Grundlagen (Fach) / Beton im Wasserbau (Lektion)

Beton im Wasserbau

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• Was ist Zement? Zement ist nach DIN EN 197-1 ein hydraulisches Bindemittel, das heißt ein fein gemahlener Stoff, der mit Wasser gemischt Zementleim ergibt, der durch Hydratation erstarrt und erhärtet. Zement bleibt nach dem Erhärten auch unter Wasser fest und raumbeständig.
• Was ist Zementleim? Gemisch aus Wasser und Zement, von dessen Gewichtsverhältnis (Wasserzementwert) die Güte von Beton und Mörtel wesentlich beeinflusst wird.
• Was ist Zementstein? Der Zementleim umhüllt die Gesteinskörner, füllt die Hohlräume und macht denFrischbeton verarbeitbar. Durch das Erhärten des Zementleims entsteht Zementstein. Die Beschaffenheit des Zementsteins ist maßgebend für den Festbeton.
• Was macht ein Betonverflüssiger? verbessern die Verarbeitbarkeit des Frischbetons bei gleichem Wassergehalt und/oder verbessern die Festbetoneigenschaften durch Verminderung der Wasserzugabe (mögliche Wassereinsparung zwischen 5 und 10 l/m3 Beton). Die Wirkung beruht im Wesentlichen auf einer Dispergierung durch gleichpolar aufgeladene Feinstteiloberflächen. Daneben kann auch die Oberflächenspannung des Wassers herabgesetzt werden. Mögliche Nebenwirkungen: Einführung von Luftporen, Festigkeitsminderung, Erstarrungsverzögerung.   
• Was macht ein Fließmittel?   sind besonders stark verflüssigend wirkende Zusatzmittel, die auch nachträglich eingemischt werden dürfen. Sie wer- den dem Beton in größeren Mengen als Betonverflüssiger zugesetzt. Fließmittel bewirken eine erhebliche Verminde- rung des Wasseranspruchs und/oder eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Sie werden z. B. bei der Herstellung von Fließbeton (Konsistenzklasse F4 bis F6) und selbst- verdichtendem Beton, aber auch zur Einstellung der Kon- sistenzen F2 und F3, eingesetzt. Mögliche Nebenwirkungen: Einführung von Luftporen, Festigkeitsminderung, Erstarrungsverzögerung.   
• Was macht ein Verzögerer?   bewirken eine Verzögerung beim Erstarren des Zementleims und damit eine längere Verarbeitbarkeit von Beton. Man verwendet sie z. B. für größere Bauteile, die ohne Arbeitsfugen betoniert werden müssen, bei heißem Wetter oder bei Transportbeton (lange Fahrzeiten). Da die Wirkung stark vom verwendeten Zement und von der Temperatur abhängt, sind erweiterte Erstprüfungen – auch bei verschiedenen Temperaturen – erforderlich. Verzögerer der Wirkstoffgruppen Saccarose und Hydroxycarbonsäure dürfen in einigen Bereichen nicht eingesetzt werden. Verarbeitbarkeit, Wasserundurchlässigkeit, Nacherhärtung und Endfestigkeit des Betons können positiv beeinflusst werden. Mögliche Nebenwirkungen: „Umschlagen“ (d. h. eine Umkehrung der Wirkung bei überhöhter Dosierung), stärkere Ausblühungen, Farbunterschiede bei glattem Sichtbeton, ggf. erhöhtes Schwinden.   
• Was macht ein Beschleuniger?   bewirken eine Beschleunigung des Erstarrens bzw. Erhärtens und damit aber auch eine schnellere Wärmeentwicklung. Man unterscheidet Erstarrungsbeschleuniger (BE), Erhärtungsbe- schleuniger (BE) und Spritzbetonbeschleuniger (SBE). Erstarrungsbeschleuniger verringern die Zeit bis zum Erstarrungsbeginn (Übergang der Mischung vom plastischen in den festen Zustand). Erhärtungsbeschleuniger beschleunigen die Anfangsfestigkeit mit oder ohne Einfluss auf die Erstarrungszeit. Sie werden z. B. bei Betonwaren eingesetzt. Spritzbetonbeschleuniger beschleunigen das Erstarren unterhalb der in DIN EN 934-2 festgelegten Grenzwerte für her- kömmliche Erstarrungsbeschleuniger und werden vor allem für Spritzbeton eingesetzt. Zu den Erstarrungs- bzw. Erhärtungsbeschleunigern gehören auch die so genannten Frostschutzmittel. Auf der Baustelle sind die „klassischen“ Winterbaumaßnahmen (z. B. Verwendung ei- nes Zements höherer Festigkeitsklasse, Erwärmen des Betons und Abschirmen gegen Kälte nach dem Einbau) meist jedoch zusätzlich notwendig. Mögliche Nebenwirkungen: Minderung der Betonfestigkeit, geringere Nacherhärtung, geringere Wasserundurchlässigkeit, „Umschlagen“ (d. h. eine Umkehrung der Wirkung bei Fehldo- sierung).   
