allem in höherem Betonalter wegen des hohen Verbrauchs an Calcium-hydroxid und dem damit verbundenen Abfall des pH-Wertes des Porenwassers un-günstig auf den Korrosionsschutz der Bewehrung auswirken. Unklar ist jedoch, ob selbst bei reduziertem pH-Wert die anderen Voraussetzungen für eine Stahlkorrosion,

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ausreichende Sauerstoffzufuhr und eine ausreichende Wassermenge, erfüllt sind. Günstig wirkt sich bei Taumittelangriff die erhöhte Bindekapazität silikatischer Fein-stäube gegenüber Chloriden aus. Der Widerstand hochfester Betone gegen chemi-sche Angriffe ist im Allgemeinen deutlich höher als jener normaler Betone.

Der Frostwiderstand hochfester Betone ist wegen ihrer sehr geringen Kapillarporosität so hoch, dass auch bei Frost-Tausalzangriff eine Verwendung von LP-Mitteln nicht zwingend erforderlich ist.

D.11.3 Leichtbeton D.11.3.1 Definition und Anwendung

Leichtbeton hat eine Rohdichte von höchstens 2,0 kg/dm3. Wärmedämmender Leicht-beton bietet wegen seiner guten wärmedämmenden Eigenschaften im Hochbau oft eine in bauphysikalischer und wirtschaftlicher Hinsicht günstige Alternative zum Nor-malbeton. Solche Leichtbetone enthalten meist porige Gesteinskörnungen und finden vorwiegend zur Herstellung von Betonwaren und kleineren Fertigteilen Verwendung, z.B. als Hohlblocksteine und Wandbauplatten.

Betone für den konstruktiven Ingenieurbau mit mittleren und hohen Betonfestigkeiten, die wesentlich leichter als Normalbeton sein können (Konstruktionsleichtbeton), finden häufig als Stahlleichtbetone Verwendung. Für ihre Herstellung werden fast aus-schließlich Blähtone und Blähschiefer als Gesteinskörnungen verwendet. Die folgen-den Ausführungen gelten vorwiegend für Stahlleichtbetone.

D.11.3.2 Grundarten

Es wird zwischen folgenden Grundarten des Leichtbetons unterschieden:

Abbildung D.11.1: Grundarten des Leichtbetons

D.11.3.3 Konstruktionsleichtbeton

Bei Konstruktionsleichtbeton sind zwei wesentliche Parameter zu optimieren: die Druckfestigkeit und die Rohdichte. Neben dem Wasserzementwert und der Zementart beeinflussen die leichten Gesteinskörnungen selbst alle Betoneigenschaften in hohem Maße.

Festigkeitsklassen:

Nach DIN 1045-1 wird bei Leichtbeton zwischen Festigkeitsklassen gemäß Tabelle D.3.3 unterschieden.

Rohdichteklassen:

Neben den Festigkeitsklassen wird bei Leichtbeton auch zwischen verschiedenen Rohdichteklassen unterschieden, siehe Tabelle D.11.1.

Haufwerksbeton aus dichten Gesteinskörnern

Haufwerksbeton aus leichten Körnern mit porigem Gefüge

Gefügedichter Beton aus porigen Gesteinskörnungen

Porenbeton (Gas- und Schaumbeton)

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Tabelle D.11.1: Rohdichteklassen von Leichtbeton (nach DIN 1045-1)

Rohdich-teklasse

D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0

Rohdich-te

Kg/m3

≥ 800

und

≤ 1000

>1000

und

≤ 1200

>1200

und

≤ 1400

>1400

und

≤ 1600

>1600

und

≤ 1800

>1800

und

≤ 2000 Ausgangsstoffe:

Zement: Nach den Richtlinien für Leichtbeton muss der Zementgehalt mindestens 300 kg/m3 verdichteten Betons betragen. Es können alle Zemente nach DIN 1164 verwendet werden.

Leichte Gesteinskörnungen: Für konstruktiven Leichtbeton werden in der Regel künstlich geblähte Gesteinskör-nungen aus Schiefer bzw. Ton verwendet. Der Korndurchmesser für leichte Gesteins-körnungen ist auf maximal 25 mm begrenzt. Leichte Gesteinskörnungen für konstruk-tiven Leichtbeton müssen den Bedingungen der DIN 4226-2 entsprechen.

Mischungsentwurf:

Die Mischungsberechnung und die Stoffraumgleichung müssen bei der Verwendung von leichten Gesteinskörnungen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Roh-dichten der einzelnen Korngruppen erfolgen. Für die Zusammensetzung des Kornge-mischs gelten die Sieblinien nach DIN 1045. Wegen der unterschiedlichen Rohdichten verschiedener Kornfraktionen sind die Sieblinienanteile in Volumenprozenten an-zugeben.

Festigkeit:

Bei Normalbeton ist die Festigkeit des Zementsteins in der Regel geringer als die der Gesteinskörnungen. Bei Leichtbeton ist dagegen die Festigkeit der Gesteinskörner gleich oder merklich geringer als die Festigkeit des Zementsteins. Sobald die Kornfes-tigkeit unter die Mörtelfestigkeit sinkt, gilt nicht mehr die Proportionalität zwischen Beton- und Zementsteinfestigkeit.

β

β

β

β = β

α

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

Db (N/mm²)

Zementstein (N/mm²)

Db Zem.

Naturbims

Naturbims

Blähton

Blähton

Blähton

Blähschiefer

LavaschlackeKiessand

0G

Abbildung D.11.2: Druckfestigkeiten von Leichtbetonen in Abhängigkeit von der Ze-

mentsteinfestigkeit

βBeton (N/mm2)

βDb = βZem

βZementstein (N/mm2)

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Die Festigkeitsentwicklung eines Leichtbetons entspricht in den ersten Tagen der des Normalbetons, da in diesem Zeitraum die Festigkeit der Gesteinskörnungen noch über der Mörtelfestigkeit liegt. Erreicht die Mörtelfestigkeit etwa die Kornfestigkeit, dann ist auch bei weiter zunehmender Festigkeit des Mörtels nur noch eine geringfü-gige Steigerung der Betondruckfestigkeit möglich.

Die Anwendung der Leichtbetonfestigkeitsklasse LC 70/77 und LC 80/88 bedarf einer Zustimmung im Einzelfall oder einer Zulassung entsprechend den bauaufsichtlichen Vorschriften.

Die Biegezug- und Spaltzugfestigkeit des Leichtbetons sind in stärkerem Maße von der Eigenfestigkeit der Gesteinskörnungen abhängig als dies beim Normalbeton der Fall ist. Der Verbund zwischen Mörtel und leichten Gesteinskörnern ist bei rauhen und ungleichförmigen Körnern günstiger als bei Normalbeton.

Verformung:

Der Elastizitätsmodul von Leichtbeton ist wesentlich kleiner als der von Normalbeton gleicher Druckfestigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die leichten Gesteins-körnungen einer Verformung des Betons einen geringeren Widerstand entgegenset-zen als dichtere Körner.

Die Querdehnungszahl von konstruktivem Leichtbeton entspricht der des üblichen Normalbetons und beträgt rund 0,20.

Die Wärmedehnzahl der leichten Gesteinskörnungen ist meist niedriger als die von normalen Körnungen, so dass die Wärmedehnung von Leichtbeton nur das 0,5- bis 0,8-fache der Werte von üblichen Kiessandbetonen erreicht.

Dauerhaftigkeit:

Leichtbetone unterscheiden sich bzgl. ihrer Dauerhaftigkeit nicht grundsätzlich von Normalbeton.

Gute leichte Gesteinskörnungen müssen gemäß Prüfung nach DIN 4226 frostbestän-dig sein. Leichtbetone mit dichtem Gefüge lassen sich durch Einführung von Luftporen ebenfalls gegen Frost- und Tausalz-Beanspruchung widerstandsfähig machen.

D.11.4 Faserbeton Um die mechanischen Eigenschaften von Beton zu verbessern, können bei der Be-tonherstellung kurze Fasern aus Stahl, Glas, Kunststoff oder Kohlenstoff zugegeben werden. Die Fasern bewehren die Matrix und bewirken im Festbeton eine

- Erhöhung der Zug- und Druckfestigkeit

- Steigerung der Dehnfähigkeit und Energieaufnahme

- Verminderung der Rissbildung an der Bauteiloberfläche (z.B. infolge Hydratations-wärmefreisetzung, Schwinden).

Beim Frischbeton wird die Verarbeitbarkeit reduziert und die Grünstandfestigkeit er-höht. Abhängig von der Art der Herstellung und der Geometrie des Bauteils können die Fasern anstatt räumlich unorientiert eine mehr 2-dimensionale Orientierung auf-weisen.

Voraussetzung für die Wirksamkeit der Fasern ist, dass der Fasergehalt einen kriti-schen Wert überschreitet. Für die in der Praxis häufiger eingesetzten Stahlfaserbeto-ne gilt ein Mindestfasergehalt von 25 kg je m³ Beton. Die nachfolgende Abbildung zeigt typische Last-Verformungskurven für Faserbetone.

Die Wirkungsweise der Fasern im Festbeton lassen sich mit Hilfe der Verbundwerk-stofftheorie und der Bruchmechanik erklären.

Stahlfasern werden üblicherweise mit Durchmessern von ca. 0,2 bis 1 mm bei Längen bis zu 50 mm eingesetzt. Der Fasergehalt liegt bei Stahlfaserbeton im allgemeinen bei ca. 0,5 bis 2,5 Vol.-%. Beim Einsatz von Glasfasern oder Kunststofffasern kommen auch höhere Fasergehalte zur Anwendung. Der Durchmesser des Größtkorns sollte

- 258 -

bei Stahlfaserbeton etwa ein Drittel der Faserlänge nicht überschreiten. Für Glasfa-serbetone bzw. Glasfasermörtel wird ein Größtkorn von 1 bis 2 mm empfohlen.

Längenänderung, ∆l Längenänderung, ∆l

Abbildung D.11.3: Typische Last-Verformungsbeziehungen für Faserbeton (links: zentrischer Zug, rechts: zentrischer Druck)

Stahlfaserbetone sind dauerhaft. Die Korrosion der Fasern nahe der Oberfläche be-wirkt keine nennenswerte Schädigung, sie kann jedoch den optischen Eindruck (Rost-flecken) beeinträchtigen. Problematisch ist dagegen die Dauerhaftigkeit von Glasfa-serbetonen. Übliche E-Glasfasern sind zur Betonherstellung wegen mangelnder Alka-libeständigkeit ungeeignet. Der hohe pH-Wert der Porenlösung des Betons bewirkt einen lösenden Angriff, dem auch alkaliresistente Glasfasern nicht über lange Zeit-räume widerstehen können. Betone mit Kunststoff- oder Kohlenstofffasern sind im Zementstein beständig.

D.11.5 Selbstverdichtender Beton Selbstverdichtender Beton weist die besondere Frischbetoneigenschaft auf, allein unter dem Einfluss der Schwerkraft ohne die Einwirkung zusätzlicher Verdichtungs-energie zu entlüften und bis zum Niveauausgleich zu fließen. Erreicht werden kann dies bei Betonen mit üblichem Wasserzementwert und Zementgehalt durch einen hohen Mehlkornanteil und eine hohe Dosierung eines hochleistungsfähigen Fließmit-tels. Bei einer Prüfung der Konsistenz von selbstverdichtendem Beton auf dem Aus-breittisch werden ohne Schlag Ausbreitmaße von 70 cm und mehr ermittelt.

Abbildung D.11.4: Rheologisches Verhalten einer Mehlkorn-Wasser-Suspension mit und ohne Fließmittel

vf > vf crit

vf < vf crit vf > 0

vf = 0; unbewehrt K

raft

F vf = 0; unbewehrt

Kra

ft F

Bingham: τ = τ0 + tg ρ ⋅ γ

Newton: τ = tg ρ ⋅ γ

ρ

τ0 = Fließgrenze

Scherwinkelgeschwindigkeit γ

Sch

ersp

annu

ng τ

- 259 -

Die Fließfähigkeit des Betons wird durch den gegenüber üblichem Beton etwa doppelt so hohen Anteil an Mehlkorn erreicht, welches gemeinsam mit dem Wasser und dem Fließmittel eine tragfähige Suspension hoher Viskosität bildet, in der alle gröberen Gesteinskörner entmischungsfrei „schwimmen“. Dabei ist es grundsätzlich gleichgül-tig, ob das Mehlkorn z. B. aus Zement, Flugasche, Metakaolin, Silicastaub oder iner-tem Gesteinsmehl besteht, sofern nur die Suspension im Zusammenwirken mit dem Fließmittel die erforderliche rheologische Eigenschaft aufweist. Die Wirkung der Fließmittel besteht im Wesentlichen darin, dass die Oberflächenladungen (Zetapoten-tial) an allen Feststoffpartikeln in der Dispersion ausgeglichen werden und auf diese Weise die Partikel desagglomerieren. Dadurch geht das rheologische Verhalten einer Mehlkorn-Wasser-Suspension vom Verhalten eines Bingham-Körpers durch Zusatz des Fließmittels in das Verhalten einer Newton‘schen Flüssigkeit über.

Die Festbetoneigenschaften eines selbstverdichtenden Betons entsprechen weitge-hend jenen eines üblichen Konstruktionsbetons. Erste Versuche zeigen, dass der selbstverdichtende Beton eine größere Nachbehandlungsempfindlichkeit aufweist (Gefahr der Kapillarschwindrissbildung), erhöhte Schwindverformungen auftreten und der Frostwiderstand offenbar etwas geringer ist. Den Vorteilen des Wegfalls der Ver-dichtung, der 30 bis 50 % höheren Betonierleistung, der Lärmminderung und der ho-hen Zuverlässigkeit, mit der beispielsweise Sichtbetonwände aus Ortbeton und kom-plizierte Fertigteile ohne Rüttler fehlerfrei hergestellt werden können, stehen die Nachteile der erhöhten Stoffkosten für zusätzliches Mehlkorn und Fließmittel gegen-über.

Die Anforderungen der DIN 1045 hinsichtlich der Höchstwerte des Mehlkorngehaltes werden von selbstverdichtendem Beton nicht eingehalten. Auch kann seine Konsis-tenz nicht mehr mit den genormten Prüfverfahren erfasst werden. Daher bedarf die Anwendung des selbstverdichtenden Betons in Deutschland z. Z. noch einer bauauf-sichtlichen Zustimmung.

Literatur:

[D.11.1] REINHARDT, H. W. ET AL.: DAfStb Sachstandbericht Selbstverdichtender Be-ton (SVB), Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Heft 516, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2000

sowie

[D.4.3] HILSDORF, H. K. & REINHARDT, H. W.: Beton aus Betonkalender 2000, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000

[D.10.1] DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON, Richtlinie für hochfesten Beton, 1995

- 260 -

E Keramische Werkstoffe

E.1 Definitionen und Struktur Keramische Werkstoffe sind anorganische, nicht-metallische, vorwiegend kristalli-ne Stoffe und bestehen häufig aus Metalloxiden mit kovalenten bis ionischen Bin-dungen. Daraus ergeben sich als charakteristische Eigenschaften eine hohe Fes-tigkeit, eine große Kerbempfindlichkeit und ein hoher Schmelzpunkt. Im Bauwesen finden keramische Werkstoffe Verwendung als gebrannte Tonmaterialien (siehe Abschnitt E.4.1), als künstliche Betonzuschläge (z.B. Blähton, Ziegelsplitt) und im weiteren Sinn als Kalksandsteine (siehe Abschnitt E.4.7).

E.2 Herstellung und Formgebung Wegen der kovalenten Bindung besitzen keramische Werkstoffe einen hohen Schmelzpunkt und können daher nicht durch Erweichen, Schmelzen und Vergie-ßen in eine bestimmte Form gebracht werden. Keramische Werkstoffe werden daher meist in einem Sinterprozess hergestellt (Baustofftechnologie I). Die Rohma-terialien, z.B. Sand und Ton, werden entweder als Pulver trocken in eine Form gepreßt oder mit Wasser vermengt, so dass eine formbare Masse entsteht. Der Körper wird dann gebrannt, d.h. bei einer Temperatur des ca. 0,6- bis 0,9-fachen der Schmelztemperatur durch Sintern oder durch Kristallumwandlungen verfestigt. Das bei der Herstellung des Formlings verwendete Wasser verdampft während des Brennens und hinterlässt Hohlräume (= Poren), deren Volumen durch die Zu-gabemengen an Wasser und Trocknung vor dem Brennen kontrolliert werden kann.

E.3 Grundsätzliche Eigenschaften Die grundsätzlichen Eigenschaften keramischer Werkstoffe lassen sich aus der vorliegenden Mikrostruktur und der Bindungsart erklären.

Hohe Sprödigkeit: als Folge der orientierten, kovalenten Bindungen.

Geringe Zugfestigkeit: als Folge örtlicher Fehlstellen und Poren bei fehlender plastischer Verformbarkeit (Kerbempfindlichkeit).

Hohe Druckfestigkeit: als Folge der hochfesten Bindungen (Abhängigkeit von der Porosität).

Temperaturbeständigkeit: als Folge der hochfesten Bindungen. Geringe elektrische Leitfähigkeit: wegen des Fehlens freier Elektronen. Geringe Wärmeleitfähigkeit: wegen des Fehlens freier Elektronen

sowie aufgrund der Porosität. Hohe chemische Widerstandsfähigkeit: als Folge der Bindungsart.

