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2 + 11
104. Jahrgang
Februar 2009, S. A20-A21
Februar 2009, S. 105-112
November 2009, S. 747-753
Beton- und
Stahlbetonbau
Sonderdruck
- Zement und Beton:
Umwelteffizienz und besondere Anforderungen an Bauwerke
- Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
- Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken

Zement/Beton
Zement und Beton: Umwelteffizienz und
besondere Anforderungen an Bauwerke
Die Herstellung von Baustoffen, ihre Verarbeitung und die
Nutzung der daraus entstandenen Bauwerke bedeuten immer
Eingriffe in die Umwelt. Den gewünschten und mit dem Bauwerk
geplanten Wirkungen stehen Eingriffe gegenüber, die
nicht erwünscht, aber notwendig sind, um die Baustoffe zu
produzieren und zu verarbeiten. Das Ziel muss sein, die unerwünschten
Wirkungen so gering wie möglich zu halten.
Manchmal heißt das auch sich von Vertrautem zu lösen und
neue Wege zu gehen. Als Hersteller von Zement und Beton
stellt sich CEMEX dieser Herausforderung.
Unterzieht man die zementgebundene Betonbauweise einer
Lebenszyklusanalyse, kommt man zu dem Ergebnis, dass es sich
um eine effektive und damit nachhaltige Technologie handelt.
Die Basis der Zementproduktion bildet die Herstellung von
Portlandzementklinker, ein Prozess, der stoff- und energiebedingt
mit einer CO 2 -Emission verbunden ist. Die Verwendung
von CEM II- und CEM III-Zementen unterstützt die Umwelteffizienz
der Betonbauweise durch eine zusätzliche Verbesserung
der CO 2 -Bilanz.
Für CEM II- und CEM III-Zemente von CEMEX werden
neben Portlandzementklinker die Hauptbestandteile Hüttensand
(S) und Kalkstein (LL) verwendet. Gleichzeitig verfügen
diese Hauptbestandteile über spezielle Eigenschaften, die genutzt
werden, um qualitativ hochwertige und gleichmäßige
Zemente herzustellen. Hinsichtlich der Zementart und der verwendeten
Hauptbestandteile sind dabei auch die jeweils an den
Produktionsstandorten verfügbaren Rohstoffe entscheidend.
Um CEM II- und CEM III-Zemente erfolgreich einsetzen
zu können, müssen diese modernen Betonkonzepten und Verarbeitungstechnologien
gerecht werden. Gleichzeitig sind in den
Bauprozessen gewonnene Erfahrungen und gewohnte Handlungsweisen
zu berücksichtigen. Die Verarbeitbarkeit des
Frischbetons und die Festigkeitsentwicklung sind dabei zwei der
wesentlichen Aspekte. Um leistungsfähige CEM II-/CEM III-
Zemente für die Bauindustrie bereitzustellen, hat CEMEX Zement
eine umfangreiche Produktpalette entwickelt. Beispielhaft
seien hier der CEM III/A 52,5 N-HS/NA, der CEM II/B-S 42,4
R-NA und der CEM II/B-M(S-LL) 32,5 R-AZ genannt – Zemente,
die über die Normenanforderungen hinaus aufgrund bauaufsichtlicher
Zulassungen ihre Eignung für vielfältige Anwendungen
unter Beweis gestellt haben. Grundlage für diese Zulassungen
waren umfangreiche Entwicklungen und Prüfungen.
CEMEX Zement und CEMEX Transportbeton sind seit
Jahrzehnten führend bei der Produktion und Anwendung von
Portland-Komposit- und Hochofenzementen und tragen so
schon lange zur CO 2 -Reduktion bei. Die folgenden Beispiele
zeigen, wie Umwelteffizienz und besondere Anforderungen an
Bauwerke sich sinnvoll ergänzen können.
Flugbetriebsflächen Köln-Bonn
Der Flughafen Köln/Bonn ist das größte Low-Cost-Drehkreuz
in Deutschland. Die hoch beanspruchten Flugbetriebsflächen
müssen dauerhaft tragfähig und verkehrssicher sein. 2008 wurden
685 m der bestehenden 50 m breiten Start- und Landebahn
entsprechend der Vorgaben des Regelwerkes durch eine 45 m
breite Start- und Landebahnbefestigung aus Beton sowie zwei
7,50 m breite Schultern aus Rasengittersteinen ersetzt. Zur Ausführung
gelangte ein modifizierter Aufbau der ARGE Gebrüder
von der Wettern (vdw)/Strabag Bau AG mit einer Gesamtdicke
von 81 cm:
– 36 cm Betondecke C 35/45
– 15 cm HVT im Baumischverfahren
– 30 cm Verfestigung des anstehenden Bodens
Für die Baumaßnahme lieferte die CEMEX HüttenZement
GmbH in Dortmund ca. 5000 t Portlandhüttenzement
CEM II/A-S 42,5 N (st) mit einem Spitzenversand von 837 t am
5. Mai 2008. Der CEM II/A-S 42,5 N (st) wird dabei sowohl bei
der Fremdüberwachung (Verein Deutscher Zementwerke) als
auch in der Eigenüberwachung hinsichtlich der zusätzlichen Anforderungen
aus der Feuchtigkeitsklasse WS bzw. des Einsatzes
als Fahrbahndeckenzement geprüft.
