Leichtbeton Einleitung

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1 Leichtbeton Einleitung Leichtbeton unterscheidet sich von Normalbeton durch eine geringere Trockenrohdichte, welche durch Beimischen von leichter Gesteinskörnung mit hoher Porosität bzw. geringer Rohdichte erreicht wird. Leichtbetone können nach ihrer Zusammensetzung in folgende Gruppen unterteilt werden: Konstruktiver (gefügedichter) Leichtbeton Haufwerksporiger Leichtbeton (Beton ohne Feinbestandteile) Porenleichtbeton (Schaumbeton) Porenbeton Haufwerksporiger Leichtbeton, Porenleichtbeton und Porenbeton sowie Beton mit einer Rohdichte von weniger als 800 kg/m3 sind keine Betone nach SN EN und werden nachfolgend nicht weiter behandelt. Konstruktiver Leichtbeton Konstruktiver Leichtbeton hat ein geschlossenes Gefüge wie Normalbeton (Abb ). Die angestrebte geringe Rohdichte wird durch den teilweisen bis vollständigen Austausch der dichten groben Gesteinskörnung gegen die porige leichte Gesteinskörnung erreicht. In einem weiteren Schritt kann zusätzlich die feine Gesteinskörnung gegen Leichtsand ausgetauscht werden.

2 Abb : Anschliff eines gefügedichten, konstruktiven Leichtbetons mit Blähton. Die wichtigste Eigenschaft eines konstruktiven Leichtbetons ist das geringe Eigengewicht. Bauteile aus Leichtbeton können je nach verwendeter Festigkeitsklasse mit einer Gewichtsersparnis von 600 bis 1000 kg/m3 Beton hergestellt werden. Eine weitere Eigenschaft des Leichtbetons ist die im Vergleich zum Normalbeton geringere Wärmeleitfähigkeit. Leichtbetone mit Trockenrohdichten im Bereich von 800 bis 1000 kg/ m3, sogenannte Dämmbetone, sind einerseits gefügedicht, damit konstruktiv tragfähig und weisen andererseits wärmedämmende Eigenschaften auf. Damit ist es möglich Wände in Sichtbeton herzustellen, die ohne aufwendige zweischalige Konstruktionen oder zusätzliche Dämmschichten auskommen können. Allerdings würden solche einschaligen Wände aus Dämmbeton ohne zusätzliche Dämmung grosse Bauteildicken aufweisen (ca m), um die derzeitige Anforderungen an den Wärmeschutz (U-Wert = 0.15 W/m2K) zu erfüllen. Die gewünschte Trockenrohdichte eines Dämmbetons ist nur durch zusätzliche Zugabe eines speziellen Luftporenbildners oder Porenbildners für Schaumbeton (auch Schaumbildner genannt) möglich. Die Verfügbarkeit von Leichtbetonen in einem Betonwerk sollte frühzeitig abgeklärt

3 werden. Normative Anforderungen Allgemeines Konstruktiver Leichtbeton ist ein Beton mit einer Trockenrohdichte von weniger als 2000 kg/m3. Für Leichtbeton nach Eigenschaften sind nach der Norm SN EN die Druckfestigkeit und die Rohdichte als grundlegende Anforderungen festzulegen. In der Schweiz werden hauptsächlich Leichtbetone mit einer Festigkeitsklasse LC 8/9 bis LC 35/38 und einer Rohdichteklasse D1.0 bis D1.8 eingesetzt (vgl. Beton nach Eigenschaften). Die Festigkeitsklassen von Leichtbeton und Normalbeton sind nicht gleich. Nur für die Werte der Zylinderdruckfestigkeit stimmen sie überein. Die Werte der zugehörigen Würfeldruckfestigkeit sind bei Leichtbeton um etwa 10 bis 13 % höher, während sie bei Normalbeton um ca. 15 bis 25 % höher sind. Dieser Unterschied beruht auf dem unterschiedlichen Bruchverhalten von Normal- und Leichtbeton. Im Leichtbeton gehen die Bruchflächen durch die leichte Gesteinskörnung hindurch, wenn die Tragfähigkeit der leichten Gesteinskörnung ausgeschöpft ist. Dies geht mit einer geringeren Querdehnung im Vergleich zu Normalbeton einher. Je geringer die Querdehnung eines Betons, desto geringer ist der Unterschied zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit. Die Rohdichte eines Leichtbetons wird nach der Norm SN EN an Proben bestimmt, die bei einer Temperatur von 105 C getrocknet wurden. Nachweis Die Porosität der leichten Gesteinskörnung bewirkt, dass dem Zementleim sowohl während des Mischens als auch im Zeitraum bis zum Erstarren Wasser entzogen werden kann. Dieses Wassersaugen beschleunigt das Ansteifen des Frischbetons. Die Wasseraufnahme der groben leichten Gesteinskörnung ist nach Norm SN EN im Vorfeld zu bestimmen. Es wird empfohlen, bei groben leichten Gesteinskörnungen nur die Wasseraufnahme innerhalb der ersten 60 min zu berücksichtigen, damit die tatsächliche Wasseraufnahme im Leichtbeton nicht überschätzt und der wirksame

