Risse Einleitung. Allgemeines. Gebrauchstauglichkeit

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1 Risse Einleitung Allgemeines Bereits im Frischbeton können Risse durch rasche Volumenverminderung der oberflächennahen Betonschicht infolge des Wasserentzugs entstehen. Dieses Austrocknen wird durch geringe Luftfeuchte, Wind, Sonneneinstrahlung und ungünstige Temperaturen begünstigt. Im jungen und erhärteten Beton hingegen können Risse entstehen, wenn die durch Eigen- und Zwangsspannungen sowie durch äussere Belastung hervorgerufenen Zugspannungen die Zugfestigkeit des Betons übersteigen. Beton weist trotz seiner hohen Druckfestigkeit eine sehr geringe Zugfestigkeit in der Grössenordnung von 2 bis 3 N/mm² auf. In einem auf Zug oder Biegung belasteten Stahlbetonbauteil übernimmt der Beton die Druckkräfte und die Bewehrung die Zugkräfte. Erst durch die Bildung von Rissen im Beton können jedoch nennenswerte Kräfte auf den Bewehrungsstahl übertragen werden. Die Rissbreiten müssen begrenzt werden, um weder die Dauerhaftigkeit, die Dichtigkeit noch das Aussehen eines Bauwerks zu beeinträchtigen. Die Anforderungen an die Rissbildung bzw. die zulässigen Rissbreiten müssen zwischen dem Planer und dem Bauherrn abgestimmt und in der Nutzungsvereinbarung festgelegt werden. Die Begrenzung der Rissbildung spielt eine wesentliche Rolle beim Entwurf, dem Festlegen des Bewehrungsgrades und der Betonieretappen und entsprechend bei den Kosten des Bauwerks. Gebrauchstauglichkeit Dauerhaftigkeit Risse stellen Schwachstellen im Betongefüge dar, durch die betonschädigende und korrosionsfördernde Stoffe je nach Breite und Tiefe der Risse rasch in das Bauteilinnere eindringen können. Um die Dauerhaftigkeit eines Bauwerks sicherzustellen, werden die in Tabelle aufgeführten maximalen Rissbreiten für die

2 Expositionsklassen XC und XD empfohlen. Tab : Maximale Rissbreiten für die Expositionsklassen XC und XD. Aussehen Risse mit Breiten > 0.5 mm sind auch aus einem grösseren Betrachtungsabstand (>5 m) zum Bauteil gut zu erkennen und werden meist als störend wahrgenommen. Die Rissbreitenbegrenzung nach ästhetischen Kriterien hängt direkt vom Betrachtungsabstand, der Beleuchtung, der Oberflächentextur, dem Anforderungsniveau und dem Betrachter ab. In Abbildung ist die Beurteilung der Rissbreite in Abhängigkeit vom ästhetischen Anforderungsniveau und Abstand des Betrachters dargestellt (siehe Sichtbeton).

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4 Abb : Beurteilung der Rissbreite in Abhängigkeit vom ästhetischen Anforderungsniveau und dem Abstand des Betrachters. Erscheinungsformen In Tabelle sind die wichtigsten Rissarten und ihre Erscheinungsformen mit einer kurzen Beschreibung in der Reihenfolge ihrer zeitlichen Entstehung am Bauwerk aufgeführt. Für die Charakterisierung der Risse sind die nachfolgenden Punkte von Bedeutung: der Zeitpunkt der Rissentstehung Rissbreite (Grösse und Änderungen) Risstiefe und -verlauf im Betongefüge (z. B. V-förmig) Bewegung der Rissränder Wasserführung im Riss Verfärbung des Rissrandes Ablagerungen im oder entlang des Risses

5 Tab : Rissarten und Erscheinungsformen. Ursache und vorbeugende Massnahmen Die wichtigsten der vielfältigen Ursachen, die zu einer Rissbildung im Beton führen können,

6 sind in Tabelle aufgeführt: Tab : Ursachen für die Rissbildung im Beton mit den entsprechenden Einwirkungen. Die Rissbildung infolge von Lasten sowie von Temperaturund Setzungsdifferenzen wird nicht detailliert betrachtet (Abb ).