- 261 -

E.4 Keramische Werkstoffe im Bauwesen

E.4.1 Einteilung der tonkeramischen Werkstoffe Grobkeramik

(li > 0,1 - 0,2 mm)

Feinkeramik

(li < 0,1 - 0,2 mm)

porös

(Wa > 6 %)

dicht

(Wa < 6 %)

porös

(Wa > 2 %)

dicht

(Wa < 2 %)

Mauerziegel Klinker Steingut

Dachziegel Spaltplatten

Tonrohre

Schamotte

Steinzeug

Fliesen

Spaltplatten

Rohre

(Porzellan)

li = charakteristische Länge von Inhomogenitäten, die mit dem bloßen Au-

ge noch erkennbar sind

Wa = Wasseraufnahme in M.-%

E.4.2 Ausgangsmaterialien Zur Herstellung von Ziegeln, Klin-kersteinen, Steinzeug etc. werden silikatische Rohstoffe, Tone oder Lehm verwendet, deren Hauptbe-standteile

Tonsubstanz,

Feldspat und

Quarz sind (siehe Abb. E.1).

1: Weichporzellan; 2: chemisch-technisches Porzellan; 3: Hartpor-zellan; 4: Steinzeug; 5: Steingut; 6: Ziegel, Klinker.

Abbildung E.1: Dreistoffdiagramm der Hauptbestandteile keramischer Werk-stoffe

Die Tonsubstanz ist nach Wasserzugabe meist plastisch, bildsam und umschließt die gröberen, nicht plastischen Quarzteilchen. Die Tone bestehen aus schichtarti-gen Paketen von Kristallen mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm. Die einzelnen Schichten werden durch Silikatetraeder und durch Aluminiumoktaeder gebildet (siehe Vorlesung "Baustoffkunde"). Die so entstehenden Mineralien bestehen ent-weder aus zwei oder drei Schichten.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100

Feldspat

Tonsubstanz Quarz

2 3

45 6

Gew.-%

1

- 262 -

Sauerstoff Silicium SymbolSauerstoff

Aluminium Symboloder OH-Ion

Silicatetraeder Aluminiumoktaeder

Abbildung E.2: Silikatetraeder und Aluminiumoktaeder

Typische Zweischichtminerale sind:

Kaolinit: Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O

Halloysit: Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O · nH2O

Dreischichtminerale sind:

Montmorillonit

Glimmer (Muskovit, Biotit, Illit)

Zwischen-schicht ausK-Ionen

Kaolinit Montmorillonit Glimmer

Abbildung E.3: Symbolische Darstellung von Beispielen für Zwei- und Drei-schichtminerale

Durch Anlagerung von OH--Ionen oder Wasser zwischen den Schichten neigen manche Tonmineralien zum Quellen, insbesondere Montmorillonit. Kaolinit, bei dem sich zwischen den einzelnen Schichten Wasserstoffbindungen ausbilden, ist dagegen weniger quellfähig.

E.4.3 Erhärtungsvorgänge

E.4.3.1 Kristallumwandlung

Am Beispiel des Kaolinit:

Bei 550 - 600°C Austreiben von chemisch gebundenem Wasser:

Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O → Al2O3 · 2SiO2 + 2H2O

Im Bereich von 870 - 1400°C Bildung von neuen Kristallen unter Freisetzung von SiO2:

3[Al2O3 · 2SiO2] → 3Al2O3 · 2SiO2 + 4SiO2

Die neu gebildeten Kristalle sind eng miteinander verflochten, und der so entstan-dene Scherben erweicht auch bei nachfolgender, ständiger Wasserlagerung nicht.

- 263 -

E.4.3.2 Sinterung

Größere Einschlüsse, wie z.B. Quarzsand, werden durch Sinterungsvorgänge an den Oberflächen fest miteinander verbunden.

E.4.3.3 Einfluss der Brenntemperatur

Niedere Brenntemperatur: Entstehung leichter, poröser und daher wärmedäm-mender Scherben

Höhere Brenntemperatur: Zunahme von Festigkeit, Dichte sowie chemischer und mechanischer Widerstandsfähigkeit

Beim Brennen bis zur Sinterung des Quarzes wird eine nahezu völlige Wasser-dichtigkeit und hohe Säurebeständigkeit erzielt.

Zu starkes Brennen: Risse und Verziehen der Steine

Zu schwaches Brennen: Der Ton im Ziegelkern behält seine Wasseraufnahme-fähigkeit; Zerstörung des Ziegels durch Wassereinwir-kung

E.4.4 Färbung und schädliche Bestandteile Färbung: Die Farbe eines gebrannten Tons wird im wesentlichen vom Gehalt an Kalk (gelbliche Färbung) und an Fe2O3 (rötliche bis blau-graue Färbung) beein-flusst.

Schädliche Bestandteile: Enthalten die Rohstoffe der Ziegel Kalkstein (CaCO3), so entsteht beim Brennen CaCO3 → CaO + CO2.

Kalkeinschlüsse (CaO) im Ziegel können zu Treiberscheinungen (Abplatzen der Oberfläche, Zersprengen der Ziegel) führen, wenn das CaO mit Wasser in Berüh-rung kommt, da die Reaktion

CaO + H2O → Ca(OH)2

mit einer erheblichen Volumenvergrößerung verbunden ist.

Größere Gesteinseinschlüsse verursachen Rissbildung, Chloride und Sulfate (Gips) führen zu Ausblühungen. Schwefelkiese (FeS2, Pyrit) schließlich bewirken örtliche Färbung, Treiberscheinungen sowie eine verminderte Feuer- und Witte-rungsbeständigkeit.

E.4.5 Mechanische Eigenschaften gebrannter Tone Die Eigenschaften der Scherben hängen von der Porosität, Brenntemperatur und vom Ausgangsmaterial ab:

Druckfestigkeit, βD: 10 bis 150 N/mm2

Zugfestigkeit, βZ: 1 bis 15 N/mm2

Elastizitätsmodul, E: 5000 bis 40000 N/mm2

Querdehnungszahl, µ: 0,2 bis 0,35

Rohdichte, ρ: 1,3 bis 2,0 kg/dm3

Porosität, p: 1 bis 20 Vol.-%

Verformungsverhalten: bei Druck- und Zugbelastung sehr spröde; keine oder nur sehr geringe Kriechverformungen; meist geringe Schwind- und Quellverformungen bei Trocknung und Wasseraufnahme

- 264 -

β = 87,8 N/mm²

β = 45,5 N/mm²

β = 31,7 N/mm²

Dehnung Stauchung

Druck

Zug

[N/mm2]

+1,0 -1,0 -2,0 -3,0 -4,0

20

40

60

80

σ

ε [‰]

Abbildung E.4: Spannungs-Dehnungslinien von Ziegelscherben verschiedener Druckfestigkeit

E.4.6 Mauerziegel (nach DIN 105) Mauerziegelarten:

Vollziegel (Mz):

Bezeichnung für ungelochte Ziegel. Zur Verringerung des Gewichts ist jedoch ein Lochanteil bis zu 15 % der Lagerfläche zulässig.

ρ = 1,1 bis 2,2 kg/dm3; Druckfestigkeit bis zu 80 N/mm2.

Hochlochziegel (HLz):

Vollziegel sind senkrecht zur Lagerfläche gelocht. Der Lochanteil muss mehr als 15 % der Lagerfläche betragen.

Hintermauerziegel: ist eine Sammelbezeichnung für Mau-

erziegel, bei denen die Frostbeständig-keit nicht gefordert ist.

Langlochziegel

Vormauerziegel:

sind Ziegel, deren Frostbeständigkeit durch Prüfung nachgewiesen ist.

Klinker:

Klinker werden bis zur Sinterung gebrannt; die Frostbeständigkeit muss nachge-wiesen werden. Die Druckfestigkeit muss mindestens 28 MN/m2 betragen. Die Scherbenrohdichte darf im Mittel 1,9 kg/dm3 nicht unterschreiten. Klinker sind nur wenig saugfähig und besitzen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und chemische Einwirkungen.

- 265 -

Vorzugsgrößen: Maße [mm]

Bezeichnung Länge Breite Höhe

Dünnformat DF

Normalformat NF

2 DF

3 DF

5 DF

10 DF

240

240

240

240

300

300

115

115

115

175

240

240

52

71

113

113

113

238

Druckfestigkeit und Kennzeichnung:

Die mittlere Druckfestigkeit der Voll- und der Lochziegel ist definiert als Bruchlast bezogen auf die Lagerfläche einschließlich der Lochquerschnitte. Von 200 Ziegeln muss mindestens ein Stein durch eine 20 mm breite Farbmarkierung gekenn-zeichnet sein.

Festigkeitsklassen: 4 - blau

6 - rot

8 - keine Farbkennzeichnung, aber entspre-chende Stempel.

10 - ohne

20 - gelb

28 - braun

Die Scherbenfestigkeit ist die auf die Nutzfläche bezogene Bruchlast eines Ziegels.

Ziegelrohdichten:

Die Ziegelrohdichte ist das Gewicht des trockenen Ziegels bezogen auf das Volu-men einschließlich der Hohlräume. Die Mittelwerte der Ziegelrohdichte für Loch-ziegel und Vollziegel sind wie folgt festgelegt (größte Einzelwerte stehen in Klam-mern):

Rohdichteklassen: 1,20 kg/dm3 (1,01 bis 1,20)

1,40 kg/dm3 (1,21 bis 1,40)

1,60 kg/dm3 (1,41 bis 1,60)

1,80 kg/dm3 (1,61 bis 1,80)

2,00 kg/dm3 (1,81 bis 2,00)

2,20 kg/dm3 (2,01 bis 2,20)

Bezeichnung der Ziegel:

Die Ziegel werden in der Reihenfolge DIN-Hauptnummer, Ziegelart, Festigkeits-klasse, Rohdichte und Formatkurzzeichen bezeichnet.

- 266 -

Kurzbezeichnung: Mz = Vollziegel

VMz = Vormauervollziegel

VHLz = Vormauerhochlochziegel

KMz = Vollklinker

KHLz = Hochlochklinker

Beispiele:

1. Hochlochziegel

Druckfestigkeitsklasse 12 MN/m2

Ziegelrohdichteklasse 1,2 kg/dm3

Länge . Breite . Höhe

240 . 115 . 113 = 2 (DF)

DIN 105 - HLz - 12 - 1,2 - 2 DF

2. Hochbauklinker

Druckfestigkeitsklasse 28 MN/m2

Rohdichteklasse 2,0 kg/dm3

Länge . Breite . Höhe

240 . 115 . 52 = (DF)

DIN 105 - KMz - 28 - 2,0 - DF

E.4.7 Kalksandsteine Kalksandsteine werden aus einem Gemisch aus ca. 90 Gew.-% Quarzsand und 10 Gew.-% CaO hergestellt, das mit Wasser intensiv vermischt und unter hohem Druck zu Formlingen gepresst wird. Die Erhärtung erfolgt in einem Autoklaven bei ca. 8 bis 16 bar und ca. 200°C. Durch die Wärmebehandlung wird das reaktions-träge SiO2 aufgeschlossen. Es verbindet sich mit Ca(OH)2 zu einem Kalkhydrosili-kat:

(xCaO . ySiO2 . zH2O)

Der Erhärtungsvorgang ähnelt dem der hydraulischen Kalke und des Zementsteins (siehe Abschn. D.4.1). Die Kalkhydrosilikatbildung erfolgt jedoch nur an den Ober-flächen der Sandkörner, die auf diese Weise miteinander verkittet werden.

Eigenschaften: Kalksteine besitzen meist bessere Maßhaltigkeit als Mauerziegel. Sie sollen jedoch nicht in frischem Zustand vermauert werden, da sie beim Austrocknen und Auskühlen schwinden. Sie sind gegen-über Säuren empfindlich. Ihr Wasseraufnahme- und -abgabe-vermögen ist ähnlich dem von Mauerziegeln.

Kalksandvollsteine: KS Rohdichteklassen: 1,4 bis 2,2 kg/dm3 Festigkeitsklassen: 6 bis 60 MN/m2 Kalksandlochsteine: KS L Rohdichteklassen: 0,6 bis 1,6 kg/dm3 und Kalksandhohlblocksteine: Festigkeitsklassen: 5 bis 28 MN/m2 Frostbeständigkeit wird für Vormauersteine und Verblender nach DIN 106, Teil 2, gefordert.

Bezeichnung: z. B. DIN 106 - KS - 12 - 1,6 - 2 DF

DIN 106 - KS L - 6 - 1,2 - 3 DF

- 267 -

Literatur:

[E.1] SALMANG, H., SCHOLZE, H.: Keramik Teil 1: Allgemeine Grundlagen und wich-tige Eigenschaften, Springer-Verlag Berlin, 1982

[E.2] OEL, H.J., TOMANDL, G.: Keramik: Leitfaden zur Vorlesung Glas und Keramik, Erlangen, 1990

[E.3] DIN-Taschenbuch 68: Mauerwerksbau, Berlin, 1991

- 268 -

F Gläser und Kunststoffe

F.1 Definitionen Gläser:

Nicht-metallische Werkstoffe mit oder ohne beschränkter atomarer oder molekula-rer Ordnung ≡ amorph oder nicht-kristallin (siehe Baustofftechnologie I). Gläser bestehen aus Molekülen, die in Form eines dreidimensionalen Netzwerks ange-ordnet sind.

Kunststoffe:

Werkstoffe aus langen Kettenmolekülen oder dreidimensionalen Netzwerken orga-nischen Ursprungs. Sie sind häufig nicht-kristallin.

Beschreibung des Glaszustandes:

Gläser können als ungeordnete Schmelze betrachtet werden, die ohne Strukturän-derung (Ordnungsänderung) erstarrte. Im Gegensatz zu kristallinen Stoffen tritt daher beim Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand keine sprung-hafte Volumenänderung ein.

Das Ausmaß der Ordnung (Kristallinität) bzw. Unordnung (Glaszustand) kann aus einem Diagramm abgelesen werden, das die Häufigkeit des Auftretens von Ato-men in bestimmten Abständen von einem Zentralatom angibt.

fest Glas-über-

gangs-bereich flüssig

TTG S Temperatur

Volumen

T : Schmelzpunkt des kristallinen Werkstoffes

T : Glasübergangstemperatur des GlasesS

G

Abstand vom Zentralatom

Häufigkeit

Atom-

abstand

idealamorph

realamorph

kristallin

kristallin

schnellgekühltesGlas

Abbildung F.1: Zusammenhang zwischen Volumen und Temperatur bei kristal-

linen und amorphen Werkstoffen (links); Auftretenshäufigkeiten von Atomen (rechts)

F.2 Anorganische Gläser

F.2.1 Zusammensetzung Technische Gläser bestehen aus anorganischen Oxiden. Ihre wesentlichsten Be-standteile sind Silikate sowie Na2O, CaO, PbO und kleinere Mengen Al2O3, Fe2O3. Rohstoffe für Baugläser sind: Sand (Quarz) SiO2, Soda Na2CO3, Kalk CaCO3. Beim Schmelzen entweicht CO2, und es entsteht 6SiO2·Na2O·CaO.

- 269 -

Kristallines Silicat Struktur von Fensterglas(Zweidimensionale Darstellungen)

Sauerstoff

Silicium

Natrium

Abbildung F.2: Atomare Struktur technischer Gläser

F.2.2 Grundsätzliche Eigenschaften Bei Raumtemperatur sind anorganische Gläser äußerst spröde. Mit steigender Temperatur erweichen sie und zeigen viskoses Verhalten, d.h. die lastabhängigen Verformungen sind zeitabhängig und irreversibel.

Wegen des Fehlens atomarer Ordnung haben Gläser keinen definierten Schmelz-punkt, bei dem sich die Struktur ändert, sondern eine Erweichungs- oder Glas-übergangstemperatur TG. Sie liegt in der Mitte des Erweichungsbereiches eines Glases (siehe Abbildung F.1).

Fehlerfreie Gläser besitzen einen hohen E-Modul und eine hohe Druck- und Zug-festigkeit. Sie sind jedoch bei Raumtemperaturen wegen ihrer Sprödigkeit äußerst fehler- und kerbempfindlich, so dass die Zugfestigkeit technischer Gläser meist gering ist. Porenfreie und reine Gläser sind durchsichtig, da keine reflektierenden Kristallebenen vorliegen, da freie Elektronen fehlen und die gebundenen Elektro-nen erst durch Wellenlängen des ultravioletten Lichtes angeregt werden.

Gläser sind gegen chemische Angriffe äußerst widerstandsfähig, besitzen eine hohe Abriebfestigkeit und Härte und sind nach Erwärmen auf Temperaturen um TG leicht formbar.

F.2.3 Anwendung und mechanische Eigenschaften Fehlerfreies Glas besitzt sehr günstige mechanische Eigenschaften, d.h. eine hohe Druck- und Zugfestigkeit und einen hohen E-Modul. Die Fehlerfreiheit kann vor allem bei dünnen Fasern erzielt werden. Daher werden Glasfasern zur Bewehrung (Verstärkung) von Verbundwerkstoffen verwendet, insbesondere werden glasfa-serverstärkte Kunststoffe hergestellt (siehe Teil G).

- 270 -

Tabelle F.1: Mechanische Eigenschaften (Auswahl) von technischem Glas

Eigenschaft Bauglas1 E-Glas2

Chemische Zusammensetzung

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

Rohdichte

Zugfestigkeit bei

T = 23°C

T = 43°C

T = 540°C

E-Modul

Poisson’sche Zahl

Wärmedehnzahl

72,5 %

0,6 %

0,1 %

7,5 %

4,1 %

14,3 %

2,50 kg/dm3

50 - 80 N/mm2

7·104 N/mm2

0,20

9·10-6 [1/K]

62 %

14 %

-

23 %

-

1 %

2,54 ± 0,03 kg/dm3

5250 N/mm2

3500 N/mm2

1750 N/mm2

7,4 - 8,7·104 N/mm2

0,20

F.2.4 Verfestigung von Gläsern • Oberflächenätzung:

Ausrundung oder Entfernung von Oberflächenfehlern bzw. Kerben.

