Beton

Bei vielen Bau- und Gartenprojekten ist Beton ein unerlässlicher Baustoff. Mit dem folgenden Artikel möchten wir nicht nur auf die Geschichte des Betons eingehen, sondern auch aufzeigen, woraus Beton besteht und wie er eingesetzt werden kann.

Was ist Beton?

In trockenem Zustand handelt es sich bei Beton um einen sehr harten und festen Baustoff. Sogenannter Normalbeton wird aus den Ausgangsstoffen Wasser, Zement, verschiedenen Gesteinskörnungen wie zum Beispiel Sand hergestellt. Durch das Zugabewasser wird der chemische Abbindevorgang (Erhärtung) eingeleitet. Um die Verarbeitbarkeit zu verbessern und bestimmte Eigenschaften zu erzielen, werden oft Betonzusatzstoffe oder Betonzusatzmittel beigemischt. Zum größten Teil wird das zugefügte Wasser chemisch gebunden, weshalb die Trocknung des Gemischs erst nach der Erhärtung erfolgen darf.

Frischer Beton wird auch als Zweistoffsystem aus flüssigem Zementleim und einem festen Zuschlag bezeichnet. Durch den Zementleim wird der Zementstein gehärtet. Die sogenannte Matrix umgibt dabei die Gesteinskörnung.

Ausgehärteter Beton wird sehr oft auch als Kunststein bezeichnet.

Beton kann verschiedentlich eingesetzt werden:

• Hochbau (Industriebau, Skelettbau, Plattenbau, Wohnungsbau, Kühltürme)

• Tiefbau (Tunnel, Rohre, Schlitzwände, Pfähle)

• Verkehrsbau (Straßen, Brücken, Rollfelder)

• Wasserbau (Staumauern, Hafenanlagen, Schleusen, Molen, Unterwasserbau)

• Allgemein (Fundamente, Wände, Balken, Decken, Stützen)

Geschichte des Betons

Schon vor rund 10.000 Jahren wurde laut Lexikon an alten Bauwerksresten in der heutigen Türkei Kalkmörtel als Bindemittel eingesetzt. Auch beim Bau der Pyramiden wurden von den Ägyptern Kalk verwendet.

Bereits 3000 v. Chr. wurden in Karthago und Kampanien eine Betonmischung aus Ziegelsplittern und Zement entwickelt. Erstmals wurde diese Mischung zu Ende des Zweiten Punischen Krieges zum Bau von Wohngebäuden in Rom eingesetzt. Die Römer haben aus dieser Betonmischung Zement und Ziegelsplitter in der Folge das Opus caementitium entwickelt. Daraus wurde später das Wort Zement abgeleitet. Die Baustoffe aus gebranntem Kalk, Sand und Wasser werden mit Ziegelmehl und Vulkanasche gemischt und als römischer Beton oder Kalkbeton bezeichnet.  Der Baustoff zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit aus. Unter anderem wurden damit die Kuppel des Pantheons in Rom und einige Aquädukte hergestellt. Die Kuppel des Pantheons hat einen Durchmesser von 43 m und ist heute noch erhalten.

Von den Römern wurde eine Verbesserung entwickelt, indem inerte Zuschlagstoffe, welche aus Resten von gebranntem Ziegelmaterial bestanden, dazu gemischt. Dadurch entstand die Eigenschaft, dass die Baustoffe bei Temperaturveränderungen keine Risse bekommt. Noch heute kann dies in Nordafrika beobachtet werden. Es wurden etwa 200 bis 300 n. Chr. große Estrichflächen errichtet, die bis heute trotz großer Temperaturschwankungen frei von Rissen sind.

In der Neuzeit wurde der Begriff Beton vom französischen béton übernommen, welches vom lateinischen bitumen (schlammiger Sand, Erdharz) abgeleitet ist.

1755 begann der Engländer John Smeaton mit der Entwicklung von Beton. Auf der Suche nach einem wasserbeständigen Mörtel führte er verschiedene Versuche unter anderem mit gebrannten Kalken und Tonen. Durch. Dabei stellte er fest, dass ein bestimmter Anteil an Ton nötig ist, um einen selbst erhärtenden hydraulischen Kalk herzustellen.

