Baustoff – Forschung und Ingenieurpraxis im Wandel der Zeit.

Fortsetzung des Artikels von Univ. Prof. Dr. Dr.Ing E.h. Rupert Springenschmid – München
erschienen im „Bauingenieur“ Band 75 vom September 2000. 1. Teil in TM1/2001.

8. Einige praxisrelevante Forschungsergebnisse

8.1 Wassertransport durch Beton?
Nehmen wir als Erstes die einfache Frage, wie viel Wasser durch eine Bodenplatte aus dichtem Beton, einem B 25, hindurchgeht, und ob man luftseitig eine wasserdampfdichte Beschichtung aufbringen darf. Als Transportmechanismen werden üblicherweise – es gibt schon hunderte von Arbeiten dazu – die Wasserdurchlässigkeit unter Druck ( k Wert ), kappilares Saugen und Wasserdampfdiffusion, angesetzt.
Prüft man nicht dünne Zementsteinproben, sondern Beton unterschiedlicher Dicke, dann ist es gut, sowohl Proben, die unten kapillar saugen können, als auch solche, die unten abgedichtet sind, oben austrocknen zu lassen und zu vergleichen. Wenn man sich lange genug Zeit läßt, stellt man fest. ( Bild 1 )
- auch die unten in Wasser stehenden Probentrocknen insgesamt aus, vorausgesetzt sie sind dicker als rd. 10 cm, weil
- die kapillare Wasseraufnahme von unten bei dicken Proben gering ist, offenbar nur in einer unteren Randzone auftritt und
- die unten Wasser saugende Probe oben nicht mehr Wasser abgibt, als die unten abgedichtete. Das kann also nur das Überschußwasser vom Betonieren sein.

Bild 1: Beim Austrocknen Nach oben gibt Beton einer Platte von mehr als 10 cm Dicke nur aus einer oberen Randzone Wasser ab.
Auch wenn die Probe unten im Wasserbad steht, dringt praktisch keine Feuchtigkeit durch den Beton

Durch trockenen Beton dringt anfangs Wasser ein, nach einigen Wochen dichtet sich der Beton selbst ab, so daß die bekannten Ansätze von kapillarem Saugen oder Wasserdampfdiffusion um Größenordnungen von der Realität abweichen. Oben entsteht ein Austrocknungsbereich von begrenzter Dicke.
Ursachen weshalb das Wasser nicht tiefer eindringt, können sein
- Bingham’sches Fließen des Porenwassers,
- internes Quellen, aber auch
- Lösungs-und Ablagerungsvorgänge und in gewissem Ausmaß auch eine
- Nachhydration.

Die unten in Wasser stehenden Proben nehmen nur in einem verhältnismäßig dünnen Bereich Wasser auf und wenn sie oben austrocknen können, ist der Austrocknungsbereich auch nicht viel dicker.
Die Folgen: auf eine 50 cm dicke Betonplatte kann man eine wasserdampfdichte Beschichtung kleben, sobald der Beton gut ausgetrocknet ist, vorausgesetzt natürlich, der Beton hat keine Nester und ist gut ausgetrocknet.
Mit einem zweiten Beispiel sei gezeigt, wie leicht es ist, alte Regeln durch neue Ansätze zu verbessern.