• Vorspannen der Oberflächenzonen:

Bei plötzlichem Abkühlen erstarren zuerst die Oberflächenbereiche. Darauffolgen-des Erstarren der inneren Bereiche führt zu einer Volumenverringerung des Kerns und damit zu einer Druckvorspannung der Oberflächenzonen. Die Folge davon ist eine Erhöhung der Zugfestigkeit.

• Dispersionsverstärkung bzw. Ausbildung einer zweiten Phase:

(siehe Teil G).

1 als Tafelglas

2 in Form von Glasfasern ∅ 4·10-3 bis 2·10-2 mm

- 271 -

F.2.5 Einige Anwendungen von Gläsern im Bauwesen • Flachglas:

• Fensterglas, Kristallspiegelglas oder Floatglas für Außen-verglasungen oder Innenausbau

• Drahtspiegelglas, d.i. Kristallspiegelglas mit Drahtverstär-kung

• Wärmeschutz-, Sonnenschutz- und Schallschutzgläser

• Kompaktglas:

• Glasbausteine, Betongläser, Glasdachziegel

• Fasern:

• Zur Verstärkung von Kunststoffen (siehe Abschnitt G.3.4.2)

• Als Dämm- oder Schallabsorptionsstoffe

• Schaumglas:

• In Plattenform für tragende Bauteile

Literatur:

[F.1] SCHOLZE, H.: Glas: Natur, Struktur und Eigenschaften, Springer-Verlag, Ber-lin, 1988

[F.2] PETZOLD, A., MARUSCH, H. & SCHRAMM, B.: Der Baustoff Glas, Verlag für Bauwesen, Berlin, 1990

[F.3] RUSKE, W.: Glas, WEKA-Fachverlag, Berlin, 1988

[F.4] HORNBOGEN, E.: Werkstoffe, Springer-Verlag, Berlin, 1991

- 272 -

F.3 Kunststoffe

F.3.1 Ausgangsstoffe bei der Kunststoffherstellung

Alle Kunststoffe sind auf der Basis Kohlenstoff aufgebaut und damit organische Werk-stoffe. Eine Zusammenstel-lung der Ausgangsstoffe zeigt Abbildung F.3.

Kunststoffe sind grundsätzlich Leichtwerkstoffe mit einem spezifischen Gewicht um 1 kg/dm3. Eine Erhöhung des spezifischen Gewichts ist durch Füllung mit anorgani-schen Stoffen, sog. Füllern (z. B. Quarzmehl, Sand bzw. Fasern) zu ermöglichen.

Abbildung F.3: Ausgangsstoffe zur Kunststoffherstellung

F.3.2 Aufbau und Struktur Kunststoffe bestehen aus Riesenmolekülen, welche aus einer großen Anzahl wie-derkehrender Einheiten zusammengesetzt sind. Ihnen wurde der Name "Polymer" vom Griechischen "poly" = "viel" und "meros" = "Teil" gegeben. Die einzelnen Ein-heiten bzw. Bausteine werden Monomere genannt. Die meisten Polymere bilden lange, flexible Ketten. Hierdurch entsteht ein mehr oder weniger regelmäßiges (komplexes) Netzwerk, dessen Struktur teils kristallin, überwiegend jedoch amorph ist.

Die Kunststoffe werden nach dem Ausmaß ihrer Vernetzung eingeteilt in: Kettenpolymere bzw. Thermoplaste:

Sie bestehen aus langen Fadenmolekülen, die untereinander keine Verbindungen (Vernetzung) haben. Wärmezufuhr verstärkt die molekularen Bewegungen, die Ketten gleiten aneinander vorbei, makroskopisch gesehen schmilzt der Werkstoff. Durch das Erkalten kommt die Bewegung wieder zur Ruhe, die Fadenmoleküle lagern sich zusammen, der Kunststoff wird wieder hart.

Beispiele: Polyethylen (PE) Polyvinylchlorid (PVC) Polypropylen (PP) Polyisobutylen (PIB) Polystyrol (PolyPS) Polyamide (PA) Polymethylmethacrylat (PMMA)

ERDÖL GAS KOHLE

KALK WASSER LUFT

CHEMISCHER AUFSCHLUSS

C H O N S Kohlenstoff

WasserstoffSauerstoff

StickstoffSchwefel

MONOMERE

Ausgangsprodukt für synthetischeorganische Werkstoffe

- 273 -

Elastomere: Die Gruppe der Elastomere umfasst weniger Kunststoffe, als vielmehr Synthese- und Naturkautschukerzeugnisse. Sie besitzen gummielastische Eigenschaften (große elastische Verformungen), und ihre Makromolekülfäden sind in größeren Abständen untereinander chemisch vernetzt (geringer Vernetzungsgrad).

Beispiele: Naturkautschuk, Latex (unvernetzt) Butadien-Kautschuk (Buna) Chloropren-Kautschuk (Neopren, Baypren) Polysulfid-Kautschuk (Thiokol)

Raumpolymere bzw. Duroplaste:

Im Gegensatz zu den Thermoplasten sind die Molekülketten dieser Werkstoffe dreidimensional vernetzt (hoher Vernetzungsgrad).

Bei höheren Temperaturen beginnen diese Werkstoffe nicht zu schmelzen, son-dern sich irreversibel zu zersetzen. Sie lassen sich nicht mit den üblichen Verarbei-tungsverfahren warm verformen, sondern werden in flüssiger Form bei Zugabe von Härtungsmitteln verarbeitet. Duroplaste sind auch bei höheren Temperaturen noch relativ beständig.

Beispiele: Polyesterharze (UP-Harze) Epoxidharze (EP-Harze) Polyurethane (PUR)

F.3.3 Herstellungsmethoden Die Verkettung der Monomere erfolgt nach verschiedenen Methoden. Dabei wird unterschieden zwischen

• Polymerisation

• Polykondensation

• Polyaddition

F.3.3.1 Polymerisation

Gleiche Monomere werden durch Aufbrechen von Mehrfachbindungen verkettet.

Beispiel: Polyvinylchlorid: ...CCCCCCH

Cl

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

H

H

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I−−−−→

=

Vinylchlorid Polyvinylchlorid

Die Polymerisation erfordert Energiezufuhr (Wärme; radioaktive Strahlung) oder Katalysatoren. Bei der Verbindung werden keine Stoffe abgespalten.

Andere, durch Polymerisation verbundene Monomere:

Ethylen (C2H4), Butadien (C4H6), Vinylbenzol (Styrol)

Co- oder Mischpolymerisation: Verkettung verschiedenartiger Monomere durch Aufbrechen von Mehrfachbindungen

- 274 -

F.3.3.2 Polykondensation

Kettenmoleküle werden aus verschiedenen Monomeren unter Abspaltung von Nebenprodukten (z.B. Wasser oder Alkohol) gebildet.

Beispiel: Nylon: ( ) ( ) →

−−−−+

−−−−

nIIy2II

nIx2I

OHCCHCHOHNCHNHOOHH

Diamin Dicarbonsäure

( ) ( )n

IIy2IIIx2I2OOHH

CCHCNCHNOH

−−−−−−+→

Wasser Nylon

F.3.3.3 Polyaddition

Verschiedene Monomere werden dadurch verkettet, dass einige Atome oder A-tomgruppen ihren Platz wechseln, ohne dass dabei eine Abspaltung von Neben-produkten eintritt.

Beispiel: Polyurethan

H-O-R1-O-H + O=C=N-R

2-N=C=O + H-O-R

1- ... →

Diol Diisocyanat Diol

n

1III2IIIORCNRNC

OHHO

−−−−−−−−→

Polyurethan

F.3.3.4 Formgebungstechniken

Die Formgebungstechniken werden weitgehend durch das unterschiedliche Erhär-tungsverhalten der Kunststoffe bestimmt.

F.3.3.4.1 Formgießen

Das Verfahren der Polymerisation in Formen dient zur Massenfertigung, insbeson-dere gummielastischer, aufgeschäumter PUR-Formteile.

F.3.3.4.2 Rotationsformen

In Hohlformen werden abgemessene Mengen schmelzbarer Kunststoffe (pulver-förmig oder flüssig) eingegeben. Diese Formen werden bei erhöhter Temperatur um zwei Achsen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit langsam rotierend gedreht. An den Wandungen der Form bildet sich ein Hohlkörper. Das Anwendungsgebiet dieses Verfahrens erstreckt sich von der Massenfertigung kleinerer Formteile bis zu Großbehältern von 20.000 l Inhalt.

F.3.3.4.3 Schleuderguss

Unter Ausnutzung von Fliehkräften werden mittels Reaktionsharzen mit Füllstoffen Rohre mit glatten, harzreichen Oberflächen hergestellt.

F.3.3.4.4 Handverfahren

Für GFK-Bauteile (glasfaserverstärkte Kunststoffe) verwendet man überwiegend ungesättigte Polyester (GUP) als Reaktionsharze. Die Verstärkung der Reaktions-harze erfolgt durch Bewehrung mit Glasfaserprodukten. Im Handverfahren wird auf das Formwerkzeug eine Schicht Glasvlies aufgelegt und mit aufgegossenem, kalt-härtendem Harz durchtränkt. Das Verfahren ist sehr arbeitsintensiv.

- 275 -

F.3.3.4.5 Faser-Harz-Spritzverfahren

Die Herstellung glasfaserverstärkter Kunststoffe kann auch automatisch erfolgen. Beim Faser-Harz-Spritzverfahren werden Harzgemisch und kurz geschnittene Glasseide mit Mehr-Komponenten-Spritzeinrichtungen, welche Rovings (Glas-stränge) zerschnitzeln, aufgebracht. Die aufgespritzten Schichten müssen von Hand verdichtet werden.

F.3.3.4.6 Injektionsverfahren

Beim Injektionsverfahren verwendet man geschlossene Formen, in die das Harz eingesaugt oder unter Druck injiziert wird, bis sein Austreten aus der Form völliges Durchtränken erkennen lässt.

F.3.3.4.7 Wickelverfahren

Bei den Wickelverfahren werden Faserstränge mit Harz getränkt und anschließend unter Spannung auf einen rotierenden Kern gewickelt. Mit diesem Verfahren wer-den Lager und Transportbehälter bis 100 m³ Inhalt hergestellt (Heizöl, Erdlager, Haushaltstanks).

F.3.3.4.8 Kalandrieren

Kalandrieren ist das zügige Auswalzen heiß vorplastifizierter Massen zu Folien. Das Auswalzen geschieht auf schweren, geheizten Mehrwalzenwerken. Mit die-sem Verfahren werden PVC-Hart- und -Weichfolien mit Durchsatzleistungen von mehreren Tonnen pro Stunde ausgewalzt.

F.3.3.4.9 Extrudieren

Mit einer kontinuierlich arbeitenden Schneckenstrangpresse werden thermoplasti-sche Kunststoffe am häufigsten geformt. Durch den Aufsatz unterschiedlicher Spritzköpfe lässt sich nahezu jede beliebige Form vom Rohr bis zum komplizierten Profil extrudieren.

F.3.3.4.10 Blasen von Hohlkörpern

Beim Extrusionsblasen von Hohlkörpern aus thermoplasti-schen Kunststoffen wird aus einer Ringdüse kontinuierlich ein Schlauch extrudiert. Dieser kann entsprechend Abbildung F.4 durch Quetschwalzen flach gelegt werden, so dass sich auch mit Hilfe der Extrusi-onstechnik Folien herstellen lassen. In Blasstationen kann auch der abgeschnittene ex-trudierte Schlauch zu Hohlkör-pern aufgeblasen werden. Hohlkörperblasmaschinen ha-ben Fertigungsleistungen bis zu mehreren Tausend Einhei-ten je Stunde.

Abbildung F.4: Folienblasanlage

F.3.3.4.11 Spritzgießen

In Spritzgussmaschinen wird über einen geheizten Kolben thermoplastischer Kunststoff in ein Formwerkzeug eingespritzt. Temperatur des Spritzgusszylinders, Taktzeit der Maschine, Temperatur der geheizten Form und Aushärtezeit müssen

Luftzuführung

Extruder Blaskopf

Kühlring

Kunststoffschlauch

Leitbleche

Quetschwalzen

Aufwickelvorrichtung mit Spannrolle

doppelt flachgelegte Folie(nicht aufgeschnitten)

- 276 -

aufeinander abgestimmt sein. Das Spritzgießverfahren dient heute für Massenfer-tigung von Formteilen aller Arten.

F.3.3.4.12 Formpressen

In ein aufgespanntes Formwerk-zeug (Patrize oder Matrize), wel-ches dauernd beheizt wird, werden abgemessene Mengen vorgewärm-ter Pressmassen eingebracht. Durch das Schließen der Pressform fließt die Masse unter Hitze und Druck und füllt das Formwerkzeug aus. Das ausgehärtete Formteil wird heiß aus der wieder geöffneten Form ausgestoßen.

Abbildung F.5: Schema einer Kunststoffpresse

F.3.3.4.13 Schäumen

Schaumstoffe sind Werkstücke mit einem Luftporenvolumen von 20 % bis über 90 %. Gase, die sich unter hohem Druck in heißen plastischen Massen auflösen, schäumen als physikalische Treibmittel z.B. Polystyrol zu Werkstücken aus Po-lystyrolschaum (z. B. Styropor) auf. Eine Übersicht über die verschiedenen Schaumstoffarten zeigt die folgende Zusammenstellung (Abbildung F.6):

Kunststoffschaum, Hartschaumstoff Begriffe

Geschäumtes Polystyrol

Polyurethan Phenol-harz

Harnstoffharz Stoffnamen

Styropor

Styrofoam

Moltopren T 612 S Isoschaum Firmennamen

Abbildung F.6: Schaumstoffe aus Kunststoff

Dämmstoffe sind harte Schaumstoffe mit einem Porenvolumen von über 90 Vol.-%. Ihre Rohdichte liegt unter 0,1 g/cm³.

F.3.4 Mechanische Eigenschaften Folgende Eigenschaften sind charakteristisch für die meisten Kunststoffe:

• gute chemische Beständigkeit

• geringe Dichte

• niedriger E-Modul

• hohe Temperaturabhängigkeit von Festigkeits- und Verformungsverhalten

• bei Thermoplasten niedriger Schmelzpunkt, daher gut schweißbar

• ausgeprägte Zeitabhängigkeit von Festigkeit und Verformung

Obertisch

Patrize (Stempel, Kern)

Heizung Kunststoff-PulverPreßmasse (loseoder tablettiert)

Heizung Matrize (Gesenk) Untertisch

- 277 -

F.3.4.1 Festigkeit und Verformung bei Kurzzeitbeanspruchung

Mit zunehmender Spannung führen folgende Vorgänge zur Verformung der Kunst-stoffe:

1. Strecken der Molekülketten

2. Scheren des Molekülgerüstes

3. Elastische Dehnung der gestreckten Molekülketten

Bei nicht vernetzten Kunststoffen führt die Streckung der Molekülketten häufig zu plastischen Verformungen.

Je nach Ausmaß der Vernetzung und je nach Kristallisationsgrad (Dichte) haben Kunststoffe auch bei Normaltemperatur stark unterschiedliche Festigkeits- und Verformungseigenschaften.

Thermoplast

Duroplast

Zugspannung [N/mm²]

0

20

40

60

80

0 10 20 30 40 Dehnung [%]

Zugspannung [N/mm²]

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8Dehnung * 100 [%]

5

6

Elastomer

Abbildung F.7: Spannungs-Dehnungslinien von Kunststoffen mit unterschiedli-

cher Mikrostruktur

0

2

4

6

8

0,92 0,94 0,96

Streckgrenze [N/mm²]

5

10

15

20

25

0,92 0,94 0,96

30

35

10

10²*12

Schubmodul [N/mm²]

Abbildung F.8: Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften bei Polyethylen von

der Dichte bzw. dem Kristallisationsgrad

F.3.4.2 Zeitstand- und Dauerstandfestigkeit

Unter konstanter Dauerlast nehmen die Verformungen der Kunststoffe mit steigen-der Belastungsdauer zu. Darüber hinaus ist die Zeitstandfestigkeit, d. h. jene kon-stante Spannung, die der Werkstoff nur über eine begrenzte Zeit ertragen kann, im Vergleich zu anderen Werkstoffen gering.

- 278 -

Zugspannung σ [N/mm²]

Zeitbruchlinie

10 % 5 2,5

1 0,75

0

10

20

30

40

10 -2 -1 0 1 2 3 410 10 10101010Belastungsdauer [h]

ε

Abbildung F.9: Zeitstandverhalten von Polypropylen bei T = 20 °C

F.3.4.3 Einfluss der Temperatur

Festigkeit und Verformbarkeit:

Wie bei allen Werkstoffen wächst auch bei Kunststoffen die Verformbarkeit mit steigender Temperatur, während die Festigkeit abfällt.

0

15

30

45

60

75

0 10 20 30

σ [N/mm²]

bis 85 N/mm² 40 °C

68 °C 86 °C

104 °C

122 °C

140 °C bis 130 %

ε [%]

0

25

50

75

100

125

-40 0 40 80 120

a b c d

a: PEb: PPc: PVCd: PMO

Temperatur ϑ [°C]

βz [N/mm²]

Abbildung F.10: Abbildung F.11: Einfluss der Temperatur auf das Span-nungs-Dehnungsverhalten von Plexi-glas (PMMA = Polyethylmethacrylat)

Kurzzeitfestigkeit einiger Thermoplas-te bei Zugbeanspruchung in Abhän-gigkeit von der Temperatur

Je nach Vernetzungsgrad und Kristallinität kann das Verhalten von Kunststoffen bei verschiedenen Temperaturen im wesentlichen in die Bereiche Glaszustand, Erweichung, Fließen und Schmelzen (siehe Abbildung F.12) unterteilt werden.