Durch die folgenden 3 Erfindungen wurde der moderne Betonbau eingeläutet:

• Roman-Zement durch den Engländer J. Parker im Jahre 1796

• Künstlicher hydraulischer Kalk durch Louis-Joseph Vicat im Jahre 1818

• Portland-Zement durch Joseph Aspdin im Jahre 1824

In der Anfangszeit wurde der Beton noch nicht armiert, sondern als Stampfbeton verwendet – ähnlich wie beim Pissébau. Das älteste und noch erhaltene Gebäude mit dieser Technik ist die Villa Lebrun in Marssac-sur-Tarn. Diese wurde vom Bauingenieur Francois Martin Lebrun für seinen Bruder gebaut.

In Deutschland entstanden Mitte des 19. Jahrhunderts die ersten aus Beton errichteten Wohngebäude wie zum Beispiel das Bahnwärterhäuschen der Oberschwäbischen Eisenbahn, verschiedene Mietshäuser in Berlin Victoriastadt und die Villa Merkel.

Für einen wesentlichen Entwicklungssprung sorgte die Erfindung des Stahlbetons durch Joseph Monier. Dadurch wurde die Herstellung von auf Zug belasteter Bauelemente möglich, wie zum Beispiel Platten und Unterzüge. Bewehrungsstahl oder Betonstahl wird daher auch heute noch als Moniereisen bezeichnet.

In der zeitgenössischen Kunst wird Beton (Kunststein) auf für Denkmäler und Skulpturen verwendet.

Herstellung des Betons

Beton wird aus Zement (Kalkstein und Ton) und aus Sand oder Kies (Gesteinskörnung) in einer bestimmten Zusammensetzung hergestellt. Durch die Zusammensetzung von Wasser und Zement wird die Gesteinskörnung verbunden. Dadurch erhält Beton seine Festigkeit.

Zu Anfang ist Beton in seinem breiartigen Zustand beliebig formbar und gewinnt erst durch die Erhärtung an Druckfestigkeit.

Zusammensetzung des Betons

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Beton um einen künstlich hergestellten Stein aus einem Gemisch von Wasser, Zement und einer Gesteinskörnung. Entscheidend für die Qualität des Betons ist die Zusammensetzung der einzelnen Komponenten und ihrem optimalen Verhältnis zueinander.

Schauen wir uns einen Kubikmeter Festbeton an. Dieser wiegt rund 2.450 kg. Anhand seiner Gewichtsanteile besteht er zu 13/16 Sand und Kies, 2/16 Zement und 1/16 Wasser.

Wasser-Zement-Wert

Der Wasser-Zement-Wert (w/z-Wert) wird auch als Wasser-Bindemittel-Wert (W/B-Wert) bezeichnet. Beim w/z—Wert handelt es sich um das Verhältnis zwischen Masse des wirksamen Wassers und der Masse des Bindemittels. Der w/z-Wert ist für die Dichtigkeit und die Festigkeit von großer Bedeutung. Die Dauerhaftigkeit des Betons, der korrosiven Einflüssen ausgesetzt ist, hängt von der Dichtigkeit ab. Insbesondere trifft dies auf Stahlbeton zu, der der Witterung ausgesetzt ist, aber auch Grundwasser kann korrosive Stoffe enthalten.

Geregelt wird der Wasser-Zement-Wert nach DIN 206-1. Für bewehrte Betone beträgt dieser Wert zwischen 0,45 und 0,75. Ist der Wert zu hoch, dann wirkt sich dies auf die Betoneigenschaften aus. Überschüssiges Wasser wird nicht gebunden und wandert aufgrund der relativen Luftfeuchtigkeit an die Oberfläche.

Konsistenz des Frischbetons

Mit der Konsistenz wird angegeben, wie fließfähig bzw. wie steif der Frischbeton ist. Bereits vor Baubeginn muss die Konsistenz des Frischbetons festgelegt werden und ist während der gesamten Bauausführung einzuhalten.

Genormte Konsistenzbereiche reichen von sehr steif über plastisch, weich, sehr weich bis zu sehr fließfähig. Dies wird in der deutschen Norm DIN 1045 bzw. in der europäischen Norm EN 206 definiert.

Einbau und Verdichtung

Nach dem Mischen bzw. der Anlieferung muss Beton schnellstmöglich eingebaut oder mit den geeigneten Geräten verdichtet werden. Damit ein dichtes Betongefüge mit wenig Luftporen entsteht, müssen durch das Verdichten die Lufteinschlüsse ausgetrieben werden. Geeignete Verdichtungsverfahren je nach Einbaumethode und Betonkonsistenz sind rütteln, schleudern, stampfen, stochern, spritzen und walzen. Auf Baustellen im Hochbau kommt meistens der Innenrüttler (Tauchrüttler, Flaschenrüttler) zum Einsatz. Bei hohen Bauteilen oder einer sehr engen Bewehrung kann auch der Außenrüttler (Schalungsrüttler) zum Einsatz kommen. Die Verdichtung bei Beton für Straßen oder für Hallenböden erfolgt mit Rüttelbohlen. In Fertigteilwerken kommen Rütteltische zum Einsatz.