8.2 Schwinden
Viel wird geredet vom Schwinden, je dicker ein Bauteil ist, umso langsamer entwickelt es sich, es wird ja durch Austrocknen verursacht, wobei der Rand unter Zug, der Kern unter Druck gerät.
Das Schwinden ist heute wichtiger denn je, nicht nur in der Statik, sondern auch für die Anwendungspraxis neuartiger Betone. Wenn wir heute Beton aus zerkleinertem alten Beton machen wollen, wenn wir sandreichen Beton mit nur 20 % Kies machen oder gar selbstverdichtenden Beton, hochfesten oder superhochfesten Beton, so ist nicht nur die Festigkeit wichtig, sondern auch das Schwinden und besonders die Schwindrißbildung.
Im Spannbeton stört das Schwinden, weil jede Schwindverkürzung ecs eines Balkens die Vorspannung vermindert – umso stärker, je höher das Schwindmaß. Bei Sichtflächen stören vor allem die Schwindrisse an der Oberfläche, die durch ganz andere Spannungen verursacht wurden. Beim Schwindmaß handelt es sich um eine Längsverformung, bei netzartigen Schwindrissen um die Folge von Eigenspannungen, das macht einen großen Unterschied.
Nichts ist naheliegender, als endlich das Schwinden auf seine beiden Ursachen zurückzuführen, nämlich auf den Feuchtedehnkoeffizienten, ähnlich dem a für die Wärmedehnung und die in der Randzone wichtige Feuchteleitfähigkeit, die der Wärmeleitfähigkeit l entspricht. Ist die Feuchteleitfähigkeit klein, gibt es steile Gradienten und Schwindrisse, ist sie groß, gibt es ein höheres Schwindmaß.

Bild 2: Schwinden führt bei weniger dichtem Beton mit größerer Feuchteleitfähigkeit in
der Randzone zu kleineren Eigenspannungen und kaum zu Schwindrissen

Wer sagt uns, wie groß die Eigenspannungen wirklich sind, man kann sie doch nicht messen. Ein einfacher Trick hilft uns weiter. Wir lassen Betonbalken austrocknen und spalten sie nach einigen Tagen in Längsrichtung. Ein Teil der Eigenspannungen führt zu Verformungen, die Balkenhälften schüsseln sich auf, und wir können den Stich messen.

Bild 3: Wenn Balken früh austrocknen können und im Alter von 3 bis 28 Tagen in
Längsrichtung gespalten werden führen die bisdahin vorhandenen Eigenspannungen zu meßbaren Krümmungen.

Hoher Wassergehalt führt zu porösem Beton, der eine höhere Feuchteleitfähigkeit, also kleinere Eigenspannungen hat, obwohl das Schwindmaß größer ist.

8.3 Hydratationswärme
Reine Empirie waren die alten Regeln zur Vermeidung von Rissen zufolge Hydratationswärme. Soll man bei massigen Bauteilen Zement mit Hüttensand oder mit Flugasche verwenden ? Ist die Hydratationswärme des Zements nach DIN 1164 nach 7 Tagen als Lösungswärme oder in der Thermosflasche bestimmt, überhaupt ein brauchbares Kriterium ?
Der einfache Gedanke, daß es nicht die Erwärmung selbst sein kann, die zu Rissen führt, sondern die durch sie verursachten Spannungen beim Abkühlen, führt zum dritten Beispiel.
Will man die Spannungen messen, muß man aus dem massigen Bauteil gedanklich einen Probebalken herausschneiden und im Labor von Anfang an denselben Temperaturen und derselben Verformungsbehinderung ( nur sie verursacht Zwang ) unterwerfen, wie im Bauwerk.
Dann braucht man nur die Spannungen zu messen und weiß, wie weit man vom Überschreiten der Zugfestigkeit, also dem Riss, entfernt ist. Die Hydratationswärme allein reicht nicht aus, um auf spätere Temperaturspannungen zu schließen, man muß dann auch den anstieg von E-Modul und die plastische Verformbarkeit berücksichtigen und darüber hinaus
Auch das chemische Schwind- und Quellverhalten, das sehr unterschiedlich sein kann.
Alle diese Einflüsse ändern sich in der ersten Phase des Festwerdens des Betons sehr rasch.
Sobald der Beton ausreichend erhärtet ist, also im Alter von ein bis zwei Tagen, lassen sich die Spannungen auch berechnen, wofür es mehrere Rechenmodelle gibt.
Das wichtigste Ergebnis sei kurz gesagt:
Hydratationswärme am ersten Tag, wenn sich der Beton noch stark plastischverformt, wirkt sich ebenso nachteilig aus, wie jede andere Erwärmung oder eine hohe Frischbetontemperatur. Die ab dem dritten Tag entstehende Hydratationswärme spielt für die Gefahr einer Spaltrißbildung praktisch keine Rolle mehr, weil der E-Modul schon hoch ist und eine zusätzliche Wärmedehnung in Druckspannungen umgesetzt wird. Es kommt darauf an, bei welcher Temperatur und bei welchem Temperaturgradienten der Beton fest wird.