Ebenso wie bei Gläsern kann auch bei Kunststoffen der Übergang vom Glaszu-stand zum Erweichungsgebiet durch die Glasübergangstemperatur TG beschrieben werden.

- 279 -

: Glasübergangs-

temperatur

: Thermoplast,

amorph

: Thermoplast,

kristallin

: Elastomer

: Duromer

Abbildung F.12: Veränderung der Steifigkeit und des Aggregatzustandes von

Kunststoffen

Kriechen:

Vor allem wenig oder nicht vernetzte Kunststoffe (Thermoplaste) zeigen mit stei-gender Temperatur zunehmende Kriechverformungen.

10 25 50

10

10

10

10 5

4

3

2

10 10 10 10 1010 10 -2 -1 0 1 2 3 4

Werkstoff: PVC= 10 N/mm²σk

20°C

40°C

60°C

Belastungsdauer t [h]

Kriechmodul Ek [N/mm²]

Abbildung F.13: Kriechmodul von PVC bei unterschiedlichen Temperaturen

Kriechmodul:

kel

kkE

ε+εσ

= (F.3.1)

wobei εel = σ / Eel

Darüber hinaus fällt die Zeitstandfestigkeit, ausgedrückt in Prozent der Kurzzeitfes-tigkeit, mit steigender Temperatur weiter ab.

10

10

10

10

10

10

10 -2

-1

0

1

2

3

4

Temperatur

Edyn [N/mm²]

Glas- zustand

Erwei- chungs- gebiet Fließen

Schmelzen

Fließen

Quasigummi-

elastizität

Gummi- elastizität

hornartiger Zustand

1 23

4

- 280 -

F.3.5 Dauerhaftigkeit Einen Überblick über die chemische Widerstandsfähigkeit einiger Kunststoffe gibt Tabelle F.2:

Tabelle F.2: Chemische Widerstandsfähigkeit einiger Kunststoffe

schw

ach

star

k

oxid

iere

nd

Fluß

säur

eH

alog

ene

(troc

ken)

schw

ach

star

k

Alko

hole

Este

r

Keto

ne

Äthe

r

Chl

orko

hl.-W

.

Benz

ol

Benz

in

Trei

bsto

ffgem

.

Min

eral

öl

Fette

, Öle

PE hart + + − + − + + + + + ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ +weich + + − + − + + − − − Ø − Ø

PP + + − Ø + + + ⊕ ⊕ Ø Ø ⊕ + +PVC hart + + ⊕ ⊕ + + + − − − Ø − + Ø + +

weich + ⊕ − + − − − − − Ø −PMMA + + + + − − − − + − + +PS hart + ⊕ ⊕ − + + + − − − − − − +

SchaumPA − − − − − + + + + + + + + + + +UP + Ø Ø Ø Ø ⊕ Ø − − − Ø + + + +EP + + − ⊕ + ⊕ ⊕ + ⊕ + + + + + +PUR hart − Ø + − ⊕ Ø + + + +

Schaum + − − − ⊕ − − ⊕ − Ø + + + + beständig ⊕ bedingt beständig bis beständig

bedingt beständig ∅ bedingt unbeständig bis unbeständig

- unbeständig

Manche Kunststoffe verspröden im Laufe der Zeit durch die Einwirkung von Licht (ultraviolette Strahlung). Auch radioaktive Strahlung kann zur Versprödung führen. Die Ursache hierfür liegt in der zunehmenden Vernetzung aufgrund der Strah-lungseinwirkung.

Auch bei Kunststoffen kann ähnlich wie bei Metallen eine Spannungsrisskorrosion auftreten. Die gleichzeitige Einwirkung von äußeren Zugspannungen und polaren Flüssigkeiten führt zur Versprödung und zur Bildung sowie zum Fortschreiten von Rissen.

F.3.6 Verfestigungsmethoden und Erhöhung der Temperatur-beständigkeit

Die Eigenschaften der Kunststoffe können durch folgende Maßnahmen verbessert werden:

a) Kristallisation

Die Auffaltung von Molekülketten führt zu einer Erhöhung der Dichte und der Anzahl der Bindungen zwischen den Ketten.

b) Vernetzung

- 281 -

c) Versteifung der Molekülketten

Sie bewirkt vor allem eine Erhöhung der Steifigkeit. Dies kann erreicht werden durch Erhöhung der Anzahl der Verknüpfungspunkte der einzelnen Monomere und durch Anlagerung einzelner Riesenmonomere.

d) Zugabe von Weichmachern oder Stabilisatoren

e) Verwendung von Füllstoffen und Faserbewehrung

Pulverförmige Zusätze anorganischer Substanzen können Wärmebestän-digkeit, Härte und Abriebfestigkeit der Kunststoffe verbessern und ihre Ver-formbarkeit reduzieren. Über die Anwendung faserverstärkter Kunststoffe siehe Verbundwerkstoffe, Abschnitt G.

F.3.7. Brandverhalten der Kunststoffe Kunststoffe gehören zur Klasse der brennbaren Baustoffe (Klasse B nach DIN 4102; B1 = schwer entflammbar, B2 = normal entflammbar, B3 = leicht entflamm-bar).

Es gibt verschiedene Maßnahmen, die das Brandverhalten der Kunststoffe verbes-sern:

1. Kunststoffe können durch besondere Zusätze schwerer entflammbar einge-stellt werden.

2. Kunststoffe können als Verbundwerkstoffe mit Komponenten aus nicht brenn-baren Baustoffen eine wesentlich bessere Hitzebeständigkeit erzielen.

F.3.8 Anwendungen im Bauwesen Im Folgenden werden exemplarisch anhand von Beispielen einige Anwendungs-möglichkeiten der Kunststoffe aufgezeigt, die sich in der Praxis bewährt haben.

F.3.8.1 Folien

Das Hauptanwendungsgebiet von Folien liegt im Bautenschutz bzw. in der Erhal-tung von Bauwerken und Bauwerksteilen. Sie dienen vor allem der

Abdichtung gegen nicht drückendes Wasser

drückendes Wasser

Chemikalien

und zur Bedachung freiliegender bzw. beschichteter Dachkonstruktionen.

Die auf dem Markt befindlichen Abdichtungs- und Bedachungsmaterialien aus Kunststoff weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. Vor Verwendung einer Folie muss man sich unbedingt von ihrer Langzeitbeständigkeit gegen Wasser, Witte-rung, Chemikalien, Öle, Treibstoffe, Bitumen, Klebstoffe und u.U. gegen weitere Einflüsse vergewissern.

Besondere Aufmerksamkeit muss den Stoßverbindungen von Kunststofffolien ge-widmet werden. Folienbahnen können durch Kleben, Schweißen und Zusammen-klemmen verbunden werden. Unter "Stoß" versteht man dabei einen Querstoß, unter "Naht" einen Längsstoß. Am gebräuchlichsten ist der Überlappungsstoß, bei dem sich die Folien an den Rändern überdecken und durch Kleben, Schweißen oder Zusammenklemmen verbunden werden. Verschiedene Arten, Folien mitein-ander zu stoßen, sind aus der Abbildung F.14 ersichtlich.

- 282 -

Abbildung F.14: Ausführungsarten verschiedener Folienstöße

F.3.8.2 Fugenbänder

Bewegungsfugen in Bauwerken haben den Zweck, einzelnen Bauteilen die Mög-lichkeit zu geben, sich gegeneinander zu verschieben. Bei Betonfundamenten, siehe Abbildung F.15, werden nach Montage der Schalung und der Baustahlbe-wehrung sog. Arbeitsfugenbänder eingelegt und an der Bewehrung befestigt. Sie haben wie bei den Bewegungsfugen die Aufgabe, die Fuge zwischen den unter-schiedlichen Betonbauteilen (Fundament, Wand) abzudichten. Als Werkstoffe wer-den für diese vorgefertigten Profile sowohl Elastomere als auch PVC-weich ver-wendet.

vorbetoniertes Fundament

Fugenband Wand

Abbildung F.15: Arbeitsfugenband bei Stahlbetonbauteilen

F.3.8.3 Fugenmassen

Bauwerksfugen werden mit Fugenmassen ausgefüllt. Fugenmassen sind Dich-tungsmassen aus Kunststoffen, die den Bauwerksbewegungen folgen. Sie haben die Aufgabe, das Bauwerk gegen das Eindringen von Wasser zu schützen und müssen beständig sein. Die Adhäsion in der Grenzfläche und die Beständigkeit der angrenzenden Materialien selbst sind von großer Bedeutung. Die Fugenformen für Dehnungsfugen sind in Abhängigkeit von den vorhandenen Bauteilen zu gestalten.

GewöhnlicherÜberlappungsstoß

Überlappungsstoßmit Luftkanal

Überlappungsstoßmit Erdungsdrahtoder Folienband

GewöhnlicherStumpfstoß mitDecklasche

Stumpfstoß mitverschweißter V-Nahtund Decklasche

Stumpfstoß mitDecklasche undErdungsfolienband

Stumpfstoß mitDecklasche undeingeschweißtenKehlschweißschnüren

- 283 -

F.3.8.4 Kunststofffassaden

Für den Fassadenbau können nur wenige Materialien aus der großen Palette der Kunststoffe Verwendung finden. Speziell kommt für den Bausektor Hart-PVC in Betracht. Dieses Material besitzt eine erhöhte Schlagzähigkeit auch bei Tempera-turen unter dem Gefrierpunkt. Eine glatte Oberfläche bietet kaum Ansatzpunkte für Schmutzablagerungen.

F.3.8.5 Baulager aus Elastomer-Werkstoffen

Bei Auflagerungen aller Art, insbesondere bei Brückenauflagern, hat sich in den letzten Jahren die Verwendung von Elastomeren bewährt.

Bei hohen Lasten (Brückenbau) werden bewehrte Elastomerlager (Verbundbau-stoff) eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein schichtenweise zusammenge-setztes, aus Elastomerlagen mit Stahl-blechen abwechselnd aufgebautes Schichtenpaket. Bei schubfester Ver-bindung bewirken die Stahlbleche, dass infolge der durch sie hervorgerufenen Querdehnungsbehinderung senkrecht zur Hauptlastrichtung die Übertragung großer Lasten bei geringen Lagerstau-chungen ermöglicht wird. Aus Gründen des Korrosionsschutzes ist die allseitige Ummantelung der Stahlbleche mit Elastomeren üblich.

Als wesentliche Vorteile von Elastomerlagern sind zu nennen:

• sichere und dauerhafte Kraftübertragung

• weitestgehende Wartungsfreiheit

• Beständigkeit gegen chemische Angriffe

• einfache Montage

• niedrige Einbauhöhe

• ggf. im Hochbau Unterbrechung der Körperschallübertragung.

F.3.8.6 Reaktionsharze

Reaktionsharze sind Produkte, die bei der Verarbeitung mit jeweils spezifischen Reaktionsmitteln (Härter, Beschleuniger) ohne Abspaltung flüchtiger Komponenten durch Polymerisation oder Polyaddition härten. Die Anwendung solcher Reakti-onsharze ist aus der folgenden Tabelle F.3 ersichtlich.

Elastomer

Stahlplatten

V Zusammen-drückung

Stahlblech

Elastomer- schicht

Abbildung F.16: Brückenlager

- 284 -

Tabelle F.3: Reaktionsharzanwendung (Verarbeitungsarten)

Reaktionsharze Verwendungszweck

ohne Zusatz Injektionen

mit Lösungsmittel (Xylol, Toluol) Imprägnierungen, Haftvermittler

mit Füllstoffen (Schiefermehl, Farb-pigmente)

Spachtelmassen, Kleber, Anstriche

mit organischen Zusätzen (Schaumbildner) Isolierstoffe

mit Mineralfasern (Glasfasern) glasfaserverstärkte Kunststoffe

mit Feinzuschlägen (Sand 0/4 mm) Mörtel

mit Zuschlagstoffen (Kiessand 0/32 mm) Beton

mit Dispergiermittel (Wasser) Imprägnierungen

Tabelle F.4: Reaktionsharze im Bauingenieurwesen

Polymerisate Polyaddukte

Duroplaste Polyesterharze (UP) Epoxidharze (EP)

Polyurethanharze (PU)

Thermoplaste Polymethylmethacrylat (PMMA)

Harz, Härter Katalysator, Beschleuniger

Lieferformen flüssig flüssig, pastös, pulverförmig

Epoxidharze haben zwei wesentliche Anwendungsgebiete. Das erste ist der Schutz von Bauten gegen mechanische, chemische und atmosphärische Einwir-kungen durch korrosionsverhütende Überzüge, Bodenbeläge, Brückenisolierungen und -beläge. Das zweite ist das der kraftschlüssigen Verbindung von Bauteilen, der Haftbrücken zwischen frischem und erhärtetem Beton, der Injektion und der Ver-ankerungen.

F.3.8.7 Weitere Anwendungen

• Sandwichelemente als raumtrennende Bauteile (nichttragend)

• Kunststofffenster

• EPS-Leichtbeton: Zuschlagstoffe bestehen aus expandiertem Polystyrolschaumstoff

• Putze auf Kunststoffbasis

• Polymer-Beton: Kapillarporen des Betons (in der Oberflächenzone) werden mit Kunststoffen gefüllt

- 285 -

F.3.9. Chemische Kurzzeichen für Kunststoffrohstoffe

ABS Acryl-Butadien-Styrol-Copolymere

AMMA Acrylnitril-Methacrylat-Copolymere

CA Celluloseacetat

CAB Celluloseacetobutyrat

CP Cellulosepropionat

CR Chloropren-Kautschuk (Polychloropren)

EP Epoxidharz

EVA Ethylen-Vinylacetat-Copolymere

MF Melaminformaldehydharz

NBR Nitrilkautschuk

PA Polyamid

PB Polybuten (Polybutylen)

PC Polycarbonat

PE Polyethylen

PEPT Polyethylenterephthalat

PF Phenolformaldehydharz

PIB Polyisobutylen

PMMA Polymethylmethacrylat (Acrylglas)

PMO Polymethylenoxid (Acetalharz)

PP Polypropylen

PS Polystyrol

PTFE Polytetrafluorethylen

PUR Polyurethan

PVAC Polyvinylacetat

PVC Polyvinylchlorid

PVDC Polyvinylidenchlorid

PVF Polyvinylfluorid

SAN Styrol-Acryl-Nitril-Copolymere

SBR Styrol-Butadien-Kautschuk

SI Silicon

UF Harnstoff-Formaldehydharz

UP Ungesättigtes Polyesterharz

F.3.10. Chemische Kurzzeichen für Kunststoffwerkstoffe

GFK Glasfaserverstärkte Kunststoffe

GUP Glasfaserverstärktes Polyesterharz

HGW Hartgewebe

HP Hartpapier

HP,dek Dekorative Schichtstoffplatten

HSW Holzspanwerkstoffe

HSW,dek Holzspanwerkstoffe, dekorativ kunststoffbeschichtet

KH Harte Holzfaserplatten, de-korativ kunststoffbeschichtet

Literatur:

[F.5] BASF - Kunststoffe in der Anwendung – Werkstoffblätter

[F.6] Bauen mit Kunststoffen, Carl Hanser Verlag, München, 1973

[F.7] Bayer – Kunststoffe

[F.8] BLUNK, G.: Über das Bauen mit Beton und Kunststoff, beton 4/71, 1971

[F.9] DOMKE, W.: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Cornelsen-Verlag, Düsseldorf, 1986

[F.10] MENGES, G.: Werkstoffkunde der Kunststoffe, Carl Hanser Verlag, München, 1979

[F.11] SAECHTLING, H.: Kunststoff-Taschenbuch, 26. Aufl., Carl Hanser Verlag, München, 1995

[F.12] SASSE, H.R.; SCHORN, H.: Elastomere als Baulager - Stand der Entwicklung, Plasticonstruction 5/71

[F.13] SCHWARZL, F. R.: Polymermechanik, Springer-Verlag, 1990

- 286 -

G Verbundwerkstoffe

Problemstellungen und Definitionen:

Manche Materialien besitzen Eigenschaften, die sie zur Verwendung als Werk- und Baustoffe nur bedingt tauglich machen. Durch Kombination mit anderen Stoffen kann man aber ihre Eigenschaften soweit verbessern, dass sie als Werkstoffe verwendet werden können. Solche aus mehreren Komponenten oder Einzelwerkstoffen beste-henden Werkstoffe werden als Verbundwerkstoffe bezeichnet. Sie zeichnen sich da-durch aus, dass sie im Vergleich zu den Ausgangsstoffen deutliche Vorzüge besitzen, z.B.:

• verbesserte Druck- oder Zugfestigkeit

• erhöhte Steifigkeit und Duktilität

• verbesserte Formgebung und Herstellung

• reduziertes Gewicht, erhöhte Wärmedämmung

Beispiele: Beton = Zementstein + Betonzuschlag

Stahlbeton = Beton + Stahlbewehrung

Leichtziegel = Ton und porenerzeugende Stoffe

Mauerwerk = Steine und Mörtel

Moderne Verbundwerkstoffe: z.B. faserbewehrte oder gefüllte Kunststoffe, Sandwich-Konstruktionen, Holzwerkstoffe.