4 Wassergehalt nicht unterschätzt werden. Bei leichtem Brechsand sind für die Wasseraufnahme nur 70 % des gemessenen Wertes anzusetzen. Betontechnologie Zement Für die Herstellung von Leichtbeton eignen sich alle Zemente, die in der Norm SN EN zugelassen sind. Bei Bauteildicken grösser als 40 cm ist zu berücksichtigen, dass die leichte Gesteinskörnung den Abfluss der Hydratationswärme behindert. Infolge dessen kann es zu höheren Temperaturen im Bauteil kommen, die zu einer Rissbildung führen kann. Für diese Fälle wird empfohlen, Zemente mit geringer Hydratationswärme zu wählen. Gesteinskörnung Gesteinskörnungsart Typische und am meisten verwendete leichte Gesteinskörnungen für konstruktiven Leichtbeton sind Blähton, Blähglas, Schaumglasschotter und Naturbims (Abb bis 5.2.5). Diese können auch untereinander gemischt werden. Blähton ist eine aus blähfähigem Ton industriell hergestellte leichte Gesteinskörnung mit hoher Kornporosität. Der Ton wird getrocknet, gemahlen und bei rund 1200 C zum Blähen gebracht und zu kleinen Kügelchen gebrannt. Er zeichnet sich durch seine runde Kornform und eine geschlossene Oberfläche aus. Die gewünschte Rohdichte lässt sich gezielt einstellen. Das Grösstkorn der Gesteinskörnung liegt bei 10 mm. Blähglas ist eine aus Recyclingglas hergestellte leichte Gesteinskörnung mit hoher Kornporosität. Das gereinigte Altglas wird zu Glasmehl gemahlen, gemischt und zu einem Rohgranulat geformt. Dieses Rohgranulat wird zu einem Blähglas bei Temperaturen von C gesintert und aufgeschäumt. Es zeichnet sich durch seine runde Kornform und eine geschlossene Oberfläche aus. Das Grösstkorn der Gesteinskörnung liegt bei 4 mm. Glasschotter ist ein aus Altglasmehl aufgeblähtes Schaumglas, welches in einem Blähverfahren bei Temperaturen von ca. 900 C hergestellt wird. Das Schaumglas wird anschliessend auf ca. 300 C abgekühlt. Dabei treten Spannungsrisse auf, welche das

5 Material zu einem Schaumglasschotter zerfallen lassen. Naturbims ist ein natürliches vulkanisches Gestein. Das einzelne Naturbimskorn enthält bis zu 85 Vol.-% Luft in Form fein verteilter Poren. Naturbims wird i. d. R. auf eine Korngrösse von maximal 4 mm gebrochen. Abb : Blähton.

6 Abb : Blähglas.

7 Abb : Glasschotter.

8 Abb : Naturbims.

9 Abb : Rohdichtebereiche ausgewählter leichter und normale Gesteinskörnungen. Kornrohdichte In Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsstoffen und Herstellungsverfahren weisen die Leichtgesteinskörnungen unterschiedliche Rohdichten auf (Abb ). Wasseraufnahme Das leichte Gesteinskorn weist eine um ca. 5 bis 20 % höhere Wasseraufnahme auf als das natürliche Gesteinskorn. Diese Wasseraufnahme kann das Ansteifen des Frischbetons beschleunigen. Dem kann durch ein gezieltes Vornässen der Gesteinskörnung, eine längere Mischzeit und/oder die Wahl einer weicheren Ausgangskonsistenz entgegengewirkt werden. Mehlkorn Bei der Verwendung von leichter, feiner Gesteinskörnung ist zu überprüfen, ob ein ausreichender Mehlkorngehalt im Beton erreicht wird. Der Mehlkorngehalt kann durch die Erhöhung des Zementgehaltes oder durch die Zugabe von Zusatzstoffen erhöht werden. Zusatzmittel Die Entmischungsgefahr des Leichtbetons kann verringert und der Zusammenhalt des Frischbetons erheblich verbessert werden durch künstlich eingebrachte Mikroluftporen und/oder die Zugabe eines Stabilisators. Die künstlich eingebrachten Mikroluftporen bewirken eine zusätzliche Verminderung der Rohdichte des Zementleims. Bei Dämmbetonen (Leichtbeton mit Trockenrohdichte 1000 kg/m3) beträgt der Luftporengehalt ca Vol.-%. Durch die Zugabe von Stabilisatoren wird die Viskosität des Zementleims so erhöht, dass das Aufschwimmen der leichten Gesteinskörnung behindert wird.