Betondecken werden als biegebeanspruchte Bauteile bemessen.
Folglich ist die Biegezugfestigkeit des Betons von maßgeblicher
Bedeutung. Die hohe Biegezugfestigkeit des Deckenbetons
mit CEM II/A-S 42,5 N (st) bedeutet eine effektiv erhöhte
Tragfähigkeit und bietet Festigkeitsreserven für ggf. noch zunehmende
Verkehrsbelastung.
Kühlturm-Neubau im Braunkohlekraftwerk Boxberg
Bei modernen Kohlekraftwerken werden die gereinigten Verbrennungsgase
i. d. R. nicht durch einen Schlot, sondern durch
den Kühlturm abgeführt. Weil dabei die Bildung von schwachen
Säuren und deren Niederschlag auf der Kühlturmschale nicht
ausgeschlossen werden kann, wurden derartige Kühltürme in
der Vergangenheit mit Kunststoffen beschichtet. Die Beschichtungen
mussten regelmäßig erneuert werden, was entsprechende
Betriebsstillstände nach sich zog. Vermeiden kann man diesen
unerwünschten Aufwand, indem man für die Tragkonstruktion
einen Beton mit einem erhöhten Widerstand gegenüber Säureangriff
verwendet. Dieser ist mittels Performance-Test nachzuweisen.
Ein erster solcher Kühlturm entstand im Kraftwerk Niederaußem
(1999/2000), gefolgt von den Kühltürmen des Kraftwerks
Neurath. Dabei kam noch Portlandzement CEM I 42,5R-
HS/NA in Verbindung mit Mikrosilika und Schmelzkammerflugasche
zum Einsatz. Beim Kühlturm des Kraftwerkes Boxberg
(2007/2008) wurde erstmals die Kombination CEM II/B-S
42,5R-NA, Feinstflugasche und Trockenfeuerungsflugasche ver-
Bild 1. Umwelteffizienz von Zement: Ressourcenaufwand bei der Portlandklinker-,
Zement- und Betonproduktion sowie Erstellungsaufwand für das Bauwerk bei Sicherung
der erforderlichen Bauwerkdauerhaftigkeit
Bild 2. Anteil der in Deutschland hergestellten Zementarten am Inlandsversand
(2007) und Produktion von CEMEX-Zement (Stand 2008)
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2 3

Zement/Beton
Bild 3. Flugbetriebsfläche Flughafen Köln-Bonn
Bild 5. O 2 World – eine Arena der Superlative, Betonfestigkeitsklassen bis zu C
100/115 (Grafiken/Fotos: CEMEX Deutschland)
Fazit
Die gebauten Erfahrungen belegen, dass Portland-Kompositzemente
ihren Weg in die Baupraxis gefunden haben. Die genannten
Beispiele zeigen exemplarisch, dass mit diesen Zementen
Beton für höchste Beanspruchungen der verschiedensten Art
sicher und qualitätsgerecht herstellbar ist. Portland-Kompositzemente
ergänzen das seit Jahrzehnten bewährte Sortiment der
Hochofenzemente und sind im Begriff, die Portlandzemente im
Bereich des Transportbetons vollständig abzulösen.
Dipl.-Ing. Peter Lyhs, CEMEX OstZement GmbH;
Prof. Dr.-Ing. Rolf Silbereisen, CEMEX Deutschland AG
Weitere Informationen:
CEMEX Deutschland AG,
Daniel-Goldbach-Straße 25, 40880 Ratingen,
Tel. (033638) 54-220, Fax (033638) 54-299,
info.de@cemex.com,www.cemex.de
Bild 4. Kühlturm Boxberg – Beton mit erhöhtem Widerstand gegen Säureangriff
wendet, die auch für den Kühlturm des Kraftwerkes Lünen
(2009) vorgesehen ist. Dieser Austausch der Betonbestandteile
bringt auch hier zusätzliche Vorteile: Der Beton erfüllt alle Kriterien
der erhöhten Säurebeständigkeit des Betons, ist darüber
hinaus jedoch pumpfähig, was den Baufortschritt deutlich beschleunigt.
O 2 World Berlin
Für diese Arena der Superlative wurden ca. 35 Tm 3 Beton der
Festigkeitsklassen C12/15 bis C50/60 sowie ca. 580 m 3 hochfester
Beton der Klassen C60/75 bis C100/115 benötigt. Während
die Normalbetone auf den Zementsorten CEM II/B-M(S-
LL)32,5R-AZ, CEM II/A-M(S-LL)42,5R und CEM III/A 32,5
N-LH-NA basieren, kam für die hochfesten Betone der Zement
CEM III/A 42,5 R, ab der Festigkeitsklasse C 80/95 in Kombination
mit CEM II/B-S 52,5 R, zur Anwendung. Damit konnte
selbst Beton der höchsten standardisierten Druckfestigkeitsklasse
nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 als Innenbauteil (Feuerwiderstandsklasse
F 90) ohne die Verwendung von Portlandzement
hergestellt werden. Auch bei diesem Bauvorhaben, das
im besonderen Brennpunkt der Öffentlichkeit entstand, bewährten
sich die Portland-Komposit- und Hochofenzemente.
