Formänderung von Beton

Frisch- und Festbeton sind keine volumenbeständigen Baustoffe, sondern verändern ihre Form bei Belastungen und äußeren Einwirkungen. Dies geschieht bei Temperaturveränderungen, Wasserentzug, Hydratation und statischer Beanspruchung durch kurze oder längere Lasteinwirkung. In der Folge kommt es zu unterschiedlichen Formänderungen, die mehr oder weniger ausgeprägte Risse im Beton entstehen lassen.

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Schrumpfen

Die Volumenverringerung ist mit der Hydratation verbunden. Das Volumen der Hydratationsprodukte im Zementstein ist größer als das Volumen von Zement und Wasser im Zementleim. Es kommt zu einer ungleichmäßigen Volumenverteilung. Das Schrumpfen ist statisch ohne Bedeutung.

Schwinden

Durch das Austrocknen des Frischbetons zum Festbeton kommt es zu einer Volumenverringerung des unbelasteten Betons. Das Schwindmaß hängt von den Austrocknungsbedingungen, den Bauteilabmessungen, dem Wasserzementwert und dem Zementsteinvolumen ab. Bei langsamer Austrocknung gelten für Normalbeton Schwindmaße von 0,2 mm/m bis 0,5 mm/m.

Quellen

Das Gegenteil des Schrumpfens ist das Quellen, eine Volumenvergrößerung des Materials; dies erfolgt z.B. durch Wasseraufnahme.

Treiben

Treiberscheinungen gehen auf chemisch-mineralogische Reaktionen zurück, die im Festbeton unter Volumenzunahme ablaufen, z.B. Sulfattreiben.

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Kriechen

Als Kriechen werden die bleibenden und/oder zeitabhängigen Formveränderungen von Festbeton unter Dauerlast bezeichnet. Das Kriechen wird auf die Bewegung und Umlagerung von Wasser im Zementstein zurückgeführt. Es ist eine Eigenschaft des Betons, die sich insbesondere bei Druckbelastung durch eine Gefügeumwandlung und Volumenverminderung äußert. Die Zunahme der Kriechverformungen wird mit der Zeit immer geringer und kommen erst nach mehreren Jahren nahezu zum Stillstand.

Das Kriechen zieht zwei Verformungsarten mit sich:

• Der reversible Verformungsanteil: Nach einer möglichen Entlastung mit zeitlicher Verzögerung formt sich das Bauteil wieder in seinen ursprünglichen Zustand (Rückkriechen). Das Alter des Betons ist davon wenig beeinflusst und erreicht schon nach kurzer Zeit seinen Endwert.

• Der irreversible Verformungsanteil: Bleibt nach Entlastung erhalten (Fließen) ist vom Betonalter abhängig und erreicht seinen Wert erst nach langer Zeit. Unter ungünstigen Randbedingungen kann die Endkriechzahl einen Wert von ungefähr 3,0 erreichen, d.h. die Betonverformungen durch Kriechen sind dreimal so groß wie aus der elastischen Verformung.

Zu den Einflussfaktoren des Kriechens gehören das Zementsteinvolumen, der Wasser-Zement-Wert, die Luftfeuchtigkeit, die Querschnittsgeometrie des Bauteils, die Erhärtungsgeschwindigkeit des Zementes und die Betondruckfestigkeit.

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Die Kriechzahlen werden im Labor mit dem Kriechversuch bestimmt. Die Angaben in der DIN 1045-1 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton gelten für das lineare Kriechen unter einer Druckspannung, d.h. die Kriechzahlen sind unabhängig von der Belastungshöhe. Dies gilt bis zu einer Spannung von ungefähr 45% der Zylinderfestigkeit des Betons. Bei höheren Betondruckspannungen tritt infolge einer verstärkten Mikrorissbildung des Betons das nichtlineare Kriechen auf. Dabei nehmen die Kriechverformungen mit steigender Belastung überproportional zu.

Bei der Berechnung von vorgespannten Betonteilen (Spannbeton) ist das Kriechen des Betons ein wichtiger Parameter, den es zu beachten gilt, da durch die Vorspannung immer große Betondruckspannungen vorhanden sind. Die sich daraus ergebenden Kriechdehnungen des Spannbetonbauteils vermindern die Spannstahldehnung und damit auch die Vorspannkraft. Das Kriechen des Betons kann aber auch maßgebend sein bei dem Tragfähigkeitsnachweis von schlanken Stahlbetonstützen oder bei dem Verformungsnachweis von schlanken Decken.

Elastische Formänderung

Das Elastizitätsmodul (E-Modul) gibt das Verhältnis von Spannung zur dazugehörigen elastischen Verformung an, die nach einer Entlastung völlig zurück geht.

Planungshilfe

Dem Thema Formänderung von Beton ist auch ein Abschnitt im Zement Taschenbuch der Deutschen Zementindustrie gewidmet. Auf 26 Seiten werden darin Verformungsursachen und -arten detailliert beschrieben. Das Dokument steht als Pdf-Datei auf der unter Surftipps genannten Website zum kostenlosen Download zur Verfügung.

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• www.vdz-online.de