RM Rudolf Müller
Treppe aus ultrahochfestem Beton

Der Betonhersteller Dyckerhoff präsentierte auf der BAU 2011 eine filigrane, selbsttragende Treppe aus ultrahochfestem Beton. Jede der nur 29 mm dicken Stufen hält Auflasten bis zu 100 kg stand.

Grundstoffe des Bauens
25. Februar 2014 | Artikel teilen Artikel teilen

Hart wie Stahl: Betonforschung arbeitet an festeren Materialien

Kein anderer Baustoff wird weltweit in so riesigen Mengen verarbeitet wie Beton. Dabei sollte der Massenbaustoff lange Zeit vor allem auch möglichst billig sein. Von Dauerhaftigkeit war seltener die Rede. Erst in jüngerer Zeit setzt ein Umdenken ein. Immer häufiger kommen nun “hochfeste“ oder sogar “ultrahochfeste“ Betone zum Einsatz, die eine extreme Festigkeit aufweisen und damit voraussichtlich auch viel langlebiger sein werden als die Mischungen, die insbesondere im 20. Jahrhundert verbaut wurden.

Wie Ihr im Fachwissen-Beitrag zur Geschichte des Betons nachlesen könnt, haben bereits die Römer vor zweitausend Jahren mit Beton gebaut, und manche dieser Bauwerke sind bis heute erhalten. Da verwundert es schon, dass in der heutigen DIN EN 206-1 Anforderungen an Beton definiert werden, denen eine Nutzungsdauer von nur “mindestens 50 Jahren“ zugrunde liegt. Das bedeutet zwar nicht, dass Tragwerke aus Beton nach einem halben Jahrhundert grundsätzlich zusammenbrechen müssen, aber es zeigt schon, dass man an modernen Beton lange Zeit nur relativ geringe Anforderungen gestellt hat. Obwohl doch aus der Historie bekannt war, dass auch weitaus langlebigere Betone herstellbar sind.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Erst seit rund zehn Jahren hört man vermehrt von modernen Bauwerken, die mit außergewöhnlich festen und damit auch langlebigeren Betonen errichtet werden. Sie kommen beispielsweise für Gebäude mit stark druckbeanspruchten Stützen oder Wänden zum Einsatz. Ultrahochfeste Betone werden zudem gerne für Wasserbauwerke eingesetzt: von der einfachen Brücke bis hin zu den riesigen Stützpfeilern der Ölplattformen auf offenem Meer. Neben der Tragfähigkeit ist hier insbesondere die hohe Dichtigkeit der Baustoffe von Vorteil. Diese macht sie besonders unempfindlich gegen das Eindringen von Wasser und Chemikalien aller Art. Die hohe Dichte des Betongefüges sorgt also dafür, dass Fremdstoffe aus der Umwelt, die traditionell die Langlebigkeit von Beton negativ beeinflussen, gar nicht erst in das Material eindringen können.

Die sehr hohe Druckfestigkeit von ultrahochfestem Beton ist für viele Bauwerke auch deshalb interessant, weil sie, bei gleicher Tragfähigkeit wie Normalbeton, weitaus schlankere und leichtere Bauteile ermöglicht. Betonbauten müssen also nicht “klotzig“ sein.

Druckfest und langlebig

Von einem hochfesten Beton spricht man, wenn das gehärtete Material eine Druckfestigkeit von über 60 N/mm² hat. Bei Werten über 150 N/mm² hat sich die Bezeichnung ultrahochfester Beton eingebürgert. Dieser ist praktisch so fest wie Stahl und vermutlich wesentlich dauerhafter als Normalbeton. Genaueres lässt sich dazu natürlich noch nicht sagen. Das wird erst die Zeit zeigen.
Betone mit Druckfestigkeiten bis zu 250 N/mm² werden heute bereits hergestellt. Diese halten Belastungen bis zu stolzen 2,5 Tonnen pro Quadratzentimeter stand. Zur Erläuterung: Die Zahlen beziehen sich auf die Messung der Druckfestigkeit nach DIN 1045. Dabei werden Betonproben in Form eines 30 cm langen Zylinders mit 15 cm Durchmesser sowie eines Probewürfels mit 15 cm Kantenlänge getestet (siehe Fachwissen-Beitrag Betoneigenschaften). In Texten zur Betonforschung liest man zuweilen sogar von möglichen Betonfestigkeiten bis zu 800 N/mm². Das mag im Labor bereits Wirklichkeit sein, entspricht aber derzeit noch nicht dem Stand der Technik.