4 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2

Fachthemen
DOI: 10.1002/best.200900655
Christoph Müller
Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen
im Betonbau
Nachhaltige Lösungen für das Bauen mit Beton
Im Hinblick auf die Verminderung der klimarelevanten CO 2 -Emissionen
in der Zementindustrie kommt der Herstellung von Zementen
mit mehreren Hauptbestandteilen eine besondere Bedeutung
zu. Ein Grund dafür liegt – verglichen mit „traditionellen“ CEM I-
Zementen (Portlandzementen) – im energieeffizienteren und ökologischeren
Herstellungsverfahren. Aber auch die Dauerhaftigkeit
und die Leistungsfähigkeit beim Einsatz in Betonbauwerken
sorgen dafür, dass Portlandkompositzemente (CEM II) und Hochofenzemente
(CEM III) mittlerweile auch in Deutschland einen
Marktanteil von rd. 65% erreichen. Europaweit werden schon seit
einigen Jahren nur noch annähernd 30% Portlandzement eingesetzt
– bei stetig sinkender Tendenz. Nachfolgend werden die anwendungstechnischen
Eigenschaften, die Anwendungsmöglichkeiten
sowie die ökologischen Vorteile der bisher in Deutschland
eingesetzten Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen dargestellt
und anhand von zwei Praxisbeispielen verdeutlicht. Mit Beispielen
für die Leistungsfähigkeit neuer Zemente im Beton erfolgt
ein Ausblick in mögliche weitere Entwicklungen.
Cements with Several Main Constituents in Concrete Construction
– Sustainable Solutions for Building with Concrete
In view of the reduction of climate-related CO 2 emissions in the
cement industry the manufacture of cements with several main
constituents is of particular significance. One reason is the production
process, which is more energy-efficient and more ecological
compared to “traditional” CEM I-cements (Portland
cements). But also the durability and performance in their use in
concrete constructions are reasons why Portland-composite
cements (CEM II) and blastfurnace cements (CEM III) have
meanwhile reached a market share of about 65% in Germany. For
a few years now, approximately only 30% Portland cements have
been used throughout Europe – with a continuous downward
trend. The application-specific properties, the possible areas of
use as well as the ecologic advantages of the cements with several
main constituents used in Germany so far are described in
the following and illustrated by two practical examples. An outlook
into possible further developments is given by examples of
the performance of new cements in concrete.
1 Einleitung
Zu allen Zeiten wurden in Deutschland auf der Basis der
regional verfügbaren Rohstoffe leistungsfähige Zemente
für eine sichere Betonbauweise hergestellt. Insofern hat
die Verwendung von Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen
in Deutschland eine lange und erfolgreiche
Tradition. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen
an den Umweltschutz kommt heute der Herstellung und
Verwendung von Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen
wegen ihrer ökologischen Vorteile eine immer größere
Bedeutung zu.
Bezogen auf die Verhältnisse in Deutschland belegt
der erfolgreiche Einsatz in der Baupraxis die Leistungsfähigkeit
von CEM II- und CEM III-Zementen für anspruchsvolle
und dauerhafte Betonbauwerke. Nachfolgend
werden die anwendungstechnischen Eigenschaften
dieser Zemente, ökologische Vorteile ihrer Verwendung
sowie praktische Anwendungsbeispiele vorgestellt. Darüber
hinaus wird die Situation in Deutschland mit den gesamteuropäischen
Verhältnissen verglichen. Abgeschlossen
wird der Beitrag mit einem Ausblick auf die Leistungsfähigkeit
möglicher neuer Zemente im Beton. Weitere Informationen
zum Thema bietet die aktuelle Broschüre
„CEM II- und CEM III/A-Zemente im Betonbau – Nachhaltige
Lösungen für das Bauen mit Beton“ des Vereins
Deutscher Zementwerke e. V. (VDZ) [1], die in Teilen als
Grundlage für diesen Beitrag diente.
2 Ökologische Anforderungen
Die Anforderungen an die Schonung der Ressourcen, an
die Verringerung des Energieeinsatzes und an den globalen
Klimaschutz sowie steigende Energiepreise stellen alle
Industrien vor erhebliche Herausforderungen. Als energie-
und rohstoffintensive Industrie ist die Zementindustrie
hiervon in ganz besonderem Maße betroffen. Die Zementhersteller
stellen sich dieser Herausforderung, indem
sie ihre Herstellprozesse im Hinblick auf Rohstoff- und
Energieeinsatz in den vergangenen Jahren fortlaufend optimiert
haben.
Der Einsatz natürlicher Rohstoffe und der Brennstoffenergiebedarf
für die Zementherstellung sind in erster Linie
durch die Herstellung des Zementklinkers bedingt.