10 Zusatzstoffe Bei Leichtbetonen mit Leichtsanden wird der geringe Mehlkornanteil durch die Zugabe von Zusatzstoffen ersetzt. Dadurch wird der Zusammenhalt der Mischung und der Oberflächenschluss verbessert sowie Entmischungen entgegengewirkt. Das anteilmässige Ersetzen des Zements durch Flugasche hat für Leichtbetone den Vorteil, dass der aufgrund der wärmedämmenden Wirkung des Betons deutlich verlangsamte Abfluss der Hydratationswärme verringert wird. Konsistenz In der Praxis haben sich Leichtbetone mit einer Konsistenzklasse C3 bis C4 bewährt. Bei Dämmbetonen wird häufig mit einer Konsistenzklasse F4 bis F5 gearbeitet. Grundsätzlich ist zu beachten, dass bei sehr weicher Konsistenz der Leichtbeton zum Entmischen neigen kann, indem die leichten Gesteinskörner aufschwimmen. Mischen Transport Einbau Verdichten Mischen Die Dosierung der leichten Gesteinskörnung erfolgt in der Regel gravimetrisch. Dafür müssen der Feuchtegehalt und die Schüttdichte der Gesteinskörnung regelmässig überprüft und beim Dosieren berücksichtigt werden. Bei Verwendung einer stark wassersaugenden leichten Gesteinskörnung wie Blähton kann die Mischreihenfolge optimiert werden, indem zunächst die leichte Gesteinskörnung mit bis zu 2/3 des benötigten Zugabewassers vorgemischt und dann der Zement und das restliche Wasser hinzugefügt werden. Erst dann sollten ggf. flüssige Betonzusatzmittel zugesetzt werden, damit sie nicht von der Gesteinskörnung aufgesaugt und dadurch in ihrer Wirkung eingeschränkt werden. Die empfohlene Mindestmischzeit von gefügedichtem Leichtbeton, nach Zugabe aller Bestandteile, beträgt 90 Sekunden. Bei Verwendung von Porenbildnern für Schaumbeton (Schaumbildner) ist die Mischzeit auf 180 bis 200 Sekunden zu erhöhen. Transport Der Transport im Fahrmischer sollte bei Leichtbetonen mit Rohdichte kleiner 1500 kg/m3 nicht länger als 30 Minuten dauern. Bei längeren Transportzeiten sind Vorversuche

11 vorgängig vorzunehmen. Einbau In der Regel sind Leichtbetone mit einer Trockenrohdichte von mehr als 1600 kg/m3 pumpbar. Die Höhe der einzelnen Einbaulagen von Beton mit natürlicher Gesteinskörnung (50 70 cm) sollten bei Leichtbetonen mit Trockenrohdichten kleiner 1500 kg/m3 um ca. 50 % reduziert werden (siehe Einbau). Verdichten Bei Leichtbeton ist ein grösserer Verdichtungsaufwand notwendig, da die Rohdichte geringer ist und die leichte Gesteinskörnung die zugeführte Verdichtungsenergie stärker dämpft. Dadurch wird der übliche Wirkungsbereich der Vibriernadel (Innenrüttler) um ca. 30 bis 40 % vermindert, so dass der Abstand zwischen den Eintauchstellen der Vibriernadeln anzupassen ist. Die Verdichtungsdauer ist auf die Konsistenz abzustimmen, um ein Aufschwimmen der leichten Gesteinskörnung zu vermeiden (siehe Verdichten). Nachbehandlung In Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung und der Bauteildicke sind für Bauteile aus Leichtbeton verlängerte Einschalfristen (> 24 Stunden, bis 5 Tage) und wärmedämmende Massnahmen wie Abdecken des Bauteils mit Dämmmatten nach dem Ausschalen zu ergreifen. Dadurch können Risse, die aus dem Temperaturgefälle zwischen Betonkern und -randzone entstehen, vermieden werden. Gegebenenfalls sind Massnahmen zur Verringerung der Hydratationswärmeentwicklung zu ergreifen (siehe Nachbehandlung). Hinweise für das Planen von Leichtbeton Tragverhalten Das Tragverhalten von konstruktivem Leichtbeton im Vergleich zu Normalbeton ist in Abbildung dargestellt. Während bei Normalbeton die Lastabtragung über die normale Gesteinskörnung erfolgt, führen die geringe Steifigkeit und Festigkeit der leichten Gesteinskörnung zu einem Kraftfluss überwiegend über den Zementstein.