7 Abb : Risse in der Widerlagerwand einer Brücke infolge von Setzungen (mit roten Pfeilen gekennzeichnet). Risse infolge von Frostangriff, Sulfatangriff, Alkali-Aggregat-Reaktion sowie Korrosion der Bewehrung werden separat behandelt. Setzen des Frischbetons Ursache Das Setzen des Frischbetons beruht auf der Sedimentation der Feststoffe und dem gleichzeitigen Aufsteigen des Wassers an die Oberfläche aufgrund der Dichteunterschiede (siehe Ausblühungen). Es stellt sich ein, bevor der Zement abbindet, d. h. direkt nach dem Einbringen und Verdichten des Betons. Im ungünstigsten Fall können diese Setzungen bis zu 1 % der Bauteildicke betragen. Da junger Beton nur eine geringe Steifigkeit aufweist, kann er bei Versätzen oder über Bewehrungsstäben aufreissen, insbesondere dann, wenn die Bewehrungsüberdeckung gering ist (Abb ). Die sich im Frischbeton bildenden Rissen können durch Nachverdichten und Nachbearbeitung geschlossen werden. Diese Massnahme ist jedoch nur wirksam, wenn

8 sie zum richtigen Zeitpunkt, d. h. vor dem Erstarrungsbeginn, erfolgt.

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10 Abb : Rechtwinkliges Netz von Setzungsrissen. Vorbeugende Massnahmen Mit den folgenden Massnahmen kann die Rissbildung durch Setzen des Frischbetons verhindert oder begrenzt werden: Wahl einer steiferen Betonkonsistenz Verringerung der Zugabewassermenge Erhöhen des Mehlkornanteils oder Verwenden eines feiner gemahlenen Zements, um das Wasserrückhaltevermögen zu steigern und das Bluten zu verringern Betonieren von massigen Bauteilen in mehreren Schichten frisch in frisch oder langsames Betonieren. Früh- oder KapillarschwindenUrsache Bei heissen und/oder föhnigen Wetterverhältnissen können vor allem bei flächigen Betonbauteilen in den ersten Stunden nach dem Betonieren auffällige Risse entstehen. Diese Risse mit charakteristischer Verteilung und Entstehungszeit (Frühschwindrisse) werden durch das Frühoder Kapillarschwinden verursacht, solange der Beton noch nicht abgebunden hat (siehe Schwinden). Die Entstehung dieser Risse kann mit den Phasen 1 3 beschrieben werden (Abb ):

11 Abb : Entwicklung der Betonzugfestigkeit und der Schwindspannung. Phase 1: Plastischer Beton: Der frisch eingebrachte und verdichtete Beton gibt Wasser durch Bluten ab, so dass die Betonoberfläche von einem Wasserfilm bedeckt wird. Dieser Wasserfilm wird durch Verdunsten immer dünner. Wenn der Wasserfilm verschwindet, d.h. die Oberfläche abgetrocknet ist, beginnen auch die mit Wasser gefüllten Hohlräume im frischen Beton auszutrocknen. Dadurch entstehen Kapillarspannungen, die auch Schwindspannungen genannt werden. Der frische Beton zieht sich zu einem dichteren Gefüge zusammen. Der Wasserverlust ist von einer Volumenverringerung begleitet, indem sich der noch plastische Beton setzt. Phase 2: Grüner Beton: Die Schwindspannungen sind unschädlich solange der junge Beton sich plastisch verformen kann. Mit dem Ansteifen des Betons nimmt die Verformbarkeit ab, und die Schwindspannungen können die Zugfestigkeit des ansteifenden Betons überschreiten. Es können grosse, teilweise durchgehende Risse enstehen.