Dieses gilt auch für die CO 2 -Emissionen, zu denen prozessbedingt
die CO 2 -Emissionen aus den eingesetzten
Kalksteinen als Rohmaterialkomponente beitragen. Darüber
hinaus wird CO 2 aufgrund des Einsatzes der fossilen
Brennstoffe emittiert. In den vergangenen Jahren hat die
Zementindustrie ihren Brennstoffenergiebedarf deutlich
gesenkt und dabei ein verfahrenstechnisches Optimum
nahezu erreicht. Insofern kommt für eine weitere Reduzierung
der CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung solchen
Zementen eine besondere Bedeutung zu, die neben
© 2009 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2
5

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
Tabelle 1. Baustoffprofile Zement und Transportbeton der Jahre 1995/1996 und 2006 in Deutschland [4], [5]
Table 1. Environmental building materials profile cement and ready-mixed concrete from 1995/1996 and 2006
in Germany [4], [5]
Parameter Zement Transportbeton
Auswertung Primärenergie
C20/25
1996 2006 1995 2006
Primärenergie nicht erneuerbar 4.355 2.713 1.350 1.024
Primärenergie erneuerbar k. A. 55 k. A. 19
Wirkungsabschätzung
Treibhauspotenzial (GWP) CO 2 -Äq. 872 670 242 196
Ozonabbaupotenzial (ODP) R11-Äq. 0,0 1,6 · 10 –5 0,0 0,52 · 10 –5
Versauerungspotenzial (AP) SO 2 -Äq. 1,68 0,92 0,560 0,36
Eutrophierungspotenzial (NP) PO 4 -Äq. 0,20 0,12 0,071 0,050
Photooxidantienpotenzial (POCP) C 2 H 4 -Äq. 0,07 0,10 0,035 0,036
k. A.: keine Angabe
Erläuterungen zu Tabelle 1:
MJ/t
kg/t
Baustoffprofil Zement:
Betrachtetes Produkt:
Zement mit einem mittleren Klinkergehalt von
85 M.-% (1996) bzw. 71,4 (2006)
Die Gehalte der verschiedenen Zementbestandteile entsprechen
den über die gesamte deutsche Zementproduktion gemittelten
Anteilen des Klinkers und der anderen verwendeten Stoffe
Bilanzobjekt: Zementherstellung
Bezugseinheit: 1 Tonne Zement
Systemgrenzen:
Input – Ressourcen
Bezugsjahre: 1996 bzw. 2006
Output – Werktor Zementwerk
Baustoffprofil Transportbeton
Betrachtetes Produkt:
Betone C20/25 mit folgenden Zusammensetzungen
in kg/m 3 :
Bestandteil 1996 2006
Gesteinskörnung 1.840 1.880
Zement 260 260
Wasser 185 170
Flugasche 80 40
Betonverflüssiger – 1,3
Bilanzobjekt: Herstellung Transportbeton
Bezugseinheit: 1 m 3 Transportbeton
Systemgrenzen:
Input – Ressourcen
Bezugsjahre: 1995 bzw. 2006
Output – Werktor Transportbetonwerk
Klinker noch andere Hauptbestandteile enthalten. Zemente
mit mehreren Hauptbestandteilen – in Deutschland
im wesentlichen CEM II- und CEM III-Zemente –
erfüllen daher auch die ökologischen Anforderungen an
umwelt- und ressourcenschonende Baustoffe. Vor diesem
Hintergrund hat sich der Inlandsversand der in Deutschland
hergestellten Zemente in den letzten Jahren deutlich
verändert (Abschn. 3.1). Die positive ökologische Wirkung
dieser Entwicklung zeigt sich in der Veränderung
der Baustoffprofile für eine Tonne Zement und einen Kubikmeter
Transportbeton in Deutschland (Tabelle 1). Aufgeführt
werden die Ergebnisse der Wirkungsabschätzung
sowie der Aufwand an Primärenergie, der aus nicht erneuerbaren
bzw. erneuerbaren Energieträgern gedeckt wird.
Solche Baustoffprofile können nicht dazu herangezogen
werden, um einzelne Baustoffe miteinander zu verglei-
chen, da diese i. d. R. keine vergleichbare Funktion bzw.
Leistungsfähigkeit aufweisen.
3 Normen und Marktsituation
3.1 Zementarten
Grundlage für die in Deutschland zulässigen und zum
Einsatz kommenden CEM II- und CEM III-Zemente bildet
die aktuelle europäische Zementnorm DIN EN 197-1.
Diese definiert die zulässigen Hauptbestandteile des Zements
– z. B. Portlandzementklinker, Hüttensand, Flugasche,
Kalkstein oder gebrannter Ölschiefer. Tabelle 2
gibt eine beispielhafte Übersicht der in Deutschland eingesetzten
CEM II- und CEM III/A-Zemente. Die europäische
Zementnorm DIN EN 197-1 definiert den Begriff
„Portlandkompositzement“ in zweifacher Hinsicht. Zum
6
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2

Tabelle 2. In Deutschland verwendete CEM II- und CEM III/A-Zemente (Auszug aus DIN EN 197-1)
Table 2. CEM II and CEM III/A-cements used in Germany (extract from DIN EN 197-1)
Zement
Zusammensetzung (Massenanteile in Prozent)
Hauptbestandteile
Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
Kalkstein
K S D V T LL
CEM II/A-S Portland- 80–94 6–20 – – – –
CEM II/B-S hüttenzement 65–79 21–35 – – – –
CEM II/A-T Portland- 80–94 – – – 6–20 –
CEM II/B-T schieferzement 65–79 – – – 21–35 –
CEM II/A-LL
CEM II/A-D
80–94 – – – – 6–20 0,5
90–94 – 6–10 – – –
CEM II/A-M* Portland- 80–94 6–20
CEM II/B-M* kompositzement 65–79 21–35
CEM III/A
35–64 36–65 – – – –
Auszug aus der DIN EN 197-1: In Deutschland verwendete CEM II- und CEM III/A-Zemente
(* Derzeit in Deutschland nur als CEM II-M (S-LL), (V-LL) und (S-D) hergestellt.)
