Beton ist ein leicht zu verarbeitender Verbundstoff. - staff.uni

Gruppe:
08.05.2002
Beton
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Beton ist ein leicht zu verarbeitender Verbundstoff.
( Schon seit 12.000 v. Chr. bekannt aber auch heute noch überall in Verwendung )
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Er besteht aus:
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Neben Zement können auch Bitumen (Asphaltbeton) und Kunststoff (Kunststoffbeton)
als Bindemittel verwendet werden.
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Nach den Verbundstoffen und der daraus resultierenden Rohdichte unterscheidet man
Leichtbeton und Schwerbeton. Stahlbeton ist mit Stahleinlagen versehener Beton. Da
der Beton eine große Druckfestigkeit, ohne Bewehrung (Armierung) aber nur geringe
Zugfestigkeit hat, kann man diesen Nachteil durch die Stahleinlagen aufheben.
Die Stahleinlagen, auch Armierungen genannt, verleihen den so hergestellten
Baukörpern eine hohe statische Belastbarkeit.
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Es gibt verschiedene Arten: Frischbeton, Fließbeton, Festbeton, Transportbeton, etc.
Und verschiedene Verarbeitungstechniken:
Stahlbeton und Schüttbeton werden lose geschüttet, Stampf- und Rüttelbeton durch
Stampfen oder Rütteln verdichtet. Schleuderbeton (für Rohre, Leitungsmaste), gegen
die sich drehende Schalung geschleudert, wird sehr dicht. - Spannbeton nennt man
einen Betonkörper, der im unbelasteten Zustand künstlich vorgespannt wird (bei
bewehrtem Beton durch Spannen der Armierung, bei unbewehrtem durch Pressen
zwischen Widerlagern); so vermeidet man Haarrisse und unzulässige Zugspannungen.
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Beton ist nach dem anmachen vorerst flüssig und verhärtet dann.
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Mischung z.B.:
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Gewichtsverhältnis zwischen Wasser und Zement wird als
„Wasserzementwert“ bezeichnet
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Die unterschiedliche Stabilität der verschiednen Betonarten, wird durch den
Wasserzementwert beeinflusst. (festgestellt nach 28 Tagen)
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Beton hat eine sehr hohe Feuerwiderstandsdauer
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Wesentlich ist am Beton der Zement:
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Bindemittel ( meist Zement )
Verbundstoff (z.B.: Kiesel, Sand, Splitt )
Wasser
:
Zement
6
:
0,5
Verbundstoff
Wasser
Gemahlenes, hydraulisches Bindemittel, das bei Zugabe von Wasser und unter
Wasser verhärtet.
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Besteht im wesentlich aus:
Calciumoxid (CaO, Kalk)
Siliziumdioxid (SiO2, Kieselsäure)
Al2O3 (Tonerde)
Fe2O3 (Eisen-III-oxid)
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Die Rohstoffe werden getrocknet, gemahlen und vermischt
( Trockenverfahren). Das schlechte an diesem Verfahren ist die
Staubbelastung.
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Die Rohstoffe werden nass gemahlen und als Dickschlamm gemischt
(Nassverfahren). Diese Methode ist veraltet, da hier ein zu hoher
Energieaufwand erforderlich ist.
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Heute ist das Halbtrockenverfahren aktuell. Die Rohstoffe werden mit Wasser
und unter Wärmeeinwirkung auf „Drehtellern“ zu Granalien verarbeitet.
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Bei 1400 – 1500 °C werden diese zu Zementklinker gebrannt. Der
Zementklinker wird danach schnell gekühlt, um entstandene Verbindungen zu
stabilisieren.
Durch Sintervorgänge ( sintern = teilweises schmelzen eines Stoffgemisches )
und Festkörperreaktionen (Modifikationsumwandlungen, Verbindungsbildung;
laufen bis 1300 °C ab), sowie durch Löse- und Kristallisationsprozesse
( Hauptreaktionen in der Schmelzphase; laufen erst oberhalb von 1300 °C ab)
werden die verschiedenen Verbindungen gebildet.