• Was machen Luftporenbildner?   erzeugen kleine kugelförmige Luftporen im Beton. Diese Kugelporen bleiben mit Luft gefüllt und vermindern den Eisdruck, der im Winter durch das Gefrieren des in den Kapillarporen des Festbetons befindlichen Wassers entsteht (Eis nimmt etwa 9 % mehr Raum ein als Wasser). Die Luftporen erhöhen also den Widerstand des Betons gegen Frost- und Tausalzangriffe. Sie können die Verarbeitbarkeit des Frischbetons verbessern sowie den Mehlkorngehalt und den Wasseranspruch vermindern, da sie gewissermaßen wie kleine Kugellager wirken. Faustregel: 1 % zusätzlich eingeführte Luftporen ermöglichen eine Wassereinsparung von etwa 5 l/m3 Frischbeton und erzielen im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit die gleiche Wirkung wie etwa 10 bis 15 kg Mehlkorn. Da der Luftporeneintrag stark von der Betonzusammensetzung, der Herstellung und der Temperatur beeinflusst wird, ist ein erhöhter Überwachungs- und Prüfaufwand am Luftporen- beton erforderlich. Mögliche Nebenwirkungen: Minderung der Betonfestigkeit.   
• Was machen Stabilisierer?   können das Zusammenhaltevermögen des Frischbetons erhöhen, seine Verarbeitbarkeit verbessern und das Wasser absondern (Bluten) vermindern. Der Frischbeton wird gleitfähiger und besser verarbeitbar. Stabilisierer erleichtern die Herstellung von Pumpbeton und erhöhen die Qualität von Spritzbeton (weniger Rückprall), Unterwasserbeton und Sichtbetonflächen, insbesondere bei Leichtbeton. Bei der Herstellung von selbstverdichtendem Beton können sie eine evtl. vorhandene Entmischungsneigung verringern. Mögliche Nebenwirkungen: Bei Überdosierung Einführung von Luftporen, Kleben des Feinmörtels und dadurch schlechtere Verarbeitbarkeit.   
• Wie entstehen Kapillarporen im Zementstein? Welche Bedeutung für die Betoneigenschaften haben der Kapillarporenraum? Kapillarporen entstehen, wenn mehr Wasser vorhanden ist als für die Hydratation benötigt wird. --> Wasser verdunstet und lässt Poren zurück. Bei steigendem w/z-Wert steigt auch der Kapillarporenanteil.
• Nennen Sie je ein Messverfahren zur Bestimmung des Gesamtporenvolumens und der Porengrößenverteilung im Beton. 1. Luftporenanalysator "Rapid Air" Bei der Messung wird die Probe mit einer CCD-Kamera und einem Mikroskop-Objektiv abgetastet 2. Quecksilberdruckporosimetrie
• Welche Porenarten liegen im Beton vor? Ordnen Sie diese Poren nach ihrer Größe. - Gelporen, entstehen reaktionsbedingt, sind immer vorhanden und haben keinen negativen Einfluss - Kapillarporen - Luftporen, entstehen durch das Mischen
• Bei einem Frost-Tausalz-Angriff wird die Zerstörung des Betons durch gefrierendes Wasser in den Kapillarporen verursacht. Was bewirkt in diesem Falle die Zugabe von LP-Mitteln oder künstlichen vorgefertigten Luftporen? Gewollte mikrofeine Luftporen, die sollen Kapillarwirkung der vorhandenen Kapillaren verhindern und bilden Expansionsraum für die Ausdehnung von Wasser. Durchmesser < 300 µm 
• Die Nachbehandlungsdauer für Beton ist in der Richtlinie des DAfStb festgelegt. Warum wird in der ZTV-W 215 (Wasserbauwerke aus Beton und Stahlbeton) eine längere Nachbehandlungsdauer gefordert? Es wird eine längere Nachbehandlungsdauer aufgrund der erhöhten Beanspruchung gefordert. mind. 2 d länger, hauptsächlich Oberflächenbereich
• Welche technologischen/ stofflichen Maßnahmen gibt es, um einen Beton Frost-Tausalz-beständig herzustellen? sogenannte deskriptive Forderungen der Norm: - Betonzusammensetzung • w/z-Wert • GK, Anrechenbarkeit von ZSS • LP fehlt - Betondeckung - Technologie: Einbringen, Verdichten, Nachbehandlung