G.1 Theorie der Verbundwerkstoffe Zielsetzung: rechnerische Abschätzung bestimmter Eigenschaften von Ver-

bundwerkstoffen mit Hilfe von Kennwerten der Ein-zelkomponenten.

G.1.1 Grundmodelle:

1

2

v

v 1 2 v v1 2

1

2

Serienanordnung oder ‘weich’ Parallele Anordnung oder ‘hart’

v1; v2 = Volumenkonzentration der Komponenten 1 bzw. 2

v1 + v2 = 1,0

- 287 -

G.1.2 Rohdichte eines Verbundwerkstoffes

ρ = v1.ρ1 + v2

.ρ2 , (G.1.1)

mit v2 = 1 - v1 ist (G.1.2)

ρ = v1.ρ1 + (1 - v1).ρ2 . (G.1.3)

wobei ρ = Rohdichte des Verbundwerkstoffes

ρ1 = Rohdichte der Komponente 1

ρ2 = Rohdichte der Komponente 2

G.1.3 Wärmeleitfähigkeit

λ = v1.λ1 + (1 - v1).λ2 , (G.1.4)

wobei λ; λ1; λ2 = Leitfähigkeiten des Verbundwerkstoffes bzw. der Kom-ponenten

G.1.4 Schwinden Kombination eines Werkstoffs, der schwindet, mit einem 2. Werkstoff, der nicht oder nur wenig schwindet. Beispiel: Zementstein und Betonzuschlag.

εs1 = Schwinden der Komponente 1 εs2 = Schwinden der Komponente 2 εs = Schwinden des Verbundwerkstoffes E1; E2 = E-Moduln der Komponenten 1 und 2 σ1; σ2 = Schwindspannungen in den Komponenten 1 und 2

Für εs2 = 0 erhält man:

1. Bedingung: Längenänderung beider Komponenten muss gleich sein:

∆l1 = ∆l2 = ∆l (G.1.5)

s2

2

1

11s EE

ε=σ

=σ

+ε (G.1.6)

2. Bedingung: Gleichgewicht muss erfüllt sein:

σ1.v1 + σ2

.v2 = 0 (G.1.7)

Ergebnis:

⋅+⋅⋅

−⋅ε=ε1122

221ss EvEv

Ev1 , (G.1.8)

mit E1 = E2 vereinfacht sich Gleichung (D.1.8) zu:

εs = εs1.(1 - v2) (G.1.9)

Ist εs2 ≠ 0 so erhält man:

( )

⋅+⋅⋅

−ε−ε+ε=ε1122

222s1s2ss EvEv

Ev1 (G.1.10)

v v 2 1

- 288 -

G.1.5 E-Modul Unterer Grenzwert bei Serienanordnung (‘weich’):

Bedingung: σ = σ1 = σ2,

da ∆l = ∆l1 + ∆l2

ist ε = ε1.v1 + ε2

.v2 ,

daraus folgt:

22

21

1

1 vE

vEE

⋅σ

+⋅σ

=σ (G.1.11)

und ( )

2

1

1

1

Ev1

Ev

E1 −

+= (G.1.12)

Oberer Grenzwert bei Parallelanordnung (‘hart’):

Bedingung: ε = ε1 = ε2,

σ1.v1 + σ2

.v2 = σ

und E1.ε1

.v1 + E2.ε2

.v2 = E.ε

E = E1.v1 + E2

.(1 - v1) (G.1.13)

v ;E

v ;E1

2 2

1

v ;E

v ;E

1

2

1

2

- 289 -

Beispiel: Beton

Zementstein:

(1 - vk) = 0,25,

EZS = 10.000 N/mm2

Zuschlag:

vk, Ek

∆: Versuchsergebnisse

Abbildung G.1: E-Modul von Beton in Abhängigkeit vom E-Modul des Zuschlages

G.1.6 Festigkeit Unterer Grenzwert bei Serienanordnung:

Festigkeit des Verbundwerkstoffes = Festigkeit der schwächeren Komponente.

β = β1, wenn β1 < β2 , (G.1.14)

β = β2, wenn β1 > β2 , (G.1.15)

wobei β; β1; β2 = Festigkeit des Verbundwerkstoffes bzw. der Komponenten 1 und 2

Oberer Grenzwert bei Parallelanordnung:

σ = σ1.v1 + σ2

.v2

Ist die Bruchdehnung beider Komponenten gleich, so wird

β = β1.v1 + β2

.(1 - v1) . (G.1.16)

Ist die Bruchdehnung der Komponente 2, εu2 > εu1 so wird

( ) ( )1211 v1v1u

−⋅σ+⋅β=β ε . (G.1.16a)

Zementstein

Zementstein

Zuschlag

Zuschlag

E (N/mm²)

E (N/mm²)b

k

2

1

0

1

2

3

4

2,5 5 7,5 * 10 4

* 104

- 290 -

(σ2)εu1 = Spannung in der Kompo-nente 2 bei einer Dehnung gleich der Bruchdehnung von Komponente 1.

Abbildung G.2: Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Komponenten 1 und 2

G.2 Mauerwerk Mauerwerk besteht aus Wandbausteinen (Ziegel, Kalksandsteine, Beton- oder Leicht-bausteine) und Mörtel mit oder ohne Bewehrung.

Der Vorzug des Mauerwerks als Verbundwerkstoff gegenüber den Eigenschaften der Einzelkomponenten liegt in der Verbesserung des Formgebungsverfahrens und in der Reduktion der Herstellungskosten.

Neben der Aufnahme von Lasten muss Mauerwerk schützende Funktionen (Wärme- und Schalldämmung, Dichtigkeit und Feuerschutz) übernehmen.

G.2.1 Mörtel Mörtel bestehen aus einem Bindemittel, mineralischen Zuschlagstoffen und Wasser. Die mineralischen Zuschlagstoffe (Sand) sollen Korngrößen von 4 mm nicht über-schreiten. Mörtel für Mauerwerk sind in DIN 1053, Teil 1 genormt. Darin wird zwischen folgenden Mörtelgruppen unterschieden:

Tabelle G.1: Mindestdruckfestigkeit von Mörtel nach DIN 1053

Mörtelgruppe Mörtelmindestdruckfestigkeit1) im Alter von 28 Tagen

Mittelwert

bei Eignungsprüfung

[N/mm2]

bei Güteprüfung

[N/mm2]

I - -

II 3,5 2,5

IIa 7 5

III 14 10

IIIa 25 20

1) Mittelwert der Druckfestigkeit von 6 Proben (aus 3 Prismen). Die Einzelwerte dürfen nicht mehr als 10 % vom arithmetischen Mittel abweichen.

Darüber hinaus sind in DIN 1053 Anforderungen der Leichtmörtel mit verbesserter Wärmedämmung und sogenannte Dünnbettmörtel festgelegt.

1

2

2 u1

ε

σ

(σ )ε

εu1

(σ2)εu1

- 291 -

Als Bindemittel finden im wesentlichen Luft- und Wasserkalke, hydraulische und hoch-hydraulische Kalke und Zemente Verwendung.

Die Zusammensetzung der verschiedenen Mörtelarten kann der nachfolgenden Ta-belle entnommen werden:

Tabelle G.2: Mörtelzusammensetzung resp. Mischungsverhältnis in Raumteilen

Mörtel- Luft- oder Wasserkalk Hydrau- Hochhydr. Zement Sand1) aus

gruppe Kalkteig

Kalkhydrat

lischer Kalk

Kalk, Putz- und

Mauer-binder

natürli-chem

Gestein

I 1

-

-

-

-

1

-

-

-

-

1

-

-

-

-

1

-

-

-

-

4

3

3

4,5

II 1,5

-

-

-

-

2

-

-

-

-

2

-

-

-

-

1

1

1

1

-

8

8

8

3

II a -

-

1

-

-

-

-

2

1

1

6

8

III

III a2)

-

-

-

-

-

-

-

-

1

1

4

4

1) Die Werte des Sandanteils beziehen sich auf den lagerfeuchten Zustand.

2) Die Mörtel der Gruppe III a sollen wie Mörtel der Gruppe III zusammengesetzt sein. Die größte Festigkeit soll vorzugsweise durch Auswahl geeigneter Sande erreicht werden.

Anforderungen an den Mauermörtel:

Im frischen Zustand soll Mauermörtel gut verarbeitbar sein, d.h. er soll eine hohe Plastizität und Geschmeidigkeit und ein gutes Wasserrückhaltevermögen besitzen, damit möglichst gleichmäßige Fugen mit gutem Verbund zu den Mauersteinen herge-stellt werden können.

Auch im erhärteten Zustand soll der Mauermörtel eine gute Verformbarkeit besitzen, damit er trotz Setzungen, Temperaturwechseln, Schwinden und Quellen nicht reißt und die Dichtigkeit der Fugen erhalten bleibt.

Darüber hinaus ist ein guter Verbund zwischen Wandbausteinen und Mörtel erforder-lich. In DIN 1053 werden daher auch Anforderungen an die Haftscherfestigkeit zwi-schen Mörtel und Wandbaustein gestellt.

Die Verformbarkeit von Mauermörtel kann durch Kalkzusatz wesentlich erhöht wer-den. Die Festigkeit der Mörtel sinkt jedoch mit steigendem Kalkgehalt. Besonders gut verarbeitbare und auch im festen Zustand gut verformbare Mörtel besitzen meist eine geringe Festigkeit. Reiner Zementmörtel (Mörtelgruppe III) soll daher vorzugsweise nur für hochbeanspruchte Stellen im Mauerwerk verwendet werden.

- 292 -

Ähnlich wie die Prüfung von Beton ist auch die Prüfung von Mörteln genormt. Die Bestimmung der Druckfestigkeit erfolgt in Anlehnung an die DIN 1164 an prismati-schen Probekörpern 40.40.160 [mm3].

G.2.2 Wandbausteine Als Wandbausteine werden verwendet:

• Mauerziegel (siehe Abschnitt E.4.6)

• Mit hydraulischen Bindemitteln gebundene Steine:

Kalksandsteine (siehe Abschnitt E.4.7)

Voll- und Hohlblocksteine aus Leichtbeton

Gas- und Schaumbetonsteine

Hüttensteine nach DIN 398 bestehen aus Hochofenschlacke, die mit Kalk, Zement etc. als Bindemittel verbunden werden. Hüttensteine finden als Voll-, Loch- oder Hohl-blocksteine für Mauerwerk Verwendung.

Betonsteine sind entweder Hohlblöcke aus Leichtbeton nach DIN 18151 oder Voll-steine und -blöcke aus Leichtbeton nach DIN 18152.

Gasbeton- bzw. Porenbetonsteine sind in DIN 1045 bzw. DIN 1046 als Block- oder Plansteine bzw. als Bauplatten genormt (siehe dazu Abschnitt D.11.3).

G.2.3 Festigkeit und Verformung von Mauerwerk Ähnlich dem Beton ist Mauerwerk ein spröder Werkstoff mit relativ hoher Druck-, aber geringer Zugfestigkeit. Seine Zugfestigkeit wird im wesentlichen von der Haftfestigkeit zwischen Mörtel und Stein bestimmt. Entsprechend findet unbewehrtes Mauerwerk im konstruktiven Ingenieurbau nur zur Aufnahme von Druckkräften Verwendung. Mauer-werk kann jedoch auch für biege- bzw. zugbeanspruchte Bauwerke verwendet wer-den, wenn es wie beim Stahlbeton mit Stahleinlagen in den Mauerwerksfugen be-wehrt wird.

- 293 -

G.2.3.1 Festigkeits- und Bruchverhalten

Abbildung G.3: Spannungs-Dehnungsdiagramm von Mauerwerk und seinen Kom-

ponenten

Durch die unterschiedlichen Verformungseigenschaften entsteht im Mauerwerk ein innerer Spannungszustand.

Meist ist die Druckfestigkeit des Mörtels geringer als jene der Wandbausteine. Sobald die äußere Beanspruchung die einachsige Druckfestigkeit des Mörtels erreicht, ver-sucht dieser sich stark querzudehnen. Er wird jedoch von den darüber und darunter liegenden steiferen Steinen an der freien Querdehnung behindert.

Als Folge davon treten im Stein Zug- und in den Mörtelfugen Druckspannungen senk-recht zur Belastungsrichtung auf. Bei hohen Spannungen herrscht daher im Mörtelbett ein dreiachsiger Druckspannungszustand, in den Steinen dagegen treten Druck- Zug- Zugspannungen auf.

Abbildung G.4: Spannungszustände in einem Mauerwerkkörper

Ziegel

Mauerwerk

Zement-Mörtel

Dehnung

Druckspannung

0 0,1 0,2 0,3 0,40

10

20

30

40

ε (%)

σ (N/mm²)

y

z x

+

+

+

+-

-

-

-Spannung

-Spannungenbzw.

y

x z

σ

σσ

-

Riss

- 294 -

Die Querzugspannungen im Stein führen zu vertikalen Rissen parallel zur Beanspru-chungsrichtung. Wegen des dreiachsigen Spannungszustandes kann Mauerwerk über die einachsige Druckfestigkeit des M ö r t e l s hinaus beansprucht werden, während die einachsige Druckfestigkeit des S t e i n s kaum oder nur selten erreicht wird.

Sind die Mörtelfugen ungleichmäßig gefüllt, so können im Stein Spannungskonzentrationen und Biegespannungen auf-treten, welche sich den Querzugspannungen überlagern und die Mauerwerksfestigkeit weiter reduzieren.

Abbildung G.5: Unregelmäßige Füllung von Mörtelfugen

Aus dieser Beschreibung des Bruchvorgangs ergeben sich die wichtigsten Parameter, welche die Druckfestigkeit von Mauerwerk beeinflussen:

• Druck- und Querzugfestigkeit der Mauersteine

• Druckfestigkeit des Mauermörtels

• Haftverbund zwischen Mörtel und Stein

• Fugendicke bzw. Verhältnis zwischen Fugendicke - Steinhöhe

• Qualität der handwerklichen Ausführung

Ziegelfestigkeit

0 20 40 60

10

0

20

30

40

(Mauerwerk) [N/mm2]

β

β (Mörtel)

[N/mm2]

Ziegelfestigkeit

0 5 10

10

0

20

30

40

(Mauerwerk)

[N/mm2]

β

f [mm]

Abbildung G.6: Mauerwerksfestigkeit in Abhängigkeit von der Festigkeit des Fu-genmörtels β(Mörtel) und der Fugendicke f

- 295 -

G.2.3.2 Verformungsverhalten

Der Elastizitätsmodul von Mauerwerk hängt von den E-Moduln der Einzelkomponen-ten ab. Er kann nach Gleichung (D.1.12) abgeschätzt werden:

sfM E

1fs

sE1

fsf

E1

⋅+

+⋅+

= (G.1.12)

wobei s = Steinhöhe f = Fugendicke

EM = E-Modul des Mauerwerks Ef = E-Modul der Fuge

Es = E-Modul der Steine

Abbildung G.7: Abhängigkeit des E-Moduls des Mauerwerks vom E-Modul des Mörtels

Ähnlich dem Beton kann auch Mauerwerk bei Feuchtigkeitsverlust bzw. Feuchtig-keitsaufnahme schwinden und quellen und unter Dauerlast kriechen. Bei der Verwen-dung von gebrannten Steinen sind die Kriech- und Schwindverformungen vor allem auf das Kriechen und Schwinden des Mauermörtels zurückzuführen. Kalksandsteine, Betonsteine und im beschränktem Umfang Ziegel können jedoch zu den Kriech- und Schwindverformungen beitragen.

Um Mauerwerkskonstruktionen rissefrei zu halten, sollen in den Wänden, deren freie Schwind- oder Temperaturdehnung z.B. durch eine Randeinspannung behindert wird, in ausreichenden Abständen Bewegungsfugen angeordnet werden.

G.3 Moderne Verbundwerkstoffe

G.3.1 Grundprinzipien Moderne Verbundwerkstoffe bestehen meist aus einer Matrix, die mit Teilchen ver-schiedener Größe oder mit Fasern bewehrt sind. Der Bewehrung können dabei ver-schiedene Aufgaben zukommen:

• Erhöhung der Festigkeit

• Erhöhung der Duktilität, z.B. durch Verzögerung des Rissfortschritts in der Matrix

• Erhöhung der Temperaturbeständigkeit

E = 14,7 kN/mm²

0 10 20 30

10

0

20

(Mauerwerk) (kN/mm²)E

E(Mörtel)

(kN/mm²)

Ziegel

- 296 -

Je nach Art der Bewehrung wird unterschieden zwischen:

• Dispersionsverstärkung

• Partikelbewehrung

• Faserbewehrung

G.3.2 Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe Sie bestehen aus einer Matrix (kontinuierliche Phase) und sehr kleinen, gleichmäßig verteilten Partikeln mit einer Größe von 0,01 bis 0,1 mm bei Volumen-Konzentrationen von 1 bis 15 Vol.-%.

Die äußere Beanspruchung wird im wesentlichen von der Matrix aufgenommen. Bei Metallen hat die Dispersion die Aufgabe, Versetzungsbewegungen zu behindern.

Vorteile:

• Erhöhung der Streckgrenze der Matrix durch die Behinderung der Versetzungsbe-wegung (FRANK-READ-Quellen)

• Erhöhung der Temperaturbeständigkeit von Metallen

Durch Zugabe von Dispersionen kann bei Temperaturen bis zu 80 % des Schmelz-punktes der Matrix die Streckgrenze bei Normaltemperatur erhalten werden.

Beispiel: Verstärkung einer Kupfermatrix durch fein verteilte Silikate oder Aluminiumoxide

G.3.3 Partikelbewehrte Verbundwerkstoffe Partikelbewehrte Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix und gleichmäßig ver-teilten Teilchen, deren Größe (> 1 mm) und Konzentration (> 25 Vol.-%) höher als bei einer Dispersionsverstärkung sind.