Schon beim Einbau muss darauf geachtet werden, dass der Beton nicht entmischt wird. Es dürfen sich keine größeren Körner unten absetzen oder an der Oberfläche eine Wasserzementschicht bilden. Aus diesem Grund darf Fischbeton niemals aus großer Höhe in die Schalung fallen. Er muss durch Rutschen oder mittels Fallrohre bzw. Schläuche in die Schalung geleitet werden. Die maximale Fallhöhe von Beton darf 1,5 m nicht überschreiten. Damit der Beton später gut verdichtet werden kann, darf Beton höchstens in Lagen von 50 cm eingebaut werden. Erst, wenn diese Lage verdichtet ist, darf die Nächste folgen.

Des Weiteren muss beim Einbau die Betontemperatur zwischen +5 und + 30 Grad liegen. Ist dies nicht gewährleistet, sind weitere Maßnahmen nötig. Im Winter wird zum Beispiel die Schalung mit Gebläsen beheizt. Im Sommer muss der Frischbeton eventuell gekühlt werden.

Schutz der Betonoberfläche

Gegen eine frühzeitige Austrocknung muss die Betonoberfläche geschützt werden. Nur so kann dauerhaft eine rissfreie und dichte Betonoberfläche garantiert werden. Dies bedeutet, dass die Hydration des Betons nur in einem feuchten Milieu stattfinden darf.

Durch Wind oder Sonneneinstrahlung trocknet die Oberfläche zu schnell ab. Damit es im Sommer nicht zu Schwindrissen kommt, muss der Beton über mehrere Tage feucht gehalten werden. Dies geschieht durch regelmäßiges Besprühen mit Wasser oder fluten. Alternativ ist auch das Belassen der Schalung, die die Oberfläche des Betons abdeckt, möglich. Im Winter muss die Oberfläche zusätzlich vor Frost geschützt werden.

Je nach Eigenschaft des Frischbetons und den Umweltbedingungen kann sich der Schutz der Betonoberfläche zwischen einem Tag und mehreren Wochen hinziehen. Die Schutzmaßnahmen sollten so schnell als möglich begonnen und möglichst lange beibehalten werden.

Mittels einer Messung des Kapillardrucks vom Beton können Rückschlüsse auf die nötige Wassermenge bis zur Aushärtung gezogen werden.

Eigenschaften des Festbetons

Beton gilt als vielseitig einsetzbarer Baustoff. Gerade wegen seiner besonderen Eigenschaften kann Beton nicht nur die optischen, sondern auch die statischen und bauphysikalischen Anforderungen komplett erfüllen. Gerade deshalb ist es möglich, dass Gebäude komplett aus Beton hergestellt werden können.

Druckfestigkeit

Die wohl wichtigste Eigenschaft von Beton ist die Druckfestigkeit. Mit speziell hergestellten Probekörpern wird in einem Druckversuch die Druckfestigkeit ermittelt. Es handelt sich bei diesen Probekörpern um Betonwürfel mit einer Kantenlänge von 15 cm oder um Betonzylinder mit einer Länge von 30 cm und einem Durchmesser von 15 cm. 28 Tage nachdem die Probekörper hergestellt wurden, erfolgt die Druckprüfung, die Beurteilung und die Zuordnung in die jeweiligen Festigkeitsklassen nach DIN EN 206.

Elastizitätsmodul

Dieses hängt in hohem Maße von den Betonzuschlägen ab, die verwendet wurden. Bei den Betonfestigkeitsklassen C12/15 bis C50/60 gelten die Werte 27.000 N/mm² und 37.000 N/mm².

Rohdichte

Die ist abhängig vom Zuschlag. Die Trockenrohdichte bei Normalbeton liegt zwischen 2.000 und 2.600 kg/m³. Sehr oft werden 2.400 kg/m³ angesetzt. Beton mit einer Rohdichte von mehr als 2.600 kg/m³ wird als Schwerbeton bezeichnet. Im Gegensatz ist Beton mit weniger als 2.000 kg/m³ Leichtbeton. Dieser wiederum hat porige Leichtzuschläge ähnlich wie Bims oder Blähton und wird in die Rohdichteklassen 1,0 – 1,2 – 1,4 – 1,6 – 1,8 2,0 eingeteilt. Diese entsprechen Rohdichten von 1.000 bis 2.000 kg/m³.

