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Noch nicht zu Ende erfunden

Ultrahochfester Beton, Infraleichtbeton, Textilbeton und Recyclingbeton
Noch nicht zu Ende erfunden

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Beton ist ein bewährter, aber offenbar noch lange nicht „zu Ende erfundener“ Baustoff. Ultrahochfester Beton, Infraleichtbeton, Textilbeton und Recyclingbeton sind wichtige Stichworte der Weiterentwicklung zum schlanken, energieeffizienten und nachhaltigen Bauen mit Beton, das künftig auch die architektonische Formensprache verändern kann.

Anforderung:

Verringerung der Dimensionen von energieeffizienten Betonbauteilen für filigran wirkende Konstruktionen

Lösung:

Hochfeste und ultrahochfeste Betone mit entsprechenden Druck- und Zugfestigkeiten


Markus Hoeft

Es gibt eine ganze Reihe von Gründen, warum Beton zum maßgeblichen Baustoff des 20. Jahrhunderts wurde. Aus ingenieurtechnischer Sicht gehört dazu sicherlich seine enorme Druckfestigkeit, während er architektonisch vor allem durch seine sehr freie Gestaltbarkeit überzeugt. Die Form eines Bauteils lässt sich sehr variabel wählen und wird faktisch nur durch die Fähigkeiten des Schalungsbaus sowie die erforderliche Mindestdeckung der Stahlbewehrung begrenzt. Unter Ausnutzung dieser ingenieurtechnischen und architektonischen Vorteile sind in früheren Jahrzehnten aus dem, was wir heute Normalbeton nennen, eine Fülle von Bauwerken entstanden, von denen einige bis heute gestalterisch sehr beeindrucken können.

Bei aller Begeisterung über die Möglichkeiten und Formen, die Beton über den Holz-, Mauerwerks- und Stahlbau hinaus eröffnet hat, zeigen viele der früheren Bauten aber auch die Grenzen von normalem Stahlbeton auf. So ist er nicht nur im technischen Sinne des Wortes ein Massivbaustoff, sondern kann auch ästhetisch in vielen Situationen schwer und massig wirken. Bauteilen aus Normalbeton fehlen dadurch oft Eigenschaften wie Eleganz oder sogar Filigranität. Auch zusätzliche – über die reine Tragwirkung hinausgehende – Funktionen ließen sich für die Architektenkollegen des 20. Jahrhunderts gar nicht oder nur unter großem Aufwand im Bauteil aus normalem Stahlbeton integrieren.

Der Verweis auf diese Beschränkungen soll nicht den architektonischen Wert des Baustoffs Beton herabsetzen und schon gar nicht die Arbeit früherer Architekten schmälern, die ja mit dem etwas widerspenstig-massiven Material teilweise sehr elegant-leichte Konstruktionen, beispielsweise mit Schalentragwerken, entwickelt haben. Der Verweis auf die Beschränkungen soll lediglich zeigen, wo der normale Stahlbeton Bedarf an Forschung und Weiterentwicklung hat. Dabei geht es zum einen um die Verringerung der Dimension von Betonbauteilen, die den Weg zu schlanken, optisch leicht wirkenden Konstruktionen ebnen. Zum anderen geht es um die Integration zusätzlicher Funktionen in die Massivbauteile, um den Baustoff Beton fit zu machen für das energetisch anspruchsvolle, funktionsintegrierte und von höheren Vorfertigungsgraden gekennzeichnete Bauen des 21. Jahrhunderts.

Mit den vorwiegend ästhetisch motivierten Funktionserweiterungen des Foto- und Lichtbetons sowie den räumlichen Betonstrukturen aus dem 3D-Drucker hat sich bereits der bba-Artikel „Aus der Tiefe des Materials“ in Heft 6/2019 beschäftigt. In diesem Beitrag soll es nun vor allem um technisch orientierte Weiterentwicklungen gehen, mit deren Hilfe Beton zum Baustoff auch des 21. Jahrhunderts werden kann – dann allerdings weniger in Form des normalen Stahlbetons, sondern etwa als ultrafester, infraleichter, faserbewehrter und/oder wärmedämmender Hochleistungsbeton.