Neben der Matrix beteiligt sich auch die Partikelbewehrung an der Lastaufnahme. Die Partikel beeinflussen vor allem Bruch- und Verformungseigenschaften der Matrix.

Weiche Matrix, harte Partikel:

Die Matrixverformung wird durch die Partikel behindert, so dass der Verbundwerkstoff steifer als die unbewehrte Matrix ist.

Beispiel: Kunststoffmörtel, bestehend aus einer Kunststoffmatrix mit Sand oder Kies als Zuschlagstoff. Im weiteren Sinne ist hier auch Beton einzuordnen

Steife und spröde Matrix, weiche Partikel:

Spannungskonzentrationen an Rissspitzen in der Matrix werden durch die Partikel abgebaut. Bei kleinen Partikelabständen wird die Risslänge in der Matrix unter dem für eine bestimmte Spannung kritischen Wert gehalten und so der Sprödbruch der Matrix verhindert bzw. verzögert.

Beispiel: Durch Aluminiumoxid partikelbewehrtes Silikatglas

- 297 -

0

100

200

0 20 40 60*10 -3Partikelabstand (mm)

Zugfestigkeit des Glases (N/mm²)

Abbildung G.8: Zugfestigkeit von durch Aluminiumoxid bewehrtem Silikatglas

G.3.4 Faserbewehrte Verbundwerkstoffe Sie bestehen aus einer Matrix und einzelnen Fasern, die in gleichen oder unterschied-lichen Richtungen angeordnet sein können.

Je nach Art der Faser unterscheidet man zwischen:

nanisotropeisotropen

faserbewehrten Verbundwerkstoffen

enorientiert nichtenorientiert

Fasern

( )

lichenkontinuier langenkurzen

Fasern

Wichtigste Anwendungsgebiete im Bauwesen: • Faserbewehrte Kunststoffe • Fasermörtel und Faserbeton

G.3.4.1 Allgemeine Anforderungen

Anforderungen an die Matrix:

a) Die Matrix soll bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe die Fasern nicht zer-stören oder ihre Oberfläche beschädigen

b) Die Matrix soll duktile Eigenschaften besitzen und den Rissfortschritt hemmen, sobald eine Faser gerissen ist

c) Die Matrix soll gegenüber der Faser benetzend sein und mit ihr gute Verbund-eigenschaften entwickeln

Anforderungen an die Faser: a) hohe Festigkeit b) hohe Steifigkeit c) ausreichende Dauerhaftigkeit

Vorteile einer Faserbewehrung:

Dünne Querschnitte (Fasern) können im Vergleich zu dickeren Querschnitten relativ fehlerfrei hergestellt werden. Bei Verwendung spröder Werkstoffe als Faserbeweh-

- 298 -

rung kann daher deren Festigkeitspotential in Verbundwerkstoffen ausgenutzt wer-den.

Neben der Festigkeitserhöhung kann eine Faserbewehrung auch die Steifigkeit der Matrix wesentlich verbessern.

Es ist auch möglich, eine spröde Matrix mit duktilen Fasern zu bewehren. Dann kann, ähnlich wie bei den partikelbewehrten Verbundwerkstoffen, bei sehr engem Faserab-stand der Rissfortschritt in der Matrix kontrolliert und ein Sprödbruch der Matrix verzö-gert werden.

G.3.4.2 Faserwerkstoffe

Zur Verstärkung von Kunststoffen werden u.a. eingesetzt:

• Glasfasern

• Kohlenstofffasern

• Kunststofffasern

• Metallfasern

Einkristallfasern (whisker) dienen insb. der Verstärkung hochfester keramischer Werkstoffe oder von Metallen. Die früher weit verbreiteten Asbestfasern dürfen wegen ihrer Gesundheitsgefährdung nicht mehr verwendet werden.

Die am häufigsten eingesetzten Glasfasern bestehen aus E-Glas (E = elektrisch hochwertig), siehe Abschnitt F.2.

Glasfasererzeugnisse sind u.a.:

• Glasroving: parallel liegende Fasern endloser Länge (∅ = 3 - 15 µm). Sie bestehen aus ca. 60 Einzelfäden, die wiederum aus 50 bis 800 Elementarfäden zusammengesetzt sind, so dass ein Roving bis zu 48.000 Elementarfäden aufweist.

• Spinnroving: nicht parallel liegende, versponnene Endlosfasern.

• Glasseidenfasern: Kurzfasern (l < 1 mm).

• Glasseidenmatten: Matten aus Glasseidenfasern, die z.B. durch Polyesterharz verklebt sind.

• Glasseidengewebe: als Kreuzgewebe mit gleicher Rovingzahl in 2 Richtungen.

Kohlenstofffasern besitzen besonders günstige Eigenschaften, sind für einen Groß-einsatz im Bauwesen jedoch meist zu teuer.

Faserdurchmesser: ∅ ≈ 5 bis 50 µm

Zugfestigkeit: βZ ≈ 1750 bis 3250 N/mm2

E-Modul: E ≈ 2,8.105 bis 9.105 N/mm2

Metallfasern insb. Stahlfasern werden mit Erfolg zur Faserverstärkung von Beton (Fa-serbeton) eingesetzt.

Kunststofffasern sind nur wirksam, wenn sie einen E-Modul aufweisen, der mindes-tens so groß ist wie der E-Modul der zu verstärkenden Matrix.

- 299 -

G.3.4.3 Verbundwerkstoffe mit langen, orientierten Fasern

Bezeichnungen:

Abbildung G.9:

Matrix Faser Verbundwerkstoff

Fläche Am Af A

Volumen Vm Vf V

Volumen-konzentration

vm vf 1

Lastanteil Fm Ff F

Spannung σm σf σ

E-Modul Em Ef E

Dehnung εm εf ε

Zugfestigkeit βm βf β

E-Modul parallel zur Faser:

Nach (G.1.13) gilt:

E = Em.(1-vf) + Ef

.vf (G.3.1)

Folgerung: Mit steigender Steifigkeit und Volumenkonzentration der Faser wächst die Steifigkeit des Verbundwerkstoffes

F

F

FFm

c

f

f

Verbundwerkstoff mit langen, orientierten Fasern

Fm

- 300 -

E-Modul senkrecht zur Faser:

Nach (G.1.12) gilt:

( )

m

f

f

f

Ev1

Ev

E1 −

+= (G.3.2)

Von der Faser aufgenommener Lastanteil (senkrecht zur Faser):

Mit n = Ef/Em ist

−

⋅=⋅ε⋅⋅ε⋅

=f

f

mmm

fff

m

f

v1v

nvEvE

FF

(G.3.3)

und

( )ff

f

fffmmm

ffff

v1vnvn

vEvEvE

FF

−+⋅⋅

=⋅ε⋅+⋅ε⋅

⋅ε⋅= (G.3.4)

Folgerung: Mit steigender Steifigkeit und Volumenkonzentration der Faser steigt der von den Fasern aufgenommene Lastanteil

Abbildung G.10a: Abbildung G.10b: Einfluss des Verhältnisses der E-Moduln von Fasern (Ef) und Matrix (Em) auf das Verhältnis Ff/Fm für eine gegebene Vo-lumenkonzentration der Fasern, vf Glei-chung (G.3.3).

Einfluss des Verhältnisses der E-Moduln von Faser (Ef) und Matrix (Em) auf den von der Faser aufgenomme-nen Lastanteil Ff/F für eine gegebene Volumenkonzentration der Fasern, vf Gleichung (G.3.4).

0,1

1

10

100

0,1 1 10 1001

10

100

0,1 1 10 100

Ff/Fm

vf = 0,9 0,8 0,7 0,6

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

n = Ef/Em

Ff/F

vf = 0,9 0,8 0,7

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

n = Ef/Em

- 301 -

Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes:

Bei der Verwendung spröder Fasern in einer duktilen Matrix wird die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes erreicht, sobald die Bruchdehnung der Fasern erreicht ist. Damit ergibt sich aus (G.1.16a):

( ) ( )fmff v1vBf

−⋅σ+⋅β=β ε (G.3.5)

Lastanteil der Fasern

Lastanteil der Matrix

εBf = Bruchdehnung der Faser

( )Bfm εσ = Spannung der Matrix bei einer Dehnung εBf

Bei linear-elastischem Verhalten der Matrix bis zum Bruch kann die Größe ( )Bfm εσ

nach dem HOOKE´schen Gesetz ermittelt werden:

( ) Bfmm EBf

ε⋅=σ ε (G.3.6)

Sonst ist zur Bestimmung von ( )Bfm εσ die Kenntnis des σ-ε-Diagramms der unbe-

wehrten Matrix erforderlich.

Kritische Volumenkonzentration:

Die Festigkeit des Verbundwerkstoffes soll größer sein als die Festigkeit der unbe-wehrten Matrix:

β > βm

Diese Bedingung ist erst bei einer Volumenkonzentration der Faserbewehrung erfüllt, die größer als ein kritischer Wert

.critfv ist:

Nach (G.3.5) ist ( ) ( )fmff v1vBf

−⋅σ+⋅β=β ε

Die Bedingung β > βm ist erfüllt, wenn

( )( )

Bf

BF

mf

mmfcritf vv

ε

ε

σ−β

σ−β=> . (G.3.7)

( ) ( )fmff v1vBf

−⋅σ+⋅β=β ε

β = βm.(1 - vf)

Abbildung G.11: Theoretische Abhängigkeit der Festigkeit β eines faserbewehrten Werkstoffs von der Volumenkonzentration der Faserbewehrung vf

0 1,0v vcrit. f

m

fβ

β

β 1

2

- 302 -

G.3.4.4 Verbundwerkstoffe mit kurzen, orientierten Fasern

Aus herstellungstechnischen Gründen kann es sinnvoll sein, anstelle von langen, kontinuierlichen Fasern kürzere, nicht kontinuierliche Fasern zu verwenden. Die Wirk-samkeit einer solchen Faserbewehrung hängt dann davon ab, ob über Haftspannun-gen die von den Fasern aufzunehmende Last von der Matrix in die Faser eingeleitet werden kann.

+

-

+

fm

m

Hl

Matrix

Faser

l

τ

τ

σ

Abbildung G.12: Spannungsverlauf bei kurzen, orientierten Fasern

Diese Bedingung ist nur erfüllt, wenn die Faserlänge größer als ein kritischer Grenz-wert lcrit. ist. Er kann wie folgt bestimmt werden:

Die von einer Faser aufgrund ihrer Zugfestigkeit maximal aufnehmbare Zugkraft be-trägt

f

2

max 4dF β⋅π= , (G.3.8)

wobei d = Durchmesser der Faser.

Unter der Annahme, die Haftspannungen seien über die Faserlänge gleichmäßig ver-teilt und erreichen einen mittleren Maximalwert τm, kann eine Zugkraft F über eine Haftlänge lH in die Faser eingeleitet werden:

mHldF τ⋅⋅⋅π= (G.3.9)

Die Haftlänge lH, die erforderlich ist, damit ein Bruch der Faser ohne Überschreiten der maximal aufnehmbaren Haftspannung (τm) eintritt, ergibt sich dann aus:

Fmax = F

mHf

2

ld4d

τ⋅⋅⋅π=β⋅⋅π (G.3.10)

d4

lm

fH ⋅

τβ

= (G.3.11)

Die kritische Faserlänge lcrit entspricht der Mindestlänge einer Faser, in der eine Span-nung gleich der Zugfestigkeit in die Faser über Haftverbund eingeleitet werden kann. Sie ist mindestens gleich der doppelten Haftlänge lH:

d2

l2lm

fHcrit ⋅

τβ

⋅α=⋅α= (G.3.12)

Der Beiwert α berücksichtigt, dass ein Riss in der Matrix nicht immer in der Mitte einer Faser auftritt, so dass α > 1 ist.

Die kritische Faserlänge hängt also von den Verbundeigenschaften zwischen Matrix und Faser (τm), von der Zugfestigkeit der Faser (βf) und vom Durchmesser einer Fa-ser (d) ab.

Mit kleiner werdendem Faserdurchmesser sinkt auch die kritische Faserlänge lcrit. Für die Wirksamkeit einer Faser gegebener Eigenschaften ist daher das Verhältnis lcrit/d maßgebend.

- 303 -

G.3.4.5 Verbundwerkstoffe mit beliebig orientierten Fasern

Verbundwerkstoffe können auch durch kurze, beliebig orientierte Fasern bewehrt werden.

Vorteile:

• Einfache Herstellung, z.B. durch Mischen von Fasern und Matrix vor dem Erstar-ren der Matrix

• Weitgehend isotropes Verhalten des Verbundwerkstoffes

Nachteile:

• Bei einer einachsigen Beanspruchung werden nur ca. 40 Vol.-% der zugegebenen Fasern wirksam

• In den meisten Fällen kann eine verarbeitbare Mischung zwischen Matrix und Fa-sern nur dann erreicht werden, wenn die Faserlänge kleiner als die kritische Länge (siehe Abschnitt G.3.4.4) ist

Für diesen Fall ergibt sich als kritische Faserkonzentration:

fv0

mf .crit

vβ⋅η⋅η

β= (G.3.13)

Der Beiwert η0 ≤ 1,0 berücksichtigt, dass nur ein Teil der Fasern in Richtung der an-greifenden äußeren Spannung orientiert ist.

Für eine 3-dimensionale, nicht orientierte Bewehrung ist η0 ≈ 0,40.

Der Beiwert ηv ist < 1,0, wenn die Faserlänge < lcrit nach Gleichung (G.3.12) ist.

Beispiele: Glasfaser- oder stahlfaserbewehrter Beton

- 304 -

H Holz Holz zeichnet sich aus durch geringes Gewicht bei relativ hoher Zug- und Druckfes-tigkeit sowie leichter Bearbeitbarkeit. Es gehört zu den traditionellen Werkstoffen des Bauwesens und ist auch heute noch ein vorzüglicher Baustoff, der in vielen Fällen mit den Werkstoffen Stahl, Aluminium und Beton erfolgreich konkurrieren kann.

Den Vorteilen stehen als Nachteile gegenüber:

Korrosionsanfälligkeit, Anisotropie als Folge des Wuchses, Brennbarkeit und schwie-rige Kontrolle der Werkstoffeigenschaften.

Einige dieser Nachteile können durch Verwendung von Holzwerkstoffen, z.B. Sperr-holz oder Spanplatten, ausgeschaltet oder reduziert werden.

H.1 Aufbau und Struktur

H.1.1 Grobstruktur Je nach Orientierung eines Schnittes wird beim Holz zwischen

• Hirn- oder Querschnitt

• Radial- oder Spiegelschnitt

• Tangential- oder Fladenschnitt unterschieden

Abbildung H.1: Grobstruktur des Holzes

Im Zentrum eines Hirnschnittes liegt die Markröhre, daran schließen sich die Holz-masse mit aufeinander folgendem Früh- und Spätholz, das Kambium (Wachstums-schicht), die Innenrinde (Bast) und die Außenrinde (Borke) an.

Von besonderer Bedeutung sind die Holzfehler, d.h. Abweichungen vom Wuchs und der Beschaffenheit normalen Holzes. Dies sind:

• Fehler in der Stammform, z.B. Durchmesseränderungen, Krummschaftigkeit oder Zwieselbildung (Doppelkernbildung)

• Fehler im Holzaufbau, z.B. Ästigkeit oder Drehwuchs

• Fehler durch äußere Einwirkungen, z.B. Schwindrisse

Stammachse

Hirn- oder Querschnitt Harzkanal Jahresring Kambium 1Jahr Bast Mark Borke Tangential- Markstrahl oder Fladen- schnitt Frühholz Spätholz Radial- oder Spiegelschnitt

- 305 -

H.1.2 Mikrostruktur Holz besitzt einen zellenartigen Aufbau. Nebeneinander liegende Zellen oder Röhren geben dem Holz Festigkeit und sind für seine mechanischen Eigenschaften verant-wortlich.

Die Zellen oder Röhren haben eine bevorzugte Orientierung in Richtung der Längs-achse eines Baumes und werden von Cellulosefasern gebildet, die durch Lignin ver-kittet sind, siehe Abschnitt H.1.3. Aufgrund seiner Mikrostruktur ist Holz in hohem Maße anisotrop.

H.1.3 Chemische Zusammensetzung 40 - 60 Vol.-% Cellulose: (C6H10O5)n in Form von Kettenmolekülen, deren Polymerisa-tionsgrad n zwischen 1000 und 2000 liegt. Die Molekülketten sind orientiert und teil-weise kristallin. Die Cellulose bildet röhrenförmige Einzelzellen, die durch 20 - 30 Vol.-% Lignin und 20 - 25 Vol.-% Hemicellulose verkittet sind. Beim lebenden Baum be-steht die Zellenfüllung im wesentlichen aus Wasser, Eiweißstoffen, Kohlenhydraten und Luft.