8.4 Thermische Nachbehandlung
Bei der Nachbehandlung des Betons stellt sich die Frage, ist nur das austrocknen wichtig oder auch die Temperatur? Soll man jungen Beton kalt oder warm halten ? Bisher hat man mitunter empfohlen, den jungen Beton mit Matten abzudecken, ihn „tempern „zu lassen.
Dazu ein einfacher Versuch :
Wenn man Betonbalken – wie hier im Schnitt – unter einem Temperaturgradienten erhärten läßt – innen warm, außen kalt – bekommt er, sobald sich die Temperaturunterschiede ausgeglichen haben, eine thermische Vorspannung, die die Biegezugfestigkeit – im vorliegenden Falle – um knapp 30 % anhebt.
Gefährlich ist der umgekehrte Fall: Ein Betonbalken ( oder eine Platte ) wird an einem heißen Sommertag hergestellt und oben durch die Sonne aufgeheizt. Der Beton wird in der oberen Randzone bei einer höheren Temperatur fest, während er nach unten seine Wärme
Abführt und dort bei einer viel niedrigeren Temperatur Gestalt annimmt. In der ersten Nacht gleichen sich die Temperaturen aus, oben ist der Balken bestrebt sich zu verkürzen und will sich aufschüsseln. Weil der Balken aber durch sein Eigengewicht am Untergrund aufliegt, erhält er hohe Biegespannungen.
Man kann nun, um die Spannungen abzuschätzen – wiederum ganz einfach – einen Balken so kurz machen, daß das Biegemoment aus Eigengewicht keine Rolle mehr spielt. Dann schüsselt der Balken nahezu unbehindert auf und man kann den Stich messen.

Bild 4: Krümmung kurzer Betonbalken in den ersten Tagen im Freien. Ohne Nachbehandlung
wird die Krümmung durch Austrocknen und sommerliche Temperaturänderungen verursacht,
bei Folienabdeckung nur durch Temperaturänderungen. Der Balken mit dicht aufliegender
Folie ist nicht ausgetrocknet und hat sich nur etwas weniger verformt, als der Balken ohne
Nachbehandlung, der austrocknen konnte.

Wir schließen daraus:
1. Die Temperatur der oberen Randzone ist bei der Erhärtung am ersten Tag im Sommer mindestens ebenso wichtig, wie der Schutz vor Austrocknen und

2. Statt der bisher manchmal verwendeten wärmedämmenden Matten, soll man im Sommer Betonoberflächen am ersten Tag kühl halten, dann bekommen sie eine leichte thermische Vorspannung, und das ist gut so.

3. Mit einfachen Mitteln lassen sich interessante Ergebnisse erzielen.

9. Folgerungen
Experimentelle Forschung ist immer Gemeinschaftsarbeit. Die Zusammenarbeit mit den vielen begabten und loyalen jungen Menschen gehört zu den schönsten Aufgaben eines Hochschullehrers.
Die Strukturen für technische Innovationen in den Bauämtern und Baufirmen haben sich geändert. Den Hochschulinstituten fallen mehr Aufgaben zu. Forschung darf aber nicht heißen, nur Meßwerte zu ermitteln und statistisch auszuwerten, sondern den Ursachen auf den Grund zu gehen und in der Praxis anwendbare Lösungen zu entwickeln. Für junge Ingenieure gibt es heute mehr Themen als je zuvor. Man braucht dafür nur drei Voraussetzungen:
Ein breites Fachwissen, den festen Glauben, daß allen Phänomenen Naturgesetze zugrunde liegen und eine kritische Distanz gegenüber allen Modeerscheinungen.