Verbundzone

Bei einer Schwachstelle im hydratisierten Beton wird von Verbundzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung gesprochen. Es können sich durch eine Ansammlung von Ettrigit und Portlandit an den Rändern der Gesteinskörner keine verfestigten CSH-Phasen bilden. Die Folge ist eine verringerte Festigkeit in diesem Bereich.

Porosität

Die Porosität ist ein wichtiges Qualitätskriterium für Beton. Es gibt verschiedene Arten von Poren, die sich stark in Entstehung und Auswirkung unterscheiden. Mit steigender Kapillar-, Luft und Verdichtungsporosität sinkt die Festigkeit proportional. Somit ist auch eine Verringerung des Elastizitätsmodul nachzuweisen.  

Folgende Arten von Poren werden unterschieden:

• Gelporen (Durchmesser ca. 0,1 – 10 nm)

• Schrumpfporen (Durchmesser ca. 10 nm)

• Kapillarporen (Durchmesser ca. 10  – 100 µm)

• Luftporen (Durchmesser ca. 1 µm – 1 mm)

• Verdichtungsporen (Durchmesser > 1 mm)

Betonarten

Die verschiedenen Arten von Beton werden unterschieden nach

• Druckfestigkeit – bezieht sich auf die nach 28 Tagen erreichte Zementhydratation

• Einsatzbereich – je nach Beanspruchung muss Beton durch seine Beschaffenheit seiner Bestimmung gerecht werden

• Rohdichte – je nach Anwendung unterscheidet sich die Rohdichte von Beton

• Verarbeitung – wird je nach Eigenschaft bzw. Anwendungsbereich des Betons eingeteilt

Des Weiteren wird unterschieden in:

• Dämmbeton

• Dränbeton

• Faserbeton

• Feuerbeton

• Frischbeton

• Infraleichtbeton

• Leicht verarbeitbarer Beton (LVB)

• Leichtbeton

• Lichtdurchlässiger Beton

• Normalbeton

• Recyclingbeton

• Schleuderbeton

• Schwerbeton

• Selbstreinigender Beton

• Selbstverdichtender beton (SVB)

• Sichtbeton

• Spannbeton

• Stampfbeton

• Textilbeton

Wie kann ich Beton selber mischen?

Wie bereits erwähnt sind die zentralen Bestandteile des Beton Sand oder Kies, Zement und Wasser. Um Beton selbst anzumischen, muss das richtige Verhältnis aller Komponenten stimmen. Dabei ist die endgültige Menge Beton davon abhängig, welches Projekt damit realisiert werden soll. Aus diesem Grund ist die Planung im Vorfeld wichtig.

Im Folgenden möchten wir aufzeigen, wie der Bedarf an Beton kalkuliert wird, wie sich das Mischungsverhältnis zusammensetzt und welche Schritte der Reihe nach nötig sind.

Menge festlegen

Mehr als 45 l Beton werden als große Mengen bezeichnet. Diese werden für den Bau von Fundamenten zum Beispiel bei einer Mauer benötigt. Neben den Komponenten kommen eine Schubkarre, Schaufel und ein Betonmischer zum Einsatz.

Für mittlere Mengen bis rund 12 l reichen Mörtelmixer, Mörtelkübel, Schaufel und ein Eimer Wasser. Damit kann ausreichend Beton angemischt werden, um zum Beispiel einzelne Pfosten zu setzen.

Weniger als 12 l werden als kleine Mengen bezeichnet. Solche Mengen lassen sich problemlos mit einer Kelle in einem Baueimer anrühren. Mit dieser Menge Beton lassen sich kleinere Flächen ausbessern.  

Zusätzlich können wir folgenden Tipp geben. Werden geringe Mengen Beton benötigt, kann mit einer Fertigmischung Betonestrich (Ruck-Zuck-Beton) viel Zeit und Aufwand gespart werden. Bei einer solchen Fertigmischung muss nur noch die benötigte Wassermenge dazugegeben werden. Anschließend muss so lange durchgerührt werden, bis keine trockenen Anteile mehr zu erkennen sind.

Mischungsverhältnis festlegen

Bevor mit dem Mischen der Komponenten begonnen wird, sollten alle Hilfsmittel bereitgelegt werden.