H.2 Holzarten Im konstruktiven Ingenieurbau finden vor allem folgende Holzarten Verwendung:

a) Nadelhölzer:

Kiefer: Harzreiches Holz für Hoch- besonders für Brücken- und Wasserbauten geeignet; Hauptvorkommen in Nord- und Osteuropa

Lärche: Festes, dauerhaftes, gegen Pilzbefall und Insektenfraß beständiges Bau-holz, jedoch fast nur noch in den Alpenländern in größeren Mengen zu finden

Fichte: Gutes Bauholz mit langer Lebensdauer, solange es ständig trocken oder unter Wasser gehalten wird; nicht für Wasserbauten geeignet; Vorkom-men hauptsächlich in deutschen Mittelgebirgen

Tanne: Verformbarer und weicher als Fichte; Verwendung im Hochbau

b) Laubhölzer:

Eiche: Verwendung für druckverteilende Unterlagen, Knaggen, Dübel; wegen hoher Widerstandsfähigkeit auch für Wasserbauten geeignet

Buche: Druckverteilende Unterlagen, Knaggen, Dübel; nur beschränkt und nach vorhergehender Schutzbehandlung im Brückenbau verwendbar

H.3 Mechanische Eigenschaften H.3.1 Festigkeit Richtwerte für die Zug- und Druckfestigkeiten verschiedener Holzarten bei Beanspru-chung parallel zur Faserrichtung sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Sie wurden an fehlerfreien normgerechten Proben ermittelt.

- 306 -

Tabelle H.1: Mittelwerte der Festigkeit verschiedener Hölzer bei einer Holz-feuchtigkeit u = 12%

Holzart

Rohdichte bei u = 12 %

ρ

Druckfestig-keit

βD

Zugfestigkeit

βZ

Biegefestig-keit

βB

kg/dm3 N/mm2 N/mm2 N/mm2

Fichte (Rottanne) 0,47 40 80 68

Tanne (Weißtanne) 0,47 40 80 68

Kiefer (Föhre) 0,52 45 100 80

Lärche 0,59 48 105 93

Eiche (Traubeneiche)

0,67 52 110 95

Esche 0,69 50 130 105

Rotbuche 0,69 60 135 120

Weißbuche Hainbuche

0,77 60 135 130

Im Vergleich zu den meisten anderen Baustof-fen ist die Zugfestigkeit des Holzes größer als seine Druckfestigkeit. Der Grund liegt im Kni-cken der Röhrenstruktur bei Druckbelastung.

Die Werte in der Tabelle zeigen ferner, dass im Allgemeinen mit steigender Rohdichte die Fes-tigkeit des Holzes anwächst.

Da die Rohdichte über den Durchmesser eines Holzstammes ungleichmäßig ist, besitzt ein Holzstamm auch eine über den Querschnitt ungleichmäßige Festigkeitsverteilung. Im All-gemeinen führt ein hoher Anteil an Spätholz zu einer hohen Festigkeit.

Abbildung H.2: Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Holz

Ferner sind die Wuchseigenschaften des Holzes zu beachten:

Im Vergleich zu astfreiem Holz ist die Zugfestigkeit von astigem Holz wegen der auf-tretenden Kerbspannungen wesentlich geringer (bis zu 80% Festigkeitsabfall). Der Einfluss der Ästigkeit auf die Druckfestigkeit von Holz ist dagegen weniger stark aus-geprägt (bis zu 25 % Festigkeitsabfall). Aus diesem Grunde sind die in der DIN 1052 (Holzbauwerke) anzusetzenden Zugfestigkeiten, abhängig von der Sortierklasse, klei-ner bzw. gleich den entsprechenden Druckfestigkeiten.

Von besonderem Einfluss auf die Festigkeit des Holzes ist sein Feuchtigkeitsgehalt. Wie bei den meisten Werkstoffen, die Wasser aufnehmen können, sinkt die Festigkeit eines Holzes mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt, allerdings nur bis zum sogenannten Fasersättigungspunkt.

0

15

30

45

60

75

90

0 2 4 6 8D, Z

D, Z II(N/mm²)

+/− σ

β

β

β

β

α

+/− ε(°/oo)

DP

D

ZP

ZZug

tg = = E IIα σ/ε

Druck

tgα ≡ σ/ε = E

- 307 -

Definition der Holzfeuchtigkeit u (%):

100gwu

tr

⋅= , (H.3.1)

wobei w = mf - mtr

= Masse des im Holz enthaltenen Wassers

mf = Masse des Feuchten Holzes

mtr = Holzmasse nach Ofentrocknung

0

40

80

120

(N/mm²)

0 20 40 60 80 100Holzfeuchtigkeit u (%)

Fasersättigungspunkt

Rotbuche

Fichte

Dβ

Abbildung H.3: Druckfestigkeit βD in Abhängigkeit von der Holzfeuchte u

Abbildung H.4: Festigkeit in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Kraft- und Faser-richtung

Der anisotrope Aufbau des Holzes führt dazu, dass Druck-, Biege- und Zugfestigkeit vom Winkel zwischen Kraft und Faserrichtung abhängig sind. Parallel zur Faserrich-tung hat das Holz die größte, senkrecht dazu die geringste Festigkeit.

0° 15° 30° 45° 60°0

20

40

60

80

100

Winkel zwischen Kraft- und Faserrichtung

β/β (%)0

Druck

Biegung

Zug

- 308 -

H.3.2 Spannungs-Dehnungslinien und Elastizitätsmodul Holz zeigt bei Zugbeanspruchung nahezu linear-elastisches Verhalten, bei Druckbe-anspruchung eine deutliche Abweichung von der Linearität, insbesondere bei höheren Feuchtegehalten.

Ebenso wie die Festigkeit hängt auch das Span-nungs-Dehnungsverhalten von Holz vom Feuch-tigkeitsgehalt ab. Trockenes Holz ist nahezu ideal elastisch. Feuchtes Holz zeigt zwar geringere Festigkeit, aber größere Verformbarkeit und dukti-les Verformungsverhalten.

Abbildung H.5: Spannungs-Dehnungslinien für verschiedene Feuchtegehalte u

Der Einfluss des Winkels zwischen Kraft- und Faserrichtung auf den E-Modul des Holzes kann für drei verschiedene Holzarten dem nebenstehenden Dia-gramm entnommen werden.

Abbildung H.6: Einfluss des Winkels zwischen Kraft- und Faserrichtung auf den E-Modul des Holzes

H.3.3 Schwinden und Quellen Als Folge seiner Zellenstruktur und seiner hohen inneren Oberfläche schwindet und quillt Holz bei Wasserentzug bzw. Wasseraufnahme. Diese Volumenänderungen sind in verschiedene Richtungen unterschiedlich stark:

Größenordnungen der gesamten Schwind und Quellverformungen:

Tangential: 5 - 10 %

Radial: 3 - 5 %

Achsial: 0,2 - 0,5 %

u = 0,7 %

u = 18,4 %

u = 43 %

D (N/mm²)σ

ε (°/οο)0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

12

14

16*10 3E (N/mm²)

0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°Winkel zwischen Kraft- und Faserrichtung

Buche

Eiche

Fichte

- 309 -

0

10

20

30

40

50

60

0

1

2

3

4

5

0 3 7 15 22 30 2 7 14 28 43

Gewichtszunahme (%)

Quellen (%)

Gewichtsveränderung

Quellen tangential

radial

achsial

radialtangential

achsial

30 Tage Wasserlagerung 43 Tage Luftlagerung Abbildung H.7: Quellen und Schwinden in Abhängigkeit von der Lagerung

Die unterschiedlichen Eigen-schaften des Holzes in ver-schiedenen Richtungen kön-nen zu einem Verwerfen oder Verziehen der Querschnitte und zu Rissbildungen führen.

Abbildung H.8: Querschnittsverformungen des Holzes

H.3.4 Kriechen Unter Dauerlast kriecht das Holz, d.h. die elastischen Augenblicksverformungen neh-men im Laufe der Zeit zu. Dabei werden Werte für das Kriechmaß ϕ = Kriechverfor-mung/elastische Verformung nach langer Belastungsdauer zwischen 0,5 und 3 beo-bachtet. Ähnlich dem Beton kriecht auch das Holz umso mehr, je höher der Feuchtig-keitsverlust während der Belastung ist.

Hohe Dauerlasten können zum Bruch führen. Die Zeitstandfestigkeit des Holzes nach 10-jähriger Belastung kann zwischen 45 und 65 % der Festigkeit bei Kurzzeitbelas-tung schwanken. Sie nimmt mit steigendem Feuchtegehalt ab.

- 310 -

H.4 Holzwerkstoffe Zielsetzung: Vergütung des Holzes insbesondere durch Verringerung der

Anisotropie und Porosität. Verwendung von Abfallholz

Pressvollholz: Verfestigung durch Pressen erhöhte Rohdichte reduzierte Porosität erhöhte Festigkeit reduziertes Schwinden geringe Anisotropie

Lagenholz: Schichtholz durch paralleles Verleimen von Einzelhölzern

Sperrholz: Kreuzweises Verleimen von Furnieren

Holzspan- und Holzfaser-werkstoffe:

Holzwolleleichtbauplatten = Holzspäne + mineralische Bindemittel. Holzspanplatten durch Verleimen von Holzspänen mit verschiede-nen Klebern

Holzverbund-werkstoffe:

Verbundplatten aus Holzwerkstoffen, die ein- oder zweiseitig z.B. mit Kunststoffen als Feuchteschutz oder zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes oder des Widerstandes gegen Bewitte-rung beschichtet sind

H.5 Holzschutz

H.5.1 Schädigungsarten • Witterung (Feuchte, UV- Strahlung, Frost und Temperaturschwankungen)

• Thermischer Angriff (hohe Temperatur, Feuer)

• Biologischer Angriff (Pilze, Insekten, Bakterien)

• Chemischer Angriff

H.5.2 Witterung Witterungseinflüsse verursachen eine Verfärbung und Veränderung der Holzoberflä-chen; Schwinden bzw. Quellen des Holzes.

Schutzmaßnahmen:

Baulicher Holzschutz (Konstruktive Maßnahmen zum Fernhalten von Feuchtigkeit); Oberflächenbehandlung oder Beschichtung, z.B. mit Ölen, Kunststoffen, Kunststoff-dispersionen etc.

H.5.3 Thermischer Angriff Bei T > 150°C: Beginn des Abbaus der Holzstruktur, Gasbildung

T > 200°C: Selbstentzündung

Bildung einer Holzkohleschicht an den Oberflächen, die wär-meisolierend wirkt

Schutzmaßnahmen: Verzögerung der Entzündungszeit durch Feuerschutzmittel oder Beschichtungen

- 311 -

H.5.4 Biologischer Angriff

0 1 2 3 4 5 6

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

verbleibende Druckfestigkeit (%)

Einwirkungsdauer (Mon.)

Porenhaus-schwamm

Kellerschwamm

echterHausschwamm

Abbildung H.9: Verbleibende Druckfestigkeit nach einer Pilzschädigung

Tabelle H.2: Günstige Bedingungen für Pilzbefall

echter Haus-schwamm

Porenschwamm Kellerschwamm

Holzfeuchte 20 - 28 % 40 - 50 % ca. 55 %

Temperatur in °C 18 - 22 25 - 28 22 - 26

Angriff durch tierische Schädlinge:

Beispiele:

• Hausbock

• Ameisen

• Termiten

Folgen: Je nach Umfang der Schädigung Reduktion der Tragfähigkeit

Schutzmaßnahmen: Imprägnieren mit fungiziden bzw. insektiziden Holz-schutzmitteln, z.B. wasserlösliche Schutzsalze oder ölige Schutz- und Bekämpfungsmittel (siehe DIN 68800, Holz-schutz im Hochbau)

Verwendung von Kernholz oder resistenten Holzarten

- 312 -

Literatur:

[H.1] WESCHE, K. H.: Baustoffe für tragende Bauteile, Bd. 4, Bauverlag GmbH, Wies-baden, 1981

[H.2] KOLLMANN, F.: Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe, Springer-Verlag, Berlin / München, 1951

[H.3] KNÖFEL, D.: Stichwort: Holzschutz, Bauverlag GmbH, Wiesbaden, 1979

[H.4] ILLSTON, I. M. & DINWOODIE, I. M., SMITH, A. A.: Concrete, Timber and Metals, van Nostrand Reinhold, International Student Edition, 1979

[H.5] GÖTZ, K. H. & HOOR, D., MÖHLER, K. & NATTERER, J.: Holzbauatlas, Himmer-Verlag, Augsburg, 1991

[H.6] ROSTÀSY, F. S.: Baustoffe, Kohlhammer-Verlag, Stuttgart, 1983

- 313 -

I Bituminöse Baustoffe – Bitumen, Teer und Peche

Bitumen und Teer sind organische Werkstoffe, die im Bauwesen häufig verwendet werden. Bei ihrer Anwendung wird weniger von ihren Festigkeitseigenschaften, son-dern mehr von ihrer Klebefähigkeit, Dichtigkeit und Verformbarkeit Gebrauch ge-macht. Bitumen und Teer finden daher vorwiegend Verwendung im Straßenbau als Bindemittel sowie als Kleb-, Sperr- und Dichtungsmittel im Wasser- und Hochbau.

I.1 Definitionen

Bitumen: Im Erdöl enthaltene Kohlenwasserstoffgemische mit einer hohen Anzahl an Kohlenstoffatomen. Bitumen wird als Rück-stand bei der Destillation geeigneter Erdöle gewonnen

Asphalt: Technisch hergestelltes oder natürlich vorkommendes Bitu-men-Mineral-Gemisch

Naturasphalt: Erdölhaltiges Gestein, aus dem die leichteren (kohlenstoff- ärmeren) Bestandteile verdunstet sind

Teer: Kohlenstoffreicher Rückstand nach der thermischen Zerset-zung organischer Stoffe, z.B. Holzteer, Braunkohlenteer, Steinkohlenteer

Pech: Destillationsrückstand des Teers, Bindemittelanteil des Teers

I.2 Bitumen

I.2.1 Aufbau und grundsätzliche Eigenschaften

Maltene

Schutzschicht(Asphaltharze)Asphaltene

Mizelle

Maltene

Abbildung I.1: Schematischer Aufbau von Bitumen

- 314 -

Bitumen besteht aus:

• einer öligen Phase (Matrix) = Maltene,

Molekulargewicht: 500 - 1000

• einer festen Phase (Füller) = Asphaltene,

Molekulargewicht: 5000 - 100.000

Die Asphaltene können von einer Schutzschicht aus Asphaltharzen umgeben sein. Die Einheit Asphaltene - Asphaltharze wird als Mizelle bezeichnet.

Die Struktur des Bitumens entspricht der eines Soles, d.i. eine kolloidale Lösung der Asphaltene in den Maltenen, ohne dass ein steifes Traggerüst entsteht. Die mechani-schen Eigenschaften, im besonderen die Festigkeit, Verformbarkeit und Temperatur-beständigkeit, hängen vom Verhältnis Maltene/Asphaltene entscheidend ab. Als nichtkristalliner Werkstoff sind die Eigenschaften des Bitumens in hohem Maße tem-peraturabhängig (thermoplastisch). Bitumen besitzt keinen definierten Schmelzpunkt, sondern einen Erweichungspunkt. Unterhalb der Temperatur, bei der die Erweichung eintritt, verhält sich Bitumen relativ spröde, oberhalb dieser Temperatur ist es gut ver-formbar und zeigt viskose Eigenschaften.

Eine Verkettung der Asphaltene untereinander wird durch die Schutzschicht aus As-phaltharzen verhindert. Beim Oxidationsbitumen (geblasenem Bitumen) wird diese Schutzschicht durch Einblasen von Luft zerstört, so dass ein starres Gerüst aus Asphaltenen mit der Struktur eines Geles entsteht.

I.2.2 Bitumenarten

Durch verschiedene Modifikationen und Beimengungen können die Eigenschaften von Bitumen über einen weiten Bereich variiert werden.

Entsprechend können die Bitumenarten in die Hauptgruppen

• Heißbitumen

• Verschnittbitumen

• Bitumenemulsionen

eingeordnet werden.

I.2.2.1 Heißbitumen

Sie müssen vor der direkten Bearbeitung erhitzt werden. Heißbitumen werden nach ihrem Erweichungspunkt weiter unterteilt in:

• Destillationsbitumen

• Hochvakuumbitumen

• Oxidationsbitumen

Der Rückstand nach der Erdöldestillation, meist unter Anwendung eines Vakuums wird als Destillationsbitumen bezeichnet. Es hat einen Erweichungspunkt zwischen 27 und 72°C und zeichnet sich durch gute Klebefähigkeit und hohe plastische Verform-barkeit aus.

Das Hochvakuumbitumen wird unter Anwendung eines erhöhten Vakuums hergestellt und hat einen geringeren Ölanteil als Destillationsbitumen und entsprechend einen erhöhten Erweichungspunkt (85 - 140°C).

- 315 -

Durch Einblasen von Luft in heißflüssiges, weiches Destillationsbitumen entsteht das Oxidationsbitumen (siehe Abschnitt I.2.1) mit einem Erweichungspunkt von 70 - 175°C.

Straßenbaubitumen wird durch Destillation und ggf. anschließende Oxidation herge-stellt und findet vorzugsweise im Asphaltstraßenbau Anwendung.

I.2.2.2 Verschnittbitumen

Durch Zugabe von Verschnittölen kann die Verarbeitbarkeit von Bitumen erhöht und der Erweichungspunkt u.U. soweit reduziert werden, dass auch ein Kalteinbau des Bitumens möglich ist. Durch langsames Entweichen des Lösungsmittels erhärtet das Verschnittbitumen im Laufe der Zeit.

Sog. Fluxbitumen sind weiche Bitumen, die mit geeigneten Erdöldestillaten verschnit-ten, d.h. vermischt oder fachlich heute richtig "gefluxt" werden, wodurch ihre Viskosität so herabgesetzt wird, dass sie nur leicht angewärmt verarbeitet werden können.

Polymermodifizierte Bitumen enthalten Zusätze von Polymeren von ca. 3 M.-% zur Verbesserung ihrer Standfestigkeit bei Wärme (erhöhter Erweichungspunkt) und der Haftung an Mineralstoffen.