• Nennen Sie mind. 3 direkte Kennwerte, mit denen die Dauerhaftigkeit von Beton eingeschätzt werden kann und erläutern Sie kurz deren Nachweis. 1. Wassereindringtiefe unter Druck, mittels Druckdifferenz zwischen Ober und Unterseite der Probe, nach 72 h spalten und Messung der Tiefe der eingedrungenen Wasserfront 2. Chloridmigrationskoeffizient, Widerstand gegen Chlorideindringen; Aufbringen eines elektrischen Feldes, Spalten der Probe, mittels Indikatorlösung = Silbernitratlösung besprühen, Eindringtiefe messen 3. Karbonatisierungstiefe, Spalten der Probe, Indikatorlösung = Phenolphthanleinlösung, Messen der Eindringtiefe 4. Verschleißwiderstand, Messung des Massenverlustes bei Verschleißversuchen 5. Frost- Tausalzwiderstand, Nachweis deskriptiv durch Festlegung von Mindestdruckfestigkeiten, w/z-Wert, Mindestzementgehalt, Mindestluftporengehalt; Eignungsprüfung mit CIF (Bestimmung der inneren Gefügeschädigung mit Ultraschalllaufzeitmessung) und CDF Test (Bestimmung der Abwitterung) 6. Sulfatwiderstand, Reakton von Calciumaluminat/ Calciumaluminathydraten zu Ettringit mit ca. 8facher Volumenzunahme - Rissbildung; Widerstand erhöhen mit Zementen mit hohem HS-Widerstand (wenig C3A) und geeignete Zuschläge
• Wie wird unbewehrter Beton durch Chloride geschädigt? Lösender Angriff (Auslaugung) - Bildung von leichtlöslichen Salzen (NaCl zu CaCl2) gebundene Chloride sind ungefährlich, frei hingegen im Porenwasserlösung verursachen Korrosion.
• Nennen Sie mind. 3 Einflussfaktoren auf die Diffusion von Chloriden in den Zementstein! a. Betonzusammensetzung --> je dichter desto besser b. Porosität c. Umgebungsbedingungen (Konzentrationsgefälle, Temperatur) d. Betondeckung e. w/z- Wert, muss gesenkt werden, denn so dichter ist das Gefüge f. Nachbehandlung g. ph-Wert h. Risse, Lunker i. Zeit (Hydrationsgrad, Einwirkungsdauer) j. Zementgehalt/ Zementart
• Chloride reichern sich in Abhängigkeit der äußeren Beanspruchung verschieden stark an Beton an. Es werden folgende Bereiche betrachtet: Kapillarzone, Dauertauchzone, Wechseltauchzone. In welcher Reihenfolge erfolgt eine qualitative Abstufung hinsicht Dauertauchzone 1,0 Wechseltauchzone 1,8 Kapillarzone 4,4
• Ein Fundamentbeton soll sulfathaltigen Grundwässern widerstehen. Wählen Sie Zemente für diesen Beton aus und begründen Sie ihre Auswahl! Bei starkem chem. Angriff sind Zemente mit einem hohen Sulfatwiderstand (HS) nach DIN 1164.1 zu verwenden. Bei diesen Zementen handelt es sich entweder um Portlandzemente mit einem C3A-Gehalt <= 3 M-% und einem Al2O3-Gehalt <= 5 M-% oder um Hochofenzemente mit mind. 65 M-% Hüttensand. Da die Diffusionsgeschwindigkeit der Sulfationen maßgeblich von der Dichtheit des Porengefüges bestimmt wird, werden nach DIN 1045 der w/z-Wert auf 0,50 und die Wassereindringtiefe auf 30 mm begrenzt.
• Definieren Sie den Begriff "Nachbehandlung" von Beton! Nennen Sie mind. 3 Maßnahmen zur Nachbehandlung von Beton. a. Die Nachbehandlung soll sicherstellen, dass auch in den oberflächennahen Bereichen des Betons ausreichen Wasser für die Hydratation des Zements zur Verfügung steht. b. Belassen in der Schalung. c. Abdecken mit Folien. d. Aufbringen wasserhaltender Abdeckungen. e. Aufbringen von flüssigen Nachbehandlungsmitteln. f. Kontinuierliches Besprühen mit Wasser.
