Beton ist kein volumenstabiler Baustoff. Er durchläuft während der Hydratation und Erhärtung zahlreiche Formänderungen, die unterschiedliche Ursachen haben und zu Spannungen sowie Rissbildung führen können. Schwindkompensierte Betone setzen gezielt Expansionszusätze ein, um das natürliche Schwinden auszugleichen und Rissrisiken zu minimieren. Für Planer und Baustoffingenieure sind die zugrundeliegenden Mechanismen, relevante Normgrundlagen und der Unterschied zwischen Schrumpfen, Schwinden, Quellen und Treiben entscheidend.

Welche Formänderungen durchläuft Beton?

Frisch- und Festbeton verändern ihre Form bei Temperaturänderungen, Wasserentzug, Hydratation und statischer Beanspruchung. Die wesentlichen Formänderungsarten lassen sich wie folgt unterscheiden:

  • 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. Bei langsamer Austrocknung gelten für Normalbeton Schwindmaße von 0,2 mm/m bis 0,5 mm/m.
  • Quellen: Das Gegenteil des Schrumpfens ist eine Volumenvergößerung des Materials, die durch Wasseraufnahme erfolgt.
  • Treiben: Treiberscheinungen gehen auf chemisch-mineralogische Reaktionen zurück, die im Festbeton unter Volumenzunahme ablaufen, zum Beispiel Sulfattreiben.

Wie funktioniert Kriechen im Festbeton?

Als Kriechen werden die bleibenden und 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 kommt erst nach mehreren Jahren nahezu zum Stillstand.

Das Kriechen zieht zwei Verformungsarten mit sich: Der reversible Verformungsanteil bildet sich nach einer möglichen Entlastung mit zeitlicher Verzögerung wieder in den ursprünglichen Zustand zurück (Rückkriechen). 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 – die Betonverformungen durch Kriechen sind dann dreimal so groß wie aus der elastischen Verformung.

Welche Faktoren beeinflussen das Kriechverhalten?

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. 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 bis zu 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, da durch die Vorspannung immer große Betondruckspannungen vorhanden sind. Die sich daraus ergebenden Kriechdehnungen des Spannbetonbauteils vermindern die Spannstahldehnung.

Schwindkompensation durch Expansionszusätze

Schwindkompensierte Betone nutzen Expansionszusätze, um die Volumenverringerung durch Schwinden auszugleichen. Diese Zusätze erzeugen eine kontrollierte Volumenzunahme während der Erhärtungsphase, die das spätere Schwinden ganz oder teilweise kompensiert. Dadurch lassen sich Zugspannungen im Beton reduzieren, die ohne Kompensation zu Frühschwindrissen oder späteren Trocknungsschwindrissen führen würden.

Die Anwendung schwindkompensierter Betone ist besonders bei großflächigen Bauteilen, Industrieböden, Tunnelinnenschalen und Wasserbauwerken von Interesse, wo Rissfreiheit aus funktionalen oder Dauerhaftigkeitsgründen gefordert wird. Für die praktische Anwendung sind neben den Materialeigenschaften auch die konstruktive Ausbildung, die Bewehrungsführung und die Nachbehandlung entscheidend.

Normative Grundlagen und Instandsetzungsprinzipien

Die normative Bewertung von Formänderungen und Schäden in Stahlbeton-Konstruktionen erfolgt in Österreich unter anderem nach ÖNORM EN 1504. Diese Norm fasst Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen in insgesamt 11 Prinzipien zusammen. Die Prinzipien 1 bis 6 befassen sich mit den Schäden im Beton oder in Betontragwerken, die Prinzipien 7 bis 11 mit der Korrosion der Bewehrung.

Für Bauchemie-Hersteller wie Sika ist die Kenntnis dieser Prinzipien wesentlich, um passende Systemlösungen zu entwickeln. So bietet Sika unter anderem Betonersatzsysteme, Schutzbeschichtungen und Abdichtungslösungen an, die auf die verschiedenen Schadensmechanismen und Anforderungen der Norm abgestimmt sind.

Praxisempfehlungen für Planer und Verarbeiter

Bei der Planung schwindkompensierter Betone müssen Ingenieure mehrere Faktoren berücksichtigen: die erwarteten Austrocknungsbedingungen, die Bauteilabmessungen, den Wasserzementwert und das Zementsteinvolumen. Um einem Durchbiegen vorzubeugen, werden beispielsweise Träger und Deckenplatten vorverformt hergestellt. Das Maß dieser sogenannten Überhöhung hängt von der erwarteten Belastung des Bauteils ab.

Risse entstehen durch innere Spannungen und äußere Kräfte (Lastspannungen). Eine sorgfältige Nachbehandlung und gegebenenfalls der Einsatz von Expansionszusätzen können die Rissbildung minimieren. Verwandte Themen wie Luftporenbildner oder die Sulfatbeständigkeit sind für die Dauerhaftigkeit von Betonen ebenfalls relevant und sollten in der Gesamtkonzeption berücksichtigt werden.