I.2.2.3 Bitumenemulsion

Die Kaltflüssigkeit von Bitumen kann durch Herstellung einer Wasser-Bitumen-Emulsion erreicht werden. In einer solchen Emulsion ist das Bitumen in Form kleiner Kugeln im Wasser gleichmäßig verteilt. Die Kugelbildung des Bitumens wird durch Zugabe von oberflächenaktiven Stoffen, den sog. Emulgatoren gefördert.

I.2.3 Chemische Eigenschaften und Beständigkeit

Bitumen zeigt gegenüber vielen organischen und anorganischen Salzen und anorga-nischen Säuren eine hohe Beständigkeit.

Bitumen ist dagegen in anderen Erdölfraktionen (Benzin, Öl) und in anderen, meist organischen Lösungsmitteln, wie Tetrachlorkohlenstoff und Trichloräthylen löslich.

Wie bei vielen organischen Stoffen kann Bitumen im Laufe der Zeit bei Vorhandensein von Sauerstoff und Sonnenlicht etwas verspröden. Diese Beeinflussung beschränkt sich jedoch auf die Oberflächen der aus Bitumen hergestellten Konstruktion.

- 316 -

I.2.4 Mechanische Eigenschaften und Prüfmethoden

Die Eigenschaften von Bitumen werden primär durch folgende charakteristische Grö-ßen beschrieben:

Penetration (Eindringtiefe): Sie ist ein Maß für die Härte des Bitumens. Es wird die Strecke bestimmt, um die eine mit 100 g belastete Nadel bei 25°C in 5 Sekun-den in das Bitumen eindringt.

Abbildung I.2: Penetrationsversuch

Erweichungspunkt: Bestimmt wird die Temperatur, bei der eine Bitumenschicht unter fest-gelegten Bedingungen (u.a. Innen-durchmesser des Ringes: 15,9 mm; Höhe: 6,4 mm; Ausgangstemperatur des Wasserbades i.d. Regel: 5°C) bei gleichmäßiger Erwärmung um 5°C/min. eine bestimmte Verfor-mung durch Auflegen einer Stahlku-gel von 3,50 g Gewicht erfährt.

Abbildung I.3: Erweichungspunktversuch mit Ring und Kugel

Brechpunkt: Der Brechpunkt ist diejenige Tem-peratur, bei der eine auf ein Stahl-blech (Abmessungen 41.20.0,15 mm3) aufgeschmolzene Bitumen-schicht von 0,5 mm Dicke bei gleichmäßiger Abkühlung bricht oder Risse bekommt, wenn sie unter festgelegten Bedingungen wiederholt gebogen wird.

Abbildung I.4: Prüfmethode zur Bestimmung des Brechpunktes

Die Lage des Brechpunktes gibt einen Anhalt für das Verhalten des Bitumens bei niedrigen Temperaturen.

100 g100 g

Bitumen Bitumen

vor derPrüfung

nach5 Sek.

25,4 mm

40+/-0,1mm

Bitumen

36,5+/-0,1mm

- 317 -

Duktilität: Ein Probekörper wird unter festge-legten Bedingungen unter konstan-ter Ziehgeschwindigkeit (in der Re-gel 5 cm/min) auseinandergezogen, bis der entstehende Faden reißt. Die erreichte Verlängerung des Probe-körpers wird in cm gemessen.

Abbildung I.5: Duktilitätsprüfmethode

I.2.4.1 Verformungseigenschaften

Im nebenstehenden Dia-gramm ist die Abhängigkeit der absoluten Viskosität von der Temperatur für verschiedene Bitumenar-ten dargestellt. Mit stei-gender Temperatur nimmt die Viskosität ab, d.h. die Verformbarkeit nimmt zu.

Bezüglich der Definition des Begriffs Viskosität siehe Anhang.

Abbildung I.6: Temperaturabhängigkeit der Viskosität für verschiedene Bitumen-arten

Entsprechend kriecht Bitu-men unter konstanter Dau-erlast, wobei die Verfor-mung mit der Zeit annä-hernd linear anwächst. Rei-nes Destillationsbitumen verhält sich daher wie eine Newton´sche Flüssigkeit.

Abbildung I.7: Kriechkurven für Destillationsbitumen bei verschiedenen Tempera-turen

abs. Viskosität [10-7 N sec./mm2]

1

10

10

10

10

10

-18 5 25 60 93 135

2

4

6

8

T [°C]

destilliertesBitumen

Verschnitt- bitumen

Oxidations-bitumen

0 100 500 10000

20

40

60

80

100

t [sec.]

T = 20 °C

T = 10 °C

T = 0°C

33,3 %

0,063 %

εk [%]

- 318 -

I.2.4.2 Festigkeitseigenschaften

Die Festigkeitseigenschaften von Bitumen hängen wesentlich von der Herstellungsart und vom Aufbau des Bitumens ab. Seine Festigkeit fällt mit

• steigendem Lösungsmittelgehalt

• steigender Temperatur

• sinkender Prüfgeschwindigkeit

Da reines Bitumen im Normalfall nicht lastabtragende Funktionen hat, ist nicht so sehr die Festigkeit des reinen Bitumens von Bedeutung, sondern das Tragverhalten von Bitumen-Mineral-Gemischen (Asphalt, Asphaltbeton). Je nach Mischungsverhältnis und Bitumenarten kann Asphaltbeton Festigkeiten erreichen, die seine Anwendung als Tragschicht im Straßenbau ermöglichen. Seine Eigenschaften werden durch die Eigenschaften des Bindemittels Bitumen weitgehend beeinflusst, so dass auch Asphaltbeton je nach Temperatur spröde und fest oder verformbar und weich sein kann.

I.2.5 Anwendungsgebiete im Bauwesen Im Straßenbau findet Bitumen Anwendung als Bindemittel für:

• Oberflächenschutzschichten

• Kompressionsbeläge (Beläge, die im Laufe der Zeit durch fortschreitende Verdich-tung, z.B. aus dem Verkehr, eine Festigkeitssteigerung erlangen)

• Kornstabile Beläge (nach dem Betonprinzip)

• Tragschichten aus Bitumenzuschlaggemischen

Ferner wird Bitumen als Bindemittel für Beläge und Dichtungen im Wasserbau ver-wendet. Im Hochbau findet Bitumen auf folgenden Gebieten Verwendung:

• als Kleb-, Tränk- und Deckmasse für Dachpappen

• als Korrosionsschutzmittel für Metalle

• als Bindemittel für Estriche und Fußbodenbeläge

I.3 Teer

Je nach Rohstoff, aus dem durch thermische Zersetzung Teer erzeugt wurde, wird unterschieden zwischen:

• Holzteer

• Braunkohleteer

• Steinkohleteer

Rohteer ist nicht ohne weiteres verarbeitbar und enthält Wasser und Leichtöle. Er muss durch Destillation weiter aufbereitet werden. Die Destillate der Teere sind die Teeröle, die Destillationsrückstände sind die Teerpeche.

Werden durch Destillation lediglich das Wasser und die Leichtöle entfernt, so entsteht destillierter Teer. Durch Abdestillieren aller Ölanteile entsteht Teerpech. Werden den Teerpechen später einzelne Ölfraktionen zugegeben, erhält man den präparierten Teer.

- 319 -

I.3.1 Aufbau und grundsätzliche Eigenschaften

Ähnlich dem Bitumen ist Teer eine kolloidale Lösung hochmolekularer Harze in nied-rigmolekularen Ölen. Entsprechend ist die Struktur des Teers ein Sol. Wie auch beim Bitumen können durch Einblasen von Luft eine Erstarrung und Gelstrukturbildung des Teers erzielt werden.

Wie schon beim Bitumen sind auch die Eigenschaften von Teer zeit- und temperatur-abhängig. Die Temperaturspanne zwischen Erweichung und Versprödung ist bei Teer jedoch wesentlich kleiner als beim Bitumen. Bei Raumtemperatur ist Teer weicher und verformbarer als Bitumen.

Ähnlich dem Bitumen zeigt Teer große Beständigkeit gegen chemische Angriffe. Durch den Verlust an flüchtigen Bestandteilen verspröden Teere im Laufe der Zeit und sind einer Alterung durch Sauerstoff- und Lichteinwirkung unterworfen. Manche Teere besitzen eine fungizide und insektizide Wirkung, so dass Teer im Bautenschutz von besonderer Bedeutung ist.

Teere weisen meist einen intensiven Geruch auf, so dass sie in geschlossenen Räu-men nur bedingt verwendbar sind.

Bitumen und Teer sind im Allgemeinen nicht in jedem Verhältnis miteinander ver-mischbar.

I.3.2 Anwendungen im Bauwesen

Teer findet wie Bitumen als Bindemittel im Straßenbau sowie als Dichtungs- und Sperrmittel im Wasser- und im Hochbau Verwendung. Wegen seines geringeren Ver-arbeitungsbereichs, der starken Geruchsentwicklung und der Neigung zur zeitabhän-gigen Versprödung ist die Verwendung von Teer im Bauwesen im Laufe der vergan-genen Jahre zu Gunsten von Bitumen zurückgegangen.

Literatur:

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- 320 -

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- AN 1 -

ANHANG

Modelle zur Beschreibung des zeitabhängigen Verformungs-verhaltens nicht-kristalliner Werkstoffe

- Viskoelastizitätstheorie -

Problemstellung: Die Verformungen vieler Werkstoffe, z.B. der Kunststoffe, des Bitumens und des Be-tons, setzen sich aus reversiblen und irreversiblen sowie aus zeitabhängigen und zeitunabhängigen Anteilen zusammen. Diese Verformungsanteile sind in hohem Ma-ße temperaturabhängig. Da die Verformungseigenschaften der Werkstoffe für die in einem Bauwerk zu erwartenden Verformungen und für die Verteilung der Schnittgrö-ßen in statisch unbestimmten Tragwerken von großer Bedeutung sind, wurden Theo-rien entwickelt, mit denen die Verformungseigenschaften der Werkstoffe durch Mo-dellvorstellungen (Rheologische Modelle) dargestellt und daraus abgeleitete Gesetz-mäßigkeiten berechnet werden können.

Definitionen der Viskosität Ein Werkstoff hat viskose Eigenschaften, wenn er unter Last bleibende, zeitabhängige Verformungen aufweist. Er verhält sich dann ähnlich wie eine Flüssigkeit unter Last. Diese Eigenschaft kann durch ein Modell, das sogenannte Dämpfungselement, dar-gestellt werden.

Abbildung AN.1: Dämpfungselement

Das Dämpfungselement besteht aus einem Kolben und einem Zylinder, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die Flüssigkeit kann durch Öffnungen im Kolben aus dem Zylin-der entweichen. Damit verschiebt sich bei σ = const. der Kolben in Abhängigkeit von der Zeit.

Eine Flüssigkeit, die der folgenden Gesetzmäßigkeit folgt, heißt Newton'sche Flüssig-keit:

∫ησ

=εη

σ=ε

ε⋅η=σ ;dt;dtd;

dtd v

vv

vv

v (AN.1)

wobei σf = Spannung

t = Zeit

η = Viskosität

Die Viskosität η ist ein Maß für den Widerstand eines Werkstoffes gegen Fließen. Je höher η, um so größer ist der Widerstand gegen Fließen bzw. um so geringer ist die Fließ- bzw. viskose Verformung.

Kolben

Verformung εv

Flüssigkeit mit der Zähigkeit (Viskosität) η

- AN 2 -

Die viskosen Eigenschaften einer Newton'schen Flüssigkeit können durch die absolu-

te oder die dynamische Viskosität η in der Maßeinheit Poisse 1 P = 2

7

mm.secN10−

be-

schrieben werden.

Die dynamische Viskosität ist zwar eine Materialkenngröße. Bei manchen Werkstoffen ist sie jedoch spannungsabhängig. Sie ist immer temperaturabhängig und fällt mit steigender Temperatur:

η = f(σ) (häufig)

η = f(T) (immer)

Definition der Maßeinheit Poisse: Ein laminar strömender, homogener, isotroper Kör-per (= Newton'sche Flüssigkeit) hat die dynamische Viskosität von 1 P (1 Poisse), wenn bei einer Schubspannung von 10-5 N/cm2 ein Geschwindigkeitsgefälle von 1 cm/sec je Zentimeter auftritt.

Für die Modellvorstellung des Dämpfungselements zeigt Gleichung (AN.1), dass bei einer Newton'schen Flüssigkeit mit der Viskosität η, die durch eine konstante Span-nung σf beansprucht ist und aus einem durchlässigen Zylinder ausströmen kann, sich die Dehnung (Kolbenweg) proportional zur Zeit ändert. Bei veränderlicher Spannung ist die Spannung in der Flüssigkeit der Dehnungsänderung proportional.

Die Viskosität η ist dem E-Modul bei elastischer Verformung ähnlich, denn nach dem Hooke'schen Gesetz gilt:

σE = E.εE (Beachte: hier ist ε nicht zeitabhängig)

EE

Eσ

=ε (AN.2)

Rheologische Modelle:

Nur wenige Werkstoffe sind in ihren Eigenschaften Newton'sche Flüssigkeiten (z.B. einige Bitumenarten). Viele Werkstoffe besitzen neben viskosen (irreversible, zeitab-hängige) auch elastische (reversible) Verformungsanteile. Ihre Verformungseigen-schaften können durch erweiterte Modelle, sog. rheologische Modelle, beschrieben werden.

Die rheologischen Modelle werden häufig aus den folgenden zwei Grundelementen aufgebaut:

Kenngrößen: E-Modul E Viskosität η

(Federkonstante)

Abbildung AN.2: Grundelemente der rheologischen Modelle

Grundelemente

Feder Dämpfungselement

E

σE = E ε E

σE σV

σV = η dt

d Vε

η

- AN 3 -

Durch Kombination der Grundelemente erhält man die folgenden Modelle:

Maxwell-Modell Kelvin- oder Voigt-Modell

E

σ

σ

η

η

E

Burgers Modell

η

E1

1

22

ηE

σ

Abbildung AN.3: Maxwell-, Kelvin- (Voigt-) bzw. Burgers-Modell

Maxwell-Modell: Voigt/Kelvin-Modell:

vE σ=σ=σ vE σ+σ=σ

vE ε+ε=ε VE ε=ε=ε

Differentialgleichungen:

ησ

+σ

=ε

dtd

E1

dtd

dtdE ε

⋅η+ε⋅=σ

Beispiele: Beispiel 1: Konstante Dauerlast (Kriechen) und darauf folgende Entlastung

t = 0 t = t t

t'1

0

σσ

Abbildung AN.4: Lastgeschichte

- AN 4 -

Maxwell: Voigt / Kelvin:

Lösung der Gleichungen

Für t < t1 ist σ = σ0 = const.

tE

00 ⋅η

σ+

σ=ε

−⋅

σ=ε η

⋅−

tE0 e1

E

Für t > t1 (nach der Entlastung) ist σ0 = 0

.constt10 =

η⋅σ

=ε η⋅

−

⋅ε=εtE

1 e

t = 0 t = t 1t

ε

t = 0 t = t 1t

ε

ε1

Beim Maxwell-Modell steigt unter konstanter Dauerlast die Kriechverformung linear mit der Zeit an und bleibt nach der Entlastung konstant. Nur wenige Werkstoffe zeigen ein solches Verhalten.

Beim Voigt-Modell stellt sich bei der Belastung noch keine Verformung ein (für viele Stoffe nicht zutreffend), die Dehnung wächst aber mit der Zeit nicht linear an. Nach der Entlastung tritt eine elastische Nachwirkung, d.h. ein Rückgang der Kriechverfor-mung, ein. Für t → ∞ ist ε = 0. Die elastische Nachwirkung wird zwar bei vielen Werk-stoffen beobachtet, seltener jedoch, dass die Verformung auf Null zurückgeht. Das einfache Voigt-Modell ist daher häufig nicht wirklichkeitsnah.

Eine Kombination Maxwell-Modell + Voigt-Modell = Burgers-Modell kann jedoch zu befriedigenden Ergebnissen führen.

Für t < t1 ist

−⋅+⋅

η+⋅σ=ε η

⋅−

2

2 tE

2110 e1

E1t1

E1 . (AN.3)

Für t > t1 ist 'tEtE

2

01

1

0 2

21

2

2

ee1E

t⋅

η−⋅

η−

⋅

−⋅

σ+⋅

ησ

=ε , (AN.4)

wobei η1; E1 = Kennwerte des Maxwell-Modells

η2; E2 = Kennwerte des Voigt-Modells

t' = t - t1

Für den Fall, dass η1 = η2 und E1 = E2, gilt:

Für t < t1: te2E

0tE

0 ⋅η

σ+

−⋅

σ=ε η

⋅−

(AN.5)

Für t > t1: η⋅

−η⋅

−⋅

−⋅

σ−⋅

ησ

=ε

'1 tEtE

01

0 ee1E

t (AN.6)

- AN 5 -

Beispiel 2: ε = const; gesucht: σ (t)

t

ε

0ε

Lösung: η⋅

−⋅σ=σ

tE

0 e

t

σ

0σ

Abbildung AN.5: Relaxation nach dem Maxwell-Modell

Beachte:

Für manche Werkstoffe sind diese einfachen Modelle noch nicht ausreichend, um deren Verformungsverhalten zu beschreiben. Durch weitere Kombination von Grund-elementen und Wahl verschiedener Kenngrößen für η und E ist es jedoch möglich, mit dieser Methode das Verformungsverhalten vieler Werkstoffe zu beschreiben.

Literatur:

[AN.1] FLÜGGE, W.: Viscoelasticity, Blaisdell Publishing Company, Waltham, To-ronto, London, 1967