Portland-
Flugasche Gebr.
Hüttensand Silicastaub
zementklinker (kieselsäurereich) Ölschiefer
Portlandkalksteinzement
Portlandsilicastaubzement
Hochofenzement
Nebenbestandteile
61,7
42,1
35,5
23,9
23,9
45,1
40
CEM I CEM II CEM III
2000
2007
29,6
19,4
14,4 17,9 14,4
56,1
5,7 6,0
2,6
CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V
und
andere
Bild 1. Inlandsversand der 2000 und
2006 in Deutschland hergestellten
Zemente (l.) sowie die 2005 in Europa
hergestellten Zemente (r.) nach Zementarten,
Anteile in % [2], [5], [12]
Fig. 1. Share of cement types in the domestic
dispatch of cements manufactured
in Germany in 2000 and 2006 (left)
and of cements manufactured in
Europe in 2005 (right), share in % [2],
[5], [12]
einen wird er als Oberbegriff für die gesamte Gruppe der
CEM II-Zemente verwendet. Hierzu gehören z. B. die
Portlandhüttenzemente CEM II-S, darüber hinaus Portlandschieferzement
CEM II-T und Portlandkalksteinzement
CEM II-LL mit jeweils einem weiteren Hauptbestandteil
neben Portlandzementklinker. Außerdem wird
der Begriff „Portlandkompositzement“ für die CEM II-M-
Zemente verwendet, bei denen neben Portlandzementklinker
mehrere Hauptbestandteile miteinander kombiniert
werden. Bild 1 zeigt, in welchen Anteilen die verschiedenen
Zementarten in Deutschland und Europa
eingesetzt werden. Der Vergleich zur gesamteuropäischen
Situation ergibt sich anhand der Daten des Dachverbands
der europäischen Zementindustrie CEMBUREAU.
Danach werden in Europa bereits wesentlich mehr
CEM II-Zemente als CEM I-Zemente verwendet. Bild 1
zeigt, dass diese Entwicklung auch in Deutschland fortschreitet.
3.2 Anwendungsregeln
Die aktuellen Betonnormen DIN EN 206-1 und
DIN 1045-2 enthalten die Anwendungsregeln für Normzemente
in Abhängigkeit von den Expositionsklassen.
Zum Zeitpunkt der Einführung dieser Normen galten für
einige Normzemente Anwendungsbeschränkungen, die
vor allem auf die in Deutschland noch nicht hinreichenden
praktischen Erfahrungen zurückzuführen waren. In
diesen Fällen wurde der Nachweis der Eignung für die Anwendung
in bestimmten Expositionsklassen durch eine
allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Anwendungszulassung
AZ) des Deutschen Instituts für Bautechnik
(DIBt) erbracht.
Aktuell dürfen folgende Zementarten in allen Expositionsklassen
verwendet werden:
– Portlandzement CEM I
– Portlandhüttenzemente CEM II/A-S und CEM II/B-S
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2
7

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
Tabelle 3. Vergleich der Anwendungsregeln für Zemente im Rahmen nationaler Anhänge zur europäischen Betonnorm
DIN EN 206-1 am Beispiel eines Außenbauteilbetons
Table 3. Comparison of the application rules for cements laid down in national application documents to European concrete
standard EN 206-1 based on the example of a concrete for external components
Land max min z CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V
(w/z) eq in kg/m 3 S LL M
A B A B A B A B A B A B
Österreich 0,55 300 × × × – – – (×) × (×) – – –
Belgien 0,55 300 × × × × × × × × × – – (×) –
Dänemark 0,55 150 (×) – – (×) – – – – – – – – –
Finnland 0,60 270 × × × × – × – × × – – – –
Deutschland 0,60 280 × × × × ❍ (×) (×) × × ❍ (×) (×) (×)
Irland 0,60 300 × – – – – – – – – – – – –
Italien 0,50 320 × × × × × × × × × × × × ×
Niederlande 0,55 300 × × × (×) (×) (×) (×) × × (×) (×) (×) (×)
Norwegen 0,60 250 × × – × – – – – – – – – –
Großbritannien 0,60 280 × × × × – – – × × (×) (×) – –
× erlaubt; (×) mit Einschränkungen; – nicht erwähnt; ❍ nicht erlaubt
– Portlandschieferzemente CEM II/A-T und CEM II/B-T
– Portlandkalksteinzemente CEM II/A-LL
– Portlandflugaschezemente CEM II/A-V und CEM
II/B-V
– Portlandkompositzemente CEM II/A-M mit den weiteren
Hauptbestandteilen S, LL, T, D bzw. V
– Portlandkompositzemente CEM II/B-M mit allgemeiner
bauaufsichtlicher Zulassung (Anwendungszulassung
AZ)
– Hochofenzemente CEM III/A *)
Seit dem Jahr 2004 wurden insgesamt 17 allgemeine bauaufsichtliche
Anwendungszulassungen für CEM II/B-M
(S-LL) und zwei Zulassungen für CEM II/B-M (V-LL) erteilt.
