Hochleistungsbeton
Im Bauwesen besteht seit langem die Tendenz, Betone mit immer höherer Druckfestigkeit zu entwickeln. Zum einen stellt die Druckfestigkeit die vorrangige Bemessungsbasis für Betonkonstruktionen dar, zum anderen verbessern sich mit hohen Festigkeiten eine Reihe weiterer Eigenschaften, wie z. B. die Dichtheit oder der Widerstand gegen chemische und mechanische Beanspruchungen.
1. Definition
Aus dem Begriff „hochfester Beton“ entwickelte sich der Begriff „Hochleistungsbeton“. Hochleistungsbeton verdeutlicht, dass für viele Anwendungen die Dauerhaftigkeit des Betons ebenso interessant, wenn nicht von noch größerem Interesse als seine Druckfestigkeit ist. Da der Widerstand von Beton gegen äußere chemische oder mechanische Beanspruchungen wesentlich durch ein besonders dichtes und festes Gefüge bestimmt wird, unterscheiden sich hochfester Beton und Hochleistungsbeton aus betontechnologischer Sicht im Regelfall nicht.
| Bezeichnung | ||
|---|---|---|
| Hochfester Beton | Hochleistungsbeton | |
| Definition | Druckfestigkeitsklasse ab C55/67 | für spezielle, hohe Verarbeitungs- und Nutzungsanforderungen entwickelte Betonzusammen-setzung, z. B. für Undurchlässigkeit Widerstand gegen physikalische oder chemische Einwirkungen Festigkeit Selbstverdichtung |
| vorrangiges Einsatzgebiet | Tragfähigkeit | Dauerhaftigkeit Gebrauchstauglichkeit Verarbeitbarkeit |
| hohe Festigkeit | dichtes Gefüge |
Tafel 1: Definition von hochfestem und Hochleistungsbeton
Das Normenwerk bestehend aus DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2 erweitert die Einsatzmöglichkeiten für Hochleistungsbetone gegenüber dem früher geltenden Normenwerk deutlich. Betone bis zur Druckfestigkeitsklasse C50/60 sind Normbetone, Betone der Druckfestigkeitsklassen C55/67 bis C80/95 hochfeste Betone. Es sind nur noch für Betone der Druckfestigkeitsklassen C90/105 und C100/115 sowie für hochfeste Leichtbetone der Druckfestigkeitsklassen LC70/77 und LC80/88 eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. (siehe Auswahl des Betons).
2. Zusammensetzung
Um Hochleistungsbeton zu erhalten, ist eine Optimierung des Betongefüges erforderlich. Je nach Anwendung wird dies erreicht durch die Minimierung des Wasserzementwertes, den Einsatz leistungsfähiger Fließmittel zur Gewährleistung der Verarbeitbarkeit und die optimale Abstimmung von Gesteinskörnungs- und Zementsteineigenschaften.
2.1. Zement
Für Hochleistungsbetone können Normzemente eingesetzt werden. Die erforderlichen Zementgehalte für hochfeste Betone liegen über denen normalfester Betone, üblicherweise zwischen 380 kg/m³ und 450 kg/m³.
2.2. Gesteinskörnungen
Durch die Auswahl geeigneter Gesteinskörnungen wird die charakteristische, homogene Struktur des Hochleistungsbetons erreicht. Ziel ist es, bruchmechanische Unterschiede zwischen Gesteinskörnungen und Zementstein zu minimieren und einen optimalen Verbund zwischen Gesteinskörnungen und Zementstein zu sichern.
Bei der Auswahl der Gesteinskörnungen sind Korngrößenverteilung, Oberflächenform sowie der zulässige Mehlkorngehalt zu beachten.
2.3. Zusatzstoffe
Ein weiterer charakteristischer Unterschied in der Zusammensetzung im Vergleich zu Normalbeton ist der Zusatz von silikatischen Feinststäuben, auch Silicastaub, Mikrosilica oder Nanosilica genannt. Durch Zusatz von Mikrosilica können Druckfestigkeiten von über 100 N/mm² erreicht werden. Die Dichtheit des Gefüges wird gesteigert, der Verbund zwischen Zementstein und Gesteinskörnung verbessert. Üblich ist eine Zugabemenge bis 10 M.-%. Alternativ oder ergänzend können auch andere Mikrofüller verwendet werden, z.B. Steinmehle, Carbonstaub oder Feinstzement, gemahlene Flugasche oder Hüttensand. Prinzipiell steigt die Wirksamkeit, je feiner der Füller ist. Druckfestigkeitsklassen bis C 70/85 lassen sich bei geringen Wasserzementwerten auch ohne Mikrosilica herstellen.
2.4. Zusatzmittel
Wegen des niedrigen Wasserzementwerts von hochfestem Beton ist der Einsatz verflüssigender Zusatzmittel erforderlich. Verflüssiger und Fließmittel stellen eine weiche bis fließfähige Konsistenz des Betons her und gewährleisten die Verarbeitbarkeit auf der Baustelle.