Hochfest und ultrahochfest

Sehr deutlich lässt sich das Streben nach verringerter Dimension an der Entwicklung der hochfesten und ultrahochfesten Betone ablesen, die oft auch als HPC oder UHCP abgekürzt werden. Sie erreichen ihre hohe Druckfestigkeit durch eine Optimierung des Betongefüges, eine Minimierung des Wasserzementwertes und/oder eine spezielle Auswahl der Gesteinskörnungen und der Zementeigenschaften. Maßgeblich für die Einteilung ist vor allem die Druckfestigkeit, mit der zusammen in der Regel auch die Zugfestigkeit ansteigt, was die Möglichkeiten nicht nur für schlanke, sondern auch für filigran geformte Bauteile erweitert.

Unter Normalbeton wird heute der Bereich bis zur Druckfestigkeitsklasse C50/60 nach DIN EN 206–1 bzw. der aktuellen DIN 1045–2 verstanden. Nach der früheren Nomenklatur würde dies sozusagen B60 entsprechen, auch wenn es diese Klasse in der alten Norm nicht gab. Darüber, also ab Druckfestigkeitsklasse C55/67, beginnen die hochfesten Betone (HCP), die bis C100/115 normiert sind, aber teilweise schon bauaufsichtliche Zulassungen oder Zustimmungen im Einzelfall benötigen. Die Grenze zum ultrahochfesten Beton (UHCP) ist nicht eindeutig definiert, wird aber meist bei Druckfestigkeiten ab 150 N/mm² aufwärts angesetzt.

Hochfeste Betone werden oft unter Zugabe von silikatischen Feinststäuben (Mikrosilicia, auch Nanosilicia) hergestellt, deren Einsatz zu einer deutlichen Verteuerung des Betons führt. Außerdem werden im Hochleistungsbereich Partner mit hohem betontechnologischen und ausführungstechnischen Sachverstand benötigt. Es handelt sich also sowohl wirtschaftlich als auch technisch (noch?) nicht um eine Standardbauweise, aber um eine Erfolg versprechende Möglichkeit bei der Dimensionsreduktion von Betonbauteilen in bestimmten Situationen.

Textil-Beton

Solange innovative Betone jedoch mit einer konventionellen Stahlbewehrung kombiniert werden, bleibt das Problem der Mindestüberdeckung der Bewehrung erhalten, was die eben gewonnene Filigranität wieder begrenzt. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bieten Betone mit konstruktiver Faserbewehrung, die heute meist unter dem treffenderen Begriff Textilbeton zusammengefasst werden. Wurden anfangs tatsächlich noch geschnittene Fasern aus alkaliresistentem Glas der Matrix beigemischt, sind es heute oft eingelegte textile Gewebe und Gelege aus Glas- oder auch Carbonfasern, die die Zugfestigkeit, teilweise aber auch die Schlagfestigkeit oder Verformbarkeit des Betons verbessern. Weil diese Bewehrungsmaterialien nicht rosten, lässt sich die Betondeckung reduzieren, sodass schlanke und filigrane Bauteile mit geringem Eigengewicht produziert werden können.

Der innovative Verbundbaustoff Textilbeton ist noch nicht normiert und benötigt für tragende Teile darum stets Zulassungen oder Zustimmungen im Einzelfall. Eingesetzt wird er bisher zum Beispiel im Brückenbau, für Schalentragwerke, für Fassadenelemente oder bei der Instandsetzung von geschädigtem Beton.

Leicht und infraleicht

Eine gänzlich andere Entwicklungsrichtung als der hochfeste Beton repräsentieren die Leicht- und Infraleichtbetone. Sie werden dort benötigt, wo es auf ein geringes Gewicht oder eine gute Wärmedämmung des Betons ankommt. Im Mittelpunkt steht hier also nicht die Reduktion der Geometrie des Betons – Leichtbetonteile sind oft sogar dicker als solche aus Normalbeton. Durch die in den Baustoff integrierte Wärmedämmung kann jedoch gegebenenfalls auf eine zusätzliche Dämmschicht verzichtet und so ein monolithisches Bauwerk errichtet werden.

Leichtbeton entsteht durch die Verwendung von leichten Gesteinskörnungen, die in ihrem hohen Porenanteil bis zu 85 Volumenprozent Luft enthalten können. Der hohe Luftanteil verringert sowohl das Gewicht als auch die Wärmeleitfähigkeit des Betons.

Während für Normalbeton die Trockenrohdichte meist um 2 400 kg/m³ beträgt, sind Dichten zwischen 800 und 2 000 kg/m³ normativ als Leichtbeton geregelt. Sie erreichen in der niedrigsten Rohdichteklasse Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit von 0,44 W/mK, was zwar deutlich weniger als bei Normalbeton (um 2,1 W/mK), aber im modernen energieeffizienten Bauen nur bei sehr großen Wandstärken oder mit zusätzlicher Wärmedämmung ausreichend ist.