Neben den Zulassungen für die CEM II/B-M (V-LL)
sind aktuell 15 Zulassungen für CEM II/B-M (S-LL) gültig.
In allen Zulassungen wird einheitlich die Verwendung
in Beton, Stahlbeton und Spannbeton nach DIN EN 206-1
in Verbindung mit DIN 1045-2 für die Expositionsklassen
XC3, XC4, XD1 bis XD3, XS1 bis XS3, XF1 bis XF4, XA1
bis XA3, XM1 bis XM3 in Ergänzung zu den bereits in
DIN 1045-2 erlaubten Expositionsklassen X0, XC1 und
XC2 zugelassen. In allen Zulassungen wird noch Bezug
genommen auf die Anwendung in Mörtel und Beton nach
der alten DIN 1045:1988 und der früheren Spannbetonnorm
DIN 4227-1. Nicht erlaubt ist die Verwendung in
Einpressmörtel für Spannglieder nach DIN EN 447. In
insgesamt vier Zulassungen wurde zwischenzeitlich auch
die Verwendung für die Herstellung von Bohrpfählen
nach DIN EN 1536 in Verbindung mit dem DIN-Fachbericht
129 und zur Herstellung von flüssigkeitsdichtem Beton
(FD-Beton) nach der DAfStb-Richtlinie „Betonbau
*) Expositionsklasse XF4: CEM III/A der Festigkeitsklasse
≥ 42,5 N oder der Festigkeitsklasse 32,5 R mit bis zu
50 M.-% Hüttensand
beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen“ aufgenommen.
Die Erweiterung gilt technisch für alle diese Zulassungen.
Es bedarf allerdings formal eines Antrags beim
DIBt durch den Zulassungsinhaber. In Ergänzung zu den
genannten Anwendungsgebieten können CEM II-M-Zemente
mit allgemeiner bauaufsichtlicher Anwendungszulassung
in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen das
entsprechende Regelwerk einen Bezug auf Zement nach
DIN EN 197-1, nach DIN 1164 oder Zement mit allgemeiner
bauaufsichtlicher Zulassung enthält und keine speziellen
Anwendungsbeschränkungen aufführt. Die nachfolgende
Aufzählung zeigt einige Beispiele:
– DIN 1053-1 Mauerwerk
– DIN 4158 Zwischenbauteile aus Beton für Stahlbetonund
Spannbetondecken
– DIN EN 12843 Betonmaste
– DIN 4261-1 Kleinkläranlagen
– DIN 18551 Spritzbeton
– DIN 18148 (DIN 18162) Hohlwandplatten aus Leichtbeton
(unbewehrt)
– DAfStb-Richtlinie „Herstellung und Verwendung von
Trockenbeton und Trockenmörtel“ (Trockenbeton-
Richtlinie)
– DAfStb-Richtlinie „Herstellung und Verwendung von
zementgebundenem Vergussbeton und Vergussmörtel“
Eine weiterführende Übersicht über die Verwendung von
Zement nach EN 197-1 findet man in der Bauregelliste A
Teil 1 Anlage 1.33 (2006/1). Beim Bau von Ingenieurbauwerken
im Bereich von Bundesfernstraßen (ZTV-ING)
bedarf die Verwendung von CEM II-M-Zementen noch
der Zustimmung des Auftraggebers. Trotz der Einschränkung
belegen auch in diesem Anwendungsbereich mittlerweile
zahlreiche Praxisbeispiele die Eignung der CEM
II/B-M-Zemente mit Anwendungszulassung [1]. Langfristig
sollte dieser Zusatz daher entfallen können.
8
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
Eine Arbeitsgruppe des CEN/TC 104/SC1 „Beton“
hat eine Synopse der nationalen Anwendungsdokumente
(NAD) zur europäischen Betonnorm EN 206-1 erarbeitet.
Dabei zeigten sich zum Teil deutliche Unterschiede für die
Zementanwendung. Hier spiegeln sich neben den traditionell
unterschiedlichen Gegebenheiten des Markts und der
Baupraxis ebenfalls Philosophien der Regelsetzung wider
(Tabelle 3). Während in der deutschen Anwendungsnorm
DIN 1045-2 für alle 27 Grundzementarten und zusätzlich
eine Reihe von CEM-II-M-Zementen Festlegungen für
deren Anwendung getroffen wurden, regeln andere NAD
die Anwendung nur einiger weniger Zementarten, die
traditionell im jeweiligen nationalen Markt eine Rolle
spielen.