12 Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit Die Porosität der leichten Gesteinskörnung (Rohdichte) beeinflusst massgeblich die Betonrohdichte: Je geringer die Rohdichte der Gesteinskörnung desto geringer ist die Trockenrohdichte des Leichtbetons. Die Druckfestigkeit des Leichtbetons wiederum steht in direktem Zusammenhang mit der Betontrockenrohdichte: Je niedriger die Betontrockenrohdichte, umso geringer ist die Druckfestigkeit (Abb ). Abb : Schematische Darstellung der Lastabtragung bei Normalbeton (links) und bei konstruktivem Leichtbeton (rechts).

13 Abb : Zusammenhang zwischen Würfeldruckfestigkeit und Trockenrohdichte eines Leichtbetons mit Blähton. Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit des Betons kann auf der Basis der Druckfestigkeit abgeschätzt werden (siehe Zugfestigkeit). Für Leichtbeton ist mit dem folgenden, rohdichteabhängigen Umrechnungsfaktor die Zugfestigkeit gemäss Gl abzumindern: Gl E-Modul

14 Der E-Modul des Leichtbetons hängt hauptsächlich von dem E-Modul der leichten Gesteinskörnung und dem E-Modul des Zementsteins ab. Die Elastizitätsmoduli der leichten Gesteinskörnungen liegen zwischen 3000 und N/mm2 und erreichen damit nur einen Bruchteil des E-Moduls von normaler Gesteinskörnung. Sie sind im Allgemeinen auch geringer als diejenigen des Zementsteins. Je nach Gesteinskörnungsart, Druckfestigkeit und Trockenrohdichte des Leichtbetons liegt der E- Modul von konstruktivem Leichtbeton zwischen 5000 und N/mm2. Bei gleicher Festigkeitsklasse beträgt der E-Modul von Leichtbeton nur etwa 30 bis 70 % der Werte von Normalbeton. Der E-Modul des Leichtbetons ist umso geringer je kleiner die Trockenrohdichte des Leichtbetons ist. Dieser Zusammenhang wird für unterschiedlich zusammengesetzte Leichtbetone in Abb aufgezeigt. Der Elastizitätsmodul des Leichtbetons kann auf der Basis der Druckfestigkeit abgeschätzt werden. Für Leichtbeton ist der folgende, rohdichteabhängige Umrechnungsfaktor für den E-Modul gemäss Gl zu verwenden. Gl Schwinden und Kriechen Das Schwindmass von Leichtbeton liegt 20 % bis 50 % über demjenigen von Normalbeton gemäss der Norm SIA 262. Für Leichtbetone können die Auswirkungen des Kriechens gemäss der Norm SIA 262 abgeschätzt werden. Die Kriechzahl φ(t,t0) ist mit dem rohdichteabhängigen Umrechnungsfaktor ηle (siehe Gl ) abzumindern.

15 Abb : Zusammenhang zwischen E-Modul und Trockenrohdichte eines Leichtbetons mit Blähton. Wärmeleitfähigkeit Die Empfehlung SIA 381/1 gibt für Leichtbetone mit leichter Gesteinskörnung aus Blähton Bemessungswerte für die Wärmeleitfähigkeit λ in Abhängigkeit von der Trockenrohdichte an (Tab ).

16 Tab : Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Trockenrohdichte für Leichtbeton mit Blähton und von Normalbeton (Bemessungswerte der Empfehlung SIA 381/1). Dauerhaftigkeit Gefügedichter Leichtbeton kann an der Betonoberfläche sehr viele Poren und Lunker mit einer Grösse bis zu mehreren Zentimetern aufweisen, die in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit ausüben. Es wird empfohlen, eine saugende Schalung zu verwenden, um Anzahl und Grösse der Lunker zu reduzieren. Zudem wird jedoch empfohlen, der Witterung ausgesetzte Bauteiloberflächen nachträglich, jedoch frühestens nach 28 Tagen, durch eine Hydrophobierung zu schützen, wenn die Rohdichteklasse des Leichtbetons kleiner D1.2 ist. Durch das Hydrophobieren wird der Frostwiderstand des Leichtbetons erhöht und das Reinigen von Verschmutzungen und Graffitis auf der Betonoberfläche vereinfacht. Betonzusammensetzung In Tabelle sind die Betonzusammensetzungen sowie ausgewählte Festbetoneigenschaften von unterschiedlichen Leichtbetonen aufgeführt.

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18 Abb : Betonieren einer Wand mit Leichtbeton. Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Leichtbetons für unterschiedliche Rohdichteklassen und ausgewählte Festbetoneigenschaften.