Gerade darum sind die Rohdichtebereiche unterhalb von 800 kg/m³ so interessant, die als Infraleichtbeton allerdings nicht mehr Bestandteil der Normung sind. Als Untergrenze des technisch Machbaren gelten derzeit 350 kg/m³, doch dürfte im Fokus der weiteren Entwicklung weniger dieser Wert als vielmehr die Verbesserung der Wärmedämmung stehen. Statt von Infraleichtbeton wird deshalb auch von Dämmbeton gesprochen, der bereits mit Wärmeleitfähigkeiten unter 0,185 W/mK hergestellt wurde. Für eine Energieeffizienz nach KfW 70 waren dafür 50 cm dicke Wände erforderlich.

Ähnlich wie ultrahochfester Beton ist auch Infraleichtbeton sicherlich noch keine wirtschaftliche und technisch gängige Standardbauweise, hat für innovative Anwender jedoch erhebliches Potenzial im monolithischen Betonbau ohne zusätzliche Wärmedämmung. Weitere Entwicklungen können beispielsweise von Aerogelen und verwandten Stoffen erwartet werden. Diese ultraleichten und hochporösen Stoffe haben eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit und könnten sich als Zusatzstoff im Beton eignen. Ein entsprechendes Patent hat die Universität Duisburg-Essen (UDE) 2018 angemeldet. Einen anderen Ansatz verfolgte die BASF mit ihrem auf der Fachmesse BAU 2019 vorgestellten Carbonbetonprojekt. Eine Hochleistungsdämmplatte auf Aerogelbasis ist dabei Bestandteil eines Sandwich-Außenwandaufbaus, der außen und innen mit Carbonbeton abschließt. Die Idee der innovativen Wärmedämmung verbindet sich hier also mit hochfestem Textilbeton. Für den Gesamtaufbau der Außenwand gibt das Unternehmen einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,21 W/m²K bei nur 18 cm Dicke an.

Nachhaltiger Beton

Im Bereich des ultrahochfesten, infraleichten und/oder Textilbetons sind sicherlich die spektakulärsten Entwicklungen der kommenden Jahre zu erwarten. Aber auch andere technische Aspekte des Betons befinden sich in der Weiterentwicklung. Nur summarisch genannt seien hier hitzebeständiger Beton für Temperaturen oberhalb von 250 °C im Feuerungs- und Hochofenbau, die Wiederentdeckung und Modernisierung des Stampfbetons, Beton mit selbstreinigender Oberfläche oder selbstverdichtender Beton.

Aus Architektensicht spannend und angesichts einer sich abzeichnenden Knappheit beim Sand bzw. den Betonzuschlagstoffen wichtig könnte künftig zudem Recyclingbeton (RC-Beton) werden. Es handelt sich um Normalbeton, der besonders für den Einsatz im ressourcenschonenden und nachhaltigen Bauen geeignet ist. Es gibt bereits RC-Beton-Projekte, doch erweisen sich bisher sortenrein gesammelte Altzuschläge in ausreichender Menge und eine genau definierte Sieblinie der Zuschläge als Engpässe für die häufigere Anwendung. RC-Beton lässt sich so herstellen, dass er optisch nicht von Neu-Beton zu unterscheiden ist. Mit aufgebrochener Oberfläche kann das Recyclingkorn aber auch sichtbar werden und so den nachhaltigen Charakter der Bauweise anzeigen.

Mehr zum Thema: Informationen zu „Fotobeton, Lichtbeton und 3D-Betondruck – Oberflächen mit vielfältigem Gestaltungs-Potenzial“ gibt es hier


Druckfestigkeiten

Ab Druckfestigkeitsklasse C55/67 beginnen die hochfesten Betone (HCP), die bis C100/115 normiert sind. Die Grenze zum ultrahochfesten Beton (UHCP) ist nicht eindeutig definiert, wird aber meist bei Druckfestigkeiten ab 150 N/mm2 aufwärts angesetzt.


Trockenrohdichte

Trockenrohdichten zwischen 800 und 2 000 kg/m3 sind normativ als Leichtbeton geregelt. Sie erreichen in der niedrigsten Rohdichteklasse Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit von 0,44 W/mK.


Mehr zum Thema

  • Aus der Tiefe des Materials: Fotobeton, Lichtbeton und 3D-Betondruck

www.hier.pro/bba0619_Fotobeton



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