• Nennen Sie Möglichkeiten für Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Betonen. a. Nachbehandlung b. Korrekte Einschätzung der Expositionsklasse (Einwirkungsseite) c. Beton mit hohem Widerstand gegen: i. Frost- Tausalz Beanspruchung ii. Chloride/ Sulfate iii. Verschleiß d. Ausreichende Betondeckung e. Einhaltung der Anforderung an die Betonzusammensetzung (Widerstandseite)
• Was ist unter der Bezeichnung "Weiße Wanne" zu verstehen? a. Bei der weißen Wanne sind aufgrund ihrer Konstruktion keine zusätzlichen Dichtungsbahnen erforderlich. Bodenplatte und Außenwände werden als geschlossene Wanne und Beton mit hohem Wassereindringwiderstand nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 hergestellt. Diesen Beton nennt man auch wasserundurchlässigen Beton oder WU-Beton. b. Abdichtung und Tragwirkung wird vom Baustoff Beton übernommen.
• Nennen und beschreiben Sie kurz die wesentlichen Transportmechanismen von Flüssigkeit und Gasen in Baustoffen. a. Kapillares Saugen aufgrund Oberflächenkräfte b. Diffusion aufgrund Konzentrationsgefälle c. Permeation aufgrund Druckdifferenz d. (Osmose) = Diffusion an semipermeablen Membran
• Von welchen Größen hängt die Wasserundurchlässigkeit des Zementsteins ab? a. Betonqualtität - Niedriger w/z- Wert - Zementgehalt - Festigkeit b. Rissbreiten (aus z.B. Hydratationswärme) c. Bauteildicke d. Druckgefälle  
• Wie wird Beton mit hohen Wassereindringwiderstand die erforderliche Dichtigkeit nach geltendem Regelwerk sichergestellt? Nennen Sie die wesentlichen Voraussetzungen! a. Begrenzung des w/z-Wertes max. 0,6 <= 40 cm Bauteildicke; max. 0,7 > 40 cm Bauteildicke b. Mindestdruckfestigkeitsklasse C 25/30 c. Mindestzementgehalt 280 kg/m3
• Was ist unter Selbstheilung von Beton zu verstehen? Beschreiben Sie kurz das Phänomen und nennen Sie die wesentlichen Ursachen und Einflussgrößen! a. Selbstheilung = Kleinere, anfänglich durchfeuchtete Risse im Beton schließen sich unter bestimmten Voraussetzungen b. Chemisch/ physikalische Prozesse i. Neubildung von Calciumcarbonat (> 75 %) ii. Nachhydration des Zementsteins (< 15 %) iii. Quellen des Zementsteins ( < 10 %) c. Mechanisches Zusetzen i. Feinststoffe im Wasser ii. Lose Partikel aus dem Beton
• Erläutern Sie allgemein den Begriff "Verschleiß"! Fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen d.h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers
• Nennen Sie mind. 3 Einflussgrößen für den Verschleißvorgang allgemein bezogen auf den beanspruchten Stoff! a. Härte --> Eindringwiderstand b. Verformungsverhalten c. Festigkeit --> gegenüber Spannungen d. Stoßverhalten e. Dichte f. thermische Eigenschaften g. Oberflächenbeschaffenheit h. Atomare Struktur
• Nennen Sie nicht baustoffbezogene Einflussgröße (Einwirkungsseite) für Verschleiß von Beton im Wasserbau. a. Anstrahlwinkel/ Anprallwinkel b. Schleifend/ prallend/ hüpfend c. Fließgeschwindigkeit d. Belastungsdauer e. Härte/ Form/ Größe Sediment
• Welche betonspezifischen Parameter bestimmen den Verschleißwiderstand? a. Zuschlag (Sieblinie, Kornform) b. (Begrenzung des) Zementgehalts c. (Absenken des) w/z-Wert d. Nachbehandlung e. Zusatzmittel zur Verbesserung der  Matrix/ Zementsteins (Mikrosilika) f. Zusatzstoffe: Stahlfasern g. Zuschlagsform, Zuschlagsgröße, Zuschlagshärte --> Dichte Packung
• Nennen Sie zwei wesentliche Gründe für die Herstellung von Faserbeton und nennen Sie mögliche Anwendungsgebiete! a. Rissbreitenbegrenzung (Zunahme der Zugfestigkeit) - Korrosionsschutz bei Sanierung von Betonbauwerken b. geringe Dichte - leichtere Konstruktionen (Verankerungen in weniger tragfähigem Untergrund bei der Sanierung) c. Feuerwiderstand - Zugabe von Fasern bei Spritzbeton aus Auskleiderung im Tunnelbau.
• Was ist Massenbeton? Definition - Bauteilabmessungen so groß, dass besondere Einbauverfahren nötig - Kleinste Abmessung > 1,0 m - ! Hydratationswärme muss besonders berücksichtigt werden !