4 Zementeigenschaften
Die Eigenschaften von CEM II- und CEM III/A-Zementen
wurden im Zuge der technischen Entwicklung der
Herstellungsverfahren ständig verbessert, den aktuellen
Anforderungen der Praxis angepasst und dadurch die
Bandbreite der Anwendungen deutlich erweitert. Insbesondere
hinsichtlich ihrer Anfangsfestigkeit sind CEM IIund
CEM III/A-Zemente von den Herstellern so eingestellt,
dass sie vergleichbar zu den CEM I-Zementen eingesetzt
werden können (Bild 2).
5 Baupraktische Betoneigenschaften
5.1 Allgemeines
Über die umweltschonende Herstellung hinaus haben
CEM II- und CEM III/A-Zemente aufgrund ihrer Zusammensetzung
insbesondere unter den immer differenzierteren
betontechnologischen Vorgaben bei der Anwendung
in Frisch- bzw. Festbeton eine Reihe von Vorteilen. Für
spezifische Einsatzbereiche – vom Brückenbau über den
Tunnel- bis zum Straßen- und Gebäudebau – lassen sich
optimal abgestimmte Betone produzieren. Nachfolgend
einige wichtige Eigenschaften im Überblick.
5.2 Festigkeitsentwicklung
Die Festigkeitsentwicklung von Betonen mit CEM II- und
CEM III/A-Zementen ist unter baupraktischen Bedingungen
vergleichbar mit der von CEM I-Betonen. Um den Anforderungen
der Praxis an die Frühfestigkeit zu genügen,
werden CEM II/B- und CEM III/A-Zemente auch in der
Festigkeitsklasse 42,5 N angeboten. In Bild 3 ist die relative
Druckfestigkeitsentwicklung von Betonen auf Basis
handelsüblicher CEM I-, CEM II- und CEM III/A-Zemente
bei vergleichbaren Betonzusammensetzungen und
Lagerungsbedingungen beispielhaft dargestellt. Die Relativwerte
ergeben sich aus dem Bezug der Betondruckfestigkeit
im Alter von 2, 7 bzw. 28 Tagen auf die 28-Tage-
Druckfestigkeit des Betons. Zum Vergleich sind ergänzend
die Prüfwerte für einen CEM III/A 32,5 N enthalten.
Die ausgewiesenen Ergebnisse ermöglichen die Einstufung
der untersuchten Betone in die mittlere bzw. langsame
Festigkeitsentwicklung. Dem entsprechend ist hier
der Beton mit dem Zement CEM III/A 32,5 N als langsam
einzustufen. Diese Einstufung ist maßgebend für die Dauer
der Nachbehandlung.
Zementfestigkeit in N/mm²...
70
60
50
40
30
20
10
0
2d
CEM I
32,5 R
5.3 Dauerhaftigkeit
28d
CEM II/A
32,5 R
CEM II/B
32,5 R
CEM II/B
42,5 N
CEM III/A
42,5 N
Bild 2. Mittelwerte der Normdruckfestigkeiten verschiedener
Zementarten auf der Basis der Ergebnisse der Fremdüberwachung
[1], [7]
Fig. 2. Mean values of the standard compressive strengths
of different types of cements based on the results of the third
party inspection [1], [7]
Relative Betondruckfestigkeit...
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
w/z = 0,50 - 0,60
z = 300 bis 320 kg/m³
CEM I 32,5 R
CEM II/A-S 42,5 N
CEM II/A-LL 32,5 R
CEM II/B-S 42,5 N
CEM II/B-T 42,5 N
CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R
CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R
CEM III/A 42,5 N
CEM III/A 32,5 N
0 10 20 30
Alter in Tagen
Bild 3. Relative Druckfestigkeit von Betonen mit verschiedenen
CEM II- und CEM III/A-Zementen im Vergleich zum
CEM I-Beton [1], [8]
Fig. 3. Relative compressive strength of concretes with different
CEM II and CEM III/A-cements compared with CEM I-
concretes [1], [8]
Die Dauerhaftigkeit des Betons ist eine der zentralen Anforderungen
an jedes Bauwerk. Dabei geht es vor allem
darum, dass die zum Einsatz kommenden Betonbauteile
bei ausreichender Wartung und Instandhaltung über den
geplanten Nutzungszeitraum widerstandsfähig gegen Lasten
und Umwelteinflüsse sein müssen.
Carbonatisierung
Untersuchungen an Stahlbeton- und Spannbetonbauwerken,
die mit Betonen verschiedener Festigkeitsklassen und
unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt wurden,
haben gezeigt, dass bei im Freien bewitterten Bauteilen
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2
9

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
kein Einfluss der in Deutschland üblicherweise eingesetzten
Zementarten auf das Carbonatisierungsverhalten zu
erkennen ist [3]. Obwohl sich an trockenen Innenbauteilen
höhere Carbonatisierungsfortschritte ergeben können,
besteht aufgrund des geringen Feuchtegehalts dieser Bauteile
kein Risiko der Korrosion der Bewehrung.
Chlorideindringwiderstand
Die Verwendung hüttensand- und flugaschehaltiger Zemente
führt aufgrund der Verfeinerung des Porensystems
zum Teil zu einer deutlichen Erhöhung des Widerstands
des Betons gegen das Eindringen von Chloriden (Bild 4).