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Folgendes liegt dann vor, was zu typischen Eigenschaften von Zement führt:
40-80% Tricalciumsilicat (3CaO x SiO2)
bis 30 % Dicalciumsilicat (2CaO x SiO2)
7-15% Tricalciumaluminat (3CaO x Al2O3)
4 – 15% Tetracalciumaluminatferrit
(4CaO x Al2O3 x Fe2O3)
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Durch Veränderung des Mengenverhältnisses zwischen Kalk und Kieselsäure
und von Tonerde zu Eisenoxid können die Eigenschaften des Zements
erheblich beeinträchtigt bzw. verändert werden.
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Ein hoher Anteil von Kalk und Kieselsäure erhöht den Anteil des
Tricalciumsilicats im Klinker und somit auch die Anfangsfestigkeit des
Zements bzw. des Betons.
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Ein hoher Anteil von Fe2O3 und Al2O3 erhöht den Anteil des
Tetracalciunaluminatferrits ( der von Tricalciumaluminat wird dadurch
gesenkt), wodurch ein Zement mit niedriger Hydrationswärme
( Wärme die beim Hydrationsvorgang entsteht ) und großer
Widerstandfähigkeit zu sulfathaltigem Wasser entsteht.
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Durch Zugabe von 3-5% Calciumsulfat in Form von Gips wird bewirkt, dass
der Zement nach Zugabe von Wasser nicht zu schnell verhärtet (abbindet).
Beim Abbinden gehen Reaktionen der Zement-Mineralphasen mit dem Wasser
und das Auflösen relativ leicht löslicher Minerale vonstatten.
Aus dem Tri- und Dicalciumsilicat
3 CaO·SiO2 bzw. 2 CaO·SiO2, entstehen mit Wasser gelartige, semikristalline
Calciumsilicathydratphasen von fasriger und schichtähnlicher Struktur
(Tobermorit), die die Räume zwischen den Körnern des Verbundstoffes
weitgehend ausfüllen und die Mischung verfestigen.
Das Sulfat ( vom Gips ) geht sofort eine Bindung mit den Aluminaten des
Zements ein ( Ettringit ; Ca6Al2[(OH)4/SO4)]3·24H2O )
Das Ettringit besitzt keine Festigkeit und lässt eine Bearbeitung des Betons
noch über eine bestimmte Zeit zu.
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Bei Wasserzugabe erfolgt die Hydration.
Zement besteht vorwiegend aus TricalciumSilicat (3 CaO x SiO2), welches
unter Wasseraufnahme beim Abbinden zu MonocalciumSilicat (CaO x SiO2)
und Calciumhydroxid reagiert. Gleichzeitig werden in die Kristallstruktur des
MonocalciumSilicats Wassermoleküle eingebaut:
3 CaO SiO2 + 3 H2O Æ CaO SiO2 H2O + 2 Ca(OH)2.
Es bildet sich das eben erwähnte
Ettringit und danach Calciumhydroxid (CaOH)2 . Es kommt zu einer
langsamen Erhärtung nach 1 bis mehreren Stunden durch Übergang in
Hydrationsprodukte ( Calciumsilicathydrate, Calciumaluminathydrate und
eisenhaltige Calciumaluminathydrate ).
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Diese besitzen eine sehr geringe Wasserlöslichkeit und eine große Oberfläche
(bis zu 200m² pro Gramm). Das bewirkt eine große Festigkeit
(durch die vielen Adsorptionskräfte zwischen den Teilchen)
Die Härte des Betons beruht außerdem darauf, daß bei der
Hydratation gebildete mirkoskopisch kleine Kristallnadeln miteinander
verwachsen und ein festes Gerüst bilden.
Wenn der abgebundene Beton an der Luft trocknet, reagiert das entstandene
Calciumhydroxid mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Luft zu Calciumcarbonat,
dessen Kristalle ebenfalls in das Silicatgerüst eingebaut werden.
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Eine weitere Erhöhung der Festigkeit findet bis 28 Tage nach der Verarbeitung
statt. Danach kommt es nur noch zu einer langsamen Erhöhung über Jahre
hinweg.
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Eine zu starke Wasserzugabe führt beim Abtrocknen zu vielen Poren und somit
zu einer Herabsetzung der Festigkeit.
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