Zement und Wasser werden mit Sand mit einer Körnung bis 2 mm oder Kies mit einer Körnung bis 32 mm vermischt. Dabei liegt das Verhältnis zwischen Zement und Sand oder Kies bei 1 : 4. Als Faustregel kann hierbei gesagt werden, je mehr Zement zum Einsatz kommt, umso härter wird der Beton. Für die meisten Projekte im Garten reicht die Feuchtigkeitsklasse C12/15 vollkommen aus.

Das richtige Mischungsverhältnis ist bei Beton sehr wichtig, sodass auf eine Einheit Zement vier Einheiten Sand oder Kies kommen. Dies bedeutet: eine Schaufel Zement und vier Schaufeln Sand oder Kies. Wasser wird nach Bedarf dazu gemischt. Durch die Wassermenge wird die spätere Konsistenz des Betons festgelegt. Je mehr Wasser, umso breiiger wird der Beton. Fundamente lassen sich damit leicht gießen. Mit weniger Wasser entsteht ein erdfeuchter Beton, der sich gut eignet, wenn eine Rückenstütze für einen Kantenstein gezogen werden muss.

Beton mischen

Wichtig ist, dass Zement mit Wasser und der nötigen Menge Sand oder Kies so lange gemischt wird, bis die gewünschte Festigkeit erreicht wird.

Putzkelle und Eimer für Kleinere Mengen Beton

1. Kies oder Sand und Zement in der benötigten Menge in einen Baueimer geben und mit der Putzkelle vermischen.

2. Danach langsam Wasser zugießen. Die Menge kann entsprechend erhöht werden.

3. Alles mit der Putzkelle vermengen, bis die gewünschte Konsistenz erreicht ist.

Mörtelmixer für Mittlere Mengen Beton

1. Entsprechende Menge Kies oder Sand mit Zement in einen Mörtelkübel geben und mit einem Mörtelmixer vermischen.

2. Langsam Wasser hinzugeben. Menge kann entsprechend angepasst werden.

3. Alles mit dem Mörtelmixer vermischen, bis die gewünschte Konsistenz erreicht ist.

Betonmischer für große Mengen Beton

1. Mischer durch Betätigen des Start-Knopfs anlaufen lassen.

2. Vier Einheiten Kies hineingeben.

3. Eine Einheit Zement dazugeben.

4. Wasser portionsweise dazu mischen, bis die Masse eine leicht glänzende Konsistenz bekommt.

Geräte richtig Reinigen

Sind alle Betonarbeiten erledigt, dann sollten alle Arbeitsgeräte gründlich mit Wasser gereinigt werden. Der Beton sollte nach Möglichkeit nicht aushärten. Arbeitskleidung sollte möglichst direkt nach den Arbeiten in Wasser eingeweicht werden. Ist der Beton erst einmal ausgehärtet, dann lässt er sich nur noch schwer von Werkzeugen und von der Arbeitskleidung entfernen.

Betonreste können über die Restmülltonne entsorgt werden. Ist eine Tragschicht geplant, können die Reste des Beton auch dort untergemischt werden.

Beton und Umweltschutz

Beton ist nicht nur praktisch, sondern auch ein Klimasünder. Von den mehr als 33 Millionen Tonnen Beton, die pro Jahr produziert werden, stammen rund 10 % des Kohlendioxid des Menschen von der Betonherstellung. Das ist in etwa 3-mal so viel wie beim Flugverkehr produziert wird. Beton wird durch den verwendeten Zement erst zum Klimasünder, denn mehr als 98 % der CO2-Emissionen des Betons entstehen bei der Herstellung von Zement. Zement benötigt bei seiner Herstellung in den Drehrohrröfen bei 1.450 Grad sehr viel Energie.

Fazit zum Beton

Beton besteht in erster Linie aus Wasser, Zement und entsprechenden Zuschlagstoffen wie Sand oder Kies. Durch Zusatzstoffe und Zusatzmittel können bestimmte Eigenschaften des Betons erzielt werden. Durch das Verhältnis von Wasser und Zement wird der w/z-Wert Beton ermittelt. Wasser darf dabei jedoch nicht eigenmächtig erhöht werden, denn dies führt zu Einbußen bei der Betonqualität. Beton wird in 7 Festigkeitsklassen eingeteilt. Dabei wird Beton in 4 Konsistenzbereichen von steif bis fließfähig hergestellt. Sowohl bei Heimwerkern als auch in großen Mengen in der Industrie findet Beton seine Einsatzbereiche.