12 Phase 3: Festbeton: Nach Erstarrungsende setzt die Festigkeitsentwicklung des Betons ein, die mit zunehmender Austrocknung des Betons vom Trockenschwinden begleitet wird. Die Frühschwindrisse unterscheiden sich in ihrer Breite, Tiefe und ihrem Verlauf von Trockenschwindrissen, die sich erst im erhärteten Beton ausbilden. Anstelle von netzförmigen Rissen, zeigen sich einzelne, lange Risse, die oft auch von Aussparungen oder Ecken ausgehen. Im Allgemeinen sind Frühschwindrisse oberflächlich, können aber eine Rissbreite von 1 bis 2 mm und in ungünstigen Fällen das Bauteil durchtrennen (Abb ). Horizontale Bauteile (Decken- und Bodenplatten) mit grosserer Verdunstung ausgesetzter Oberfläche, sind durch das Früh- oder Kapillarschwinden besonders gefährdet. Neben der ästhetischen Beeinträchtigung des Betons, können die Risse auch die Frostschäden fördern. Zusätzlich kann der Verlust von Wasser die ausreichende Hydratation des Zements beeinträchtigen. Die Betonoberfläche weist dadurch einen Festigkeitsverlust, eine hohe Porosität und eine Tendenz zum Absanden auf. In ungünstiger Umgebung wird ein solcher Beton eine ungenügende Dauerhaftigkeit aufweisen.

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14 Abb : Tiefer Riss infolge Frühschwinden. Vorbeugende Massnahmen Je höher die Verdunstungsrate an der Oberfläche ist, desto grösser ist das Risiko der Frühschwindrissbildung. Diese wird erhöht durch Wind, hohe Temperaturen und niedrige relative Luftfeuchtigkeit. Die wichtigste vorbeugende Massnahme ist die frühzeitige und geeignete Nachbehandlung, die detailliert unter Nachbehandlung und Monobeton beschrieben wird. Es wird empfohlen, eine Zwischennachbehandlung durchzuführen. Abfliessende Hydratationswärme Ursache Risse infolge abfliessender Hydratationswärme entstehen innerhalb der ersten Tage nach dem Betonieren, wenn die durch Eigen- und Zwangsspannungen hervorgerufenen Zugspannungen die Zugfestigkeit des Betons überschreiten (siehe Abb unter Schwinden). Erhärtende Bauteile werden in Abhängigkeit von der Art des Bauwerkes, der Verbindung mit bereits erhärteten Bauteilen, den Abmessungen und dem Bauablauf in ihrer Verformung behindert. Daraus entsteht ein Risiko der Rissbildung (Tab ). Risse infolge abfliessender Hydratationswärme werden vor allem bei massigen Bauteilen mit einer Dicke von über 50 cm beobachtet. Beim Grossteil der üblichen Decken und Wände im Hochbau ist die abfliessende Hydratationswärme praktisch vernachlässigbar. Tab : Verformungsbehinderung und Rissbildung infolge abfliessender Hydratationswärme. Vorbeugende Massnahmen Risse infolge abfliessender Hydratationswärme können durch betontechnologische und zusätzliche Massnahmen vermieden oder begrenzt werden. Betontechnologische Massnahmen:

15 Die betontechnologischen Massnahmen dienen zur Begrenzung der Höchsttemperatur Tmax und der Temperaturdifferenz ΔTmax (Tab ). Es wird empfohlen, die Höchsttemperatur Tmax von 60 C nicht zu überschreiten und die Temperaturdifferenz ΔTmax auf 20 Kelvin zu begrenzen. Massnahmen zur Begrenzung der Höchsttemperatur Tmax: Verwendung eines Zements mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung (LH) oder einer niedrigen Festigkeitsklasse Verwendung eines Portlandkompositzements oder Ersatz eines Teils des Zements durch reaktive Betonzusatzstoffe wie Flugasche Begrenzung der Frischbetontemperatur (Lagerung der Gesteinskörnung im Schatten und Berieselung mit Wasser, Betonieren in den frühen Morgenstunden) Parken der Fahrmischer im Schatten und Berieselung der Mischertrommel mit Wasser Kühlen des Betons durch das Einbetonieren von Leitungen, in denen kaltes Wasser zirkuliert (Auswirkungen auf Tmax und ΔTmax wenn die Kühlschlangen im Kern angeordnet sind) Absenken der Frischbetontemperatur im Fahrmischer durch das Kühlen mit Stickstoff Massnahmen zur Begrenzung der Temperaturdifferenz ΔTmax: Ausschalen des Betons zum Zeitpunkt der Höchsttemperatur vermeiden, um einen Temperaturschock beim Ausschalen (rasche Abkühlung der Betonoberfläche) zu vermeiden. Dies ist insbesondere wichtig bei tiefen Umgebungstemperaturen und bei massigen Bauteilen. Verwendung von Dämmmatten. Dadurch werden die Temperaturdifferenzen im Bauteil geringer und der Temperaturabfall während der Abkühlung verlangsamt. Zugspannungen treten dadurch später auf, wenn die Zugfestigkeit bereits höher ist. Bei massigen Bauteilen kann es sinnvoll sein, die Höchsttemperatur abzuwarten (1 bis 2 Tage) bevor die Dämmmatten aufgelegt werden. Zusätzliche Massnahmen: Die zusätzlichen Massnahmen zielen darauf ab, das Entstehen von Rissen durch eine Verringerung des Einspanngrades, d. h. der Verformungsbehinderung, zu vermeiden und die Rissbreite bei zugelassener Rissbildung zu beschränken. Diese Massnahmen sind identisch mit denen zur Begrenzung des Schwindens und werden im nachfolgenden Abschnitt Schwinden näher behandelt.