3. Einsatzbereiche
Heute bieten sich hochfeste Betone besonders für die folgenden Einsatzbereiche an:
- druckbeanspruchte Bauteile, z. B. hoch beanspruchte Stützen, Wände
- biegebeanspruchte Bauteile, evtl. vorgespannt, mit großer Spannweite und Steifigkeit, z. B. Brückenträger, Balken, Bauteile mit hoher mechanischer und Umweltbelastung, z. B. Tunnel, Industriefußböden, Recyclingflächen, Straßen, Wasser- und Abwasserbauteile, Offshore-Bauwerke
- Bauteile zum Schutz vor umweltgefährdenden Stoffen, z. B. Auffangwannen, Chemikalienlager
- chemisch hoch beanspruchte Bauteile, z. B. Kühltürme, landwirtschaftliche Bauteile beim Angriff von Gär- und Futtersäuren, Abwasserrohre für aggressive Medien
- Verbundkonstruktionen, z. B. stahlummantelte Stützen, Verbunddecken und -träger
- Spezialkonstruktionen, z. B. Containments, Behälter, Vorpressrohre, Tresore, Schraubpfähle.
3.1. Hochbau
Die Vorteile des Hochleistungsbetons wachsen mit steigender Gebäudehöhe - im Hochhausbau gestatten es hochfeste Betone, dem bis in die 70er Jahre dominierenden Stahlskelettbau wirtschaftliche Stahlbetonlösungen entgegenzusetzen. In den Petronas Towers in Kuala-Lumpur kommt hochfester Beton zum Beispiel für aussteifende Kerne und bei den Stützen der unteren Geschosse zum Einsatz.
Daneben gestatten im Wohn- und Gewerbebau hochfeste Betone neue konstruktive und gestalterische Lösungen. Beim Musikgymnasium in Weimar z.B. ermöglichen schlanke Stützen aus B 85 (C70/85) die Ableitung der Lasten aus dem Obergeschoss. Das Erdgeschoss ist nur eingeschoben und trägt nicht mit. Sehr filigrane Bauteile werden erst durch hochfeste und fließfähige Betone ermöglicht.
3.2. Brücken
Im Brückenbau baute man in Deutschland seit 1997 zunächst vergleichsweise kleine Stahlbeton- und Spannbetonbrücken in hochfestem Beton, um Erfahrungen mit Bemessungskonzepten, Konstruktionsdetails, dem Vergabeverfahren, der Betonherstellung sowie der Bauausführung zu sammeln. Zwischenzeitlich setzt sich die Entwicklung hin zu Großbrücken fort, z. B.:
- Muldebrücke in Glauchau (2600 m³ C70/85)
- Havelbrücke in Brandenburg
- Rheinbrücke bei Kehl
3.3. Straßenbau
Im Straßenbau sind die Anforderungen an den Hochleistungsbeton etwas anders gelagert: gefordert ist hier insbesondere eine hohe Frühfestigkeit (man spricht auch von „frühhochfestem Beton“), um die Sperrfristen bei der Instandsetzung von Straßen oder Flughäfen möglichst kurz zu halten. Weitere positive Effekte beim Einsatz von hochfestem Beton: Die Dicke der Decke kann reduziert werden bzw. die Tragfähigkeit bei gleich bleibender Dicke wird erhöht. Der Belag weist einen hohen Taumittelwiderstand bei hoher Griffigkeit auf, es entstehen weniger Abrieb und keine Spurrillen. Bei der Verarbeitung ist allerdings zu beachten, dass die notwendige Oberflächenebenheit erreicht wird. Hierzu kommen Längs- und Querglätter zum Einsatz.
3.4. Offshore-Bauwerke
Seit Anfang der 1980er Jahre kommt Beton bei Tragwerkskonstruktionen für Ölplattformen zum Einsatz. Diese Offshore-Bauwerke unterliegen extremen dynamischen Beanspruchungen durch Meerwasser, Strömungen und Wellengang. Die Vorteile gegenüber Stahl oder normalfestem Beton liegen vor allem in der Dauerhaftigkeit gegenüber extremen Beanspruchungen durch Meer und Wetter, im hohen Widerstand gegen Chlorideindringung und im verringerten Eigengewicht des Konstruktion.
4. Ausblick
Mörtel und Betone mit Druckfestigkeiten zwischen 150 N/mm² und 800 N/mm² und Biegezugfestigkeiten bis 50 N/mm² (so genannte Ultrahochfeste Betone oder Pulverbetone, engl.: Reactive Powder Concrete) werden bereits in der Praxis eingesetzt. Ein erstes Beispiel war die 2006 in Kassel aus UHPC gebaute Gärtnerplatzbrücke, eine Fußgängerbrücke über die Fulda, die auch heute noch im Einsatz ist. Im Sommer 2018 musste bei der Erneuerung der 1929 gebauten Eisenbahnbrücke über den Dürnbach in Gmund am Tegernsee aufgrund regelmäßiger Hochwasserereignisse ein größerer Durchflussquerschnitt erreicht werden. Die Ausführung mit einem stahlfaserbewehrten UHPC ermöglichte eine im Vergleich zu einer konventionellen Lösung deutlich geringere Konstruktionshöhe. Führende Baustoffhersteller bieten mittlerweile Compounds für die zielsichere Herstellung von UHPC an, so dass mit einer Ausweitung der Einsatzbereiche dieses innovativen Baustoffs zu rechnen ist.
Beim Einsatz von Hochleistungsbetonen sollte aber immer bedacht werden, dass konstruktiver, betontechnologischer und ausführungstechnischer Sachverstand unabdingbar ist, um diese Betone erfolgreich einzusetzen.