Bei Betonen für massige Bauteile nach DAfStb-Richtlinie
und bei Verwendung eines CEM III/A- oder CEM III/B-
Zements in den Expositionsklassen XD3 und XS3 kann
der höchstzulässige Wasserzementwert von 0,45 auf 0,50
bei gleich bleibendem Korrosionsschutz der Bewehrung
erhöht werden.
Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand
Bei sachgemäßer Zusammensetzung, Verarbeitung und
Nachbehandlung nach DIN 1045 weisen Betone mit
CEM II- und CEM III/A-Zementen zuverlässig einen hohen
Frost- sowie Frost-Tausalz-Widerstand auf. Besonders
für Ingenieurbauwerke oder Verkehrsflächen sind diese
daher sehr gut geeignet. Lediglich CEM III/A der Festigkeitsklasse
32,5 N sowie CEM III/A 32,5 R mit mehr als
50 M.-% Hüttensand sind für die Expositionsklasse XF4
ausgeschlossen. In Bild 5 sind beispielhaft Ergebnisse aus
Frost-Tausalz-Prüfungen mit dem CDF-Verfahren an Betonen
mit verschiedenen Zementen dargestellt. Sofern die
Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstands gefordert ist, wird
zur Beurteilung der Ergebnisse i. A. folgendes Bewertungskriterium
verwendet: die Abwitterung nach 28 Frost-
Tau-Wechseln darf für einen Beton mit ausreichendem
Frost-Tausalz-Widerstand nicht größer als 1.500 g/m 2
sein. Das entspricht einer Abwitterungstiefe von nur ca.
0,6 mm. Dieses Kriterium kann nicht für an Bauwerken
entnommene Proben angewendet werden.
6 Anwendungsbeispiele
20
15
10
5
0
Chlorideindringen (Migrationskoeffizient D Cl,M in 10 -12 m 2 /s)
Betonalter: 35 d
z = 320 kg/m³
w/z = 0,50
Wasserlagerung
Erhöhung des
Chlorideindringwiderstands
CEM I CEM II-LL CEM II-M CEM II-M CEM II-S CEM III
(V-LL) (S-LL)
Bild 4. Einfluss der Zementart auf den Chlorideindringwiderstand
von Beton (Prüfung mittels Schnelltest) [1], [9],
[10]
Fig. 4. Influence of the cement type on the resistance to
chloride penetration of concrete (examination by means of
accelerated test) [1], [9], [10]
Abwitterungen in g/m² (CDF-Test)...
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
CDF-Bewertungskriterium für Laborprüfkörper: ≤ 1500 g/m²
Minimum
Maximum
CEM III/A CEM II/B-S CEM II/B-T CEM II/A-LL CEM II/B-M CEM II/B-M
(S-LL)
(V-LL)
Bild 5. Frost-Tausalz-Widerstand von Luftporenbetonen bei
Prüfung mit dem CDF-Verfahren, Zementgehalt 320 bis
365 kg/m 3 ; w/z-Wert 0,41 bis 0,50; Festigkeitsklassen der
Zemente: 32,5 R und 42,5 N [1], [8]
Fig. 5. Resistance to freeze-thaw with de-icing salt of airentrained
concrete tested according to the CDF method,
cement content 320 to 365 kg/m 3 ; w/c ratio 0.41 to 0.50;
strength classes of the cements: 32.5 R and 42.5 N [1], [8]
Die bisher in Deutschland produzierten und im Betonbau
eingesetzten CEM II- und CEM III/A-Zemente haben
sich im Hinblick auf ihre Verarbeitungseigenschaften, die
Festigkeitsentwicklung und die Dauerhaftigkeit des Betons
in jahrzehntelangem Praxiseinsatz bewährt. Die aktuelle
VDZ Broschüre „CEM II- und CEM III/A-Zemente
im Betonbau – Nachhaltige Lösungen für das Bauen mit
Beton“, enthält zahlreiche Praxisbeispiele aus verschiedenen
Bereichen des Betonbaus, von denen zwei Beispiele
hier zur Veranschaulichung dargestellt werden [1].
Praxisbeispiel „Saalebrücke Beesedau“
1999 wurde im Zuge des Baus der BAB A14 die Vorlandbrücke
der Saalebrücke Beesedau errichtet (Bild 6). Das
insgesamt 495 m lange Baustück wurde mit insgesamt
15.000 m 3 Beton realisiert, wobei drei unterschiedliche
Zemente zum Einsatz kamen. Der Pfeilerbeton wurde mit
CEM III/A-Zement hergestellt, während beim Beton für
den Überbau und die Kappen (in Richtung Magdeburg)
CEM II/B-S-Zement verarbeitet wurde. In einem in 2006
Bild 6. Die Saalebrücke Beesedau im Zuge der Bundesautobahn
BAB A14 (Vorlandbrücke) [1]
Fig. 6. Saale River Bridge at Beesedau. Part of motorway
A14 (foreshore bridge) [1]
10
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
Bild 7. Die BAB A44: Das deutschlandweit erste Autobahnteilstück
in CEM III/A-Beton [1]
Fig. 7. Motorway A44: The first motorway section in CEM
III/A concrete in Germany [1]
nach sieben Jahren Nutzung erstellten Gutachten (WTI-
Bau