Zusammensetzung

ultrahochfester Beton

Für den Bau der 2007 eröffneten Gärtnerplatzbrücke in Kassel wurde ultrahochfester Beton mit einer Druckfestigkeit von rund 165 N/mm² verwendet.

Herkömmlicher Beton ist ein Drei-Stoff-System: Er besteht aus Zement, Gesteinskörnung und Wasser. Bei hochfestem und ultrahochfestem Beton gibt es zwei weitere Zutaten: silikatischer Feinstaub und Fließmittel. Außerdem ist der Wasserzementwert niedriger als bei Normalbeton. Es wird also bei gegebener Zementmenge weniger Wasser beigemischt. Bei normalfesten Betonen beträgt die Wassermenge das 0,5- bis 0,7-fache der Zementmenge, bei der hochfesten Variante ist es nur das 0,35- bis 0,25-fache.

Fließmittel müssen hinzu gegeben werden, weil der Beton ansonsten aufgrund der relativ geringen Wassermenge nur schwer zu verarbeiten wäre. Der silikatische Feinstaub wiederum hat die Aufgabe, die Dichtheit des Betongefüges zu steigern. Dies wird ferner dadurch erreicht, dass man für hochfeste Betone gezielt Gesteinskörnungen von etwa gleicher Größe auswählt. Zugleich werden oft Spezialzemente verwendet, die besonders fein gemahlen sind. Die angesprochenen Silikapartikel sind deutlich kleiner als herkömmliche Zementkörner und tragen deshalb entscheidend zur hohen Verdichtung bei. Sie können alternativ auch durch Stoffe wie Steinmehle, Carbonstaub, gemahlene Flugasche oder Hüttensand ersetzt werden.

Nachteile

Bei allem Jubel über die heute möglichen Druckfestigkeiten sollte man nicht vergessen, dass selbst mit ultrahochfestem Beton eine alte Schwäche des Baustoffs nicht überwunden wird. Zwar sind heute Zugfestigkeiten von bis zu 50 N/mm² möglich, aber hier ist Stahl immer noch klar im Vorteil. Natürlich sind 50 N/mm² schon ein großer Fortschritt. Schließlich liegt die mittlere Zugfestigkeit von Normalbeton nach DIN 1045 nur zwischen 1,6 und 5,2 N/mm². Aber herkömmlicher Baustahl hat eine Zugfestigkeit zwischen 310 und 630 N/mm². Das ist dann doch ein gutes Stück mehr.

Außerdem hat die hohe Festigkeit der neuen Betone einen weiteren Nachteil: Das Material ist nämlich noch spröder als Normalbeton und damit im geringeren Maße plastisch verformbar, ohne dass es zur Rissbildung kommt. Ultrahochfester Beton wird deshalb meist als Faserbeton verbaut. Die Fasern mildern die Sprödigkeit des Materials. Wie im Fachwissen-Beitrag zum Thema Faserbeton erläutert wurde, haben Kunststofffasern zudem oft den Zweck, die Brandschutzeigenschaften von festem Beton zu verbessern. Denn das besonders dichte Gefüge würde sonst im Brandfall das Entweichen von Wasserdampf aus dem Beton stark behindern. Und dadurch drohen dann plötzliche Abplatzungen an der Oberfläche.



Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: rgrimm1968@aol.com

 

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