16 Schwinden Ursache Wenn das autogene Schwinden und das Trockenschwinden behindert werden oder wenn das Trockenschwinden nicht gleichmässig im gesamten Querschnitt auftritt, entstehen Zugspannungen, die zur Rissbildung führen können. Die Entstehung der Risse hängt stark von der Geometrie und dem Einspanngrad des Bauteils ab. Die Rissbreite und die Rissverteilung werden durch geometrische Aspekte und die Bewehrung bestimmt. Vorbeugende Massnahmen Schwindrisse können durch betontechnologische und zusätzliche Massnahmen vermieden oder begrenzt werden. Betontechnologische Massnahmen: Wahl einer stetigen Sieblinie, um den Hohlraumgehalt und den Wasseranspruch der Gesteinskörnung zu minimieren Reduktion des Wassergehalts mit Hilfe von Fliessmitteln Einsatz eines Schwindreduktionsmittels Frühzeitige und sorgfältige Nachbehandlung Zusätzliche Massnahmen: Vermeidung von Verzahnungen mit dem Erdreich durch die Anordnung einer Gleitschicht aus z. B. Sand oder doppelt gelegter Folie (Abb ) Aufnahme von Spannungen an einspringenden Ecken und Öffnungen durch Zusatzbewehrung (Abb ) Begrenzung der Rissbildung durch Anordnung von Fugen. Die Abstände der Fugen hängen dabei von einer Vielzahl von Faktoren ab, z. B. Art des Baugrundes, erwartete Bauteilbewegungen, Lagerung des Baukörpers, Bauablauf und Betonierabfolge, Baukörpergeometrie, Bewehrung und Hydratationswärmeentwicklung des Betons Einplanen von Schwindgassen (Abb und Abb ). Sehr effiziente Massnahme auch bei abfliessender Hydratationswärme im Zeitraum von 5 15 Tagen Sorgfältige Planung der Betonierabschnitte. Die Anzahl und der zeitliche Abstand der einzelnen Bauabschnitte sollten möglichst gering gehalten werden, um die unterschiedlichen Schwindverformungen benachbarter Abschnitte, die sich gegenseitig behindern, zu minimieren

17 Beschränkung der Rissbreite durch Bewehrung. Einlegen einer ausreichenden Mindestbewehrung für eine feine Rissverteilung (fein verteilte Risse mit geringer Breite beeinträchtigen die Dauerhaftigkeit weniger und werden in der Regel besser toleriert als wenige Risse mit grosser Breite) Abb : Anordnung einer Gleitschicht unter einer Bodenplatte zur Verringerung der Reibung.

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19 Abb : Rissbildung im Anschlussbereich Stütze Bodenplatte infolge Kerbspannungen (oben), Zusatzbewehrung zur Vermeidung der Rissbildung (unten).

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21 Abb : Schwindgasse bei einem grossen Gebäude. Abb : Wahl der Betonieretappen bei einer Stützmauer (Längsansicht). a) Ungünstige Lösung: erhöhtes Rissrisiko. b) Günstige Lösung: geringes Rissrisiko. Tab : Einfluss verschiedener Massnahmen auf das Rissbildungsrisiko.