• Was ist die Hauptanforderung an den Massenbeton? Welche Folgen können entstehen? a. Begrenzung der Hydrationswärme b. Folgen: behinderter Wärmefluss --> Wärmestau --> Aufheizen Bildung von Rissen und Zugspannungen
• Wovon ist die Hydratationswärme abhängig? - Zementart - Zementfestigkeit - Zementmenge - Frischbetontemperatur - Bauteilabmessungen - Umgebungstemperatur - Schalungsdämmung
• Massenbeton: Maßnahmen zur Vermeidung von Rissen infolge Hydratationswärme! 1. Unterteilung in Betonierabschnitte 2. Senkung Frischbetontemperatur (Kühlung von Anmachwasser, Zuschlag) 3. Kühlen des Frischbetons 4. Rohrinnenkühlung (problematisch) 5. Betonzusammensetzung
• Massenbeton: Zusammensetzung? - Alle LH - Zemente <= 270 J/g während der ersten 7 d - Hochofenzemente CEM III/A und CEM III/B - Geringer Gehalt an C3S und C3A - Größkorn > 63 mm - Grobkörniger Zuschlag (weniger spez. Oberfläche) mit guter Wärmeleitfähigkeit - Mineralogie: - z.B. Quarzite und Kalksteine -> hohe Wärmeleitfähigkeit  - geringe Wärmedehnzahl z.B. Kalksteine - Zusatzmittel: LP-Bildner (Widerstand Frost-Tausalz), Verzögerer, Betonverflüssiger - Zusatzstoffe: Flugasche (weniger Zement, --> Herabsetzen der Hydratationswärmeentwicklung)  
• Wofür steht die Abkürzung RCC? RCC = Roller-Compacted-Concrete = Walzbeton
• Was ist ein Walzbeton? Definition! - Erdfeuchter Beton extrem zement- und bindemittelarm - sehr steife Konsistenz - Einbau mit Erdbaumaschinen
• Walzbeton: Anwendung! - Staumauern - Kernbeton von Gewichtsstaumauern - Verkehrsflächen - Industriehallenböden
• Walzbeton: Zusammensetzung! - Zementgehalt ca 50 kg/m3 bis 120 kg/m3 - Hoher Flugascheanteil --> geringe Hydratationswärme --> Nachweis       nach 56 bis 180 d - Wassergehalt ca. 70 kg/m3 bis 120 kg/m3 - Gesteinskörnung sehr grob bis 150 mm
• Was sind die Vor- und Nachteile des Walzbetons? Vorteile: - starke Reduzierung des Zementgehaltes - hoher Automatisierungsgrad - schneller Baufortschritt Nachteile: - geringer Widerstand gegen Umwelteinflüsse  
• Walzbeton: Einbau und Verarbeitung - In horizontalen Schichten - Transport mittels Transportbändern, Kippladern - Schwere Planierraupen - Verdichten mit schweren Rüttelwalzen
• Dränbeton: Definition - haufwerkporiger, hohlraumreicher Beton für Entwässerungsaufgaben - Enhält gerade so viel Feinmörtel, dass die Gesteinskörnung umhüllt und punktuell miteinander verbunden ist
• Wofür wird Dränbeton verwendet? - Filterbeton - Entwässerung von Straßen - Betonfilterrohre - Flüsterbeton
• Was sind die Anforderungen an den Dränbeton? - Wasserdurchlässigkeit --> Gesteinskörnung Einkorn, Ausfallkörnung - hohe Anfangsfestigkeit --> CEM I 42,5 - Filterstabilität --> Zusatzmittel Polymerdispersion - Widerstand gegen betonangreifendes Wasser --> HS Zement
• Wie definiert man Unterwasserbeton? Unter Wasser eingebauter Beton mit entsprechenden Eigenschaften.
• Wo wird Unterwasserbeton eingesetzt? - Hafenbauwerke - Brückenpfeiler - Betonsohlen - Baugruben - Fundament bei Gründungen im Grundwasser
• Was sind die Anforderungen an Unterwasserbeton? Frischbeton und Festbeton. Frischbeton: - Fließfähige Konsistenz - Gutes Zusammenhaltevermögen - Verarbeitbarkeit (frisch in frisch) --> Verzögerer etc... Festbeton: - Festigkeit und Dauerhaftigkeit tragender Bauteile - Hohe Frühfestigkeit - Hoche Dichtigkeit - Hoher Widerstand gegen chem. Angriff
• Wie wird Unterwasserbeton eingebaut? - ohne Unterbrechnung - Wasser muss ruhig stehen - kein freies fallen durchs Wasser --> entmischen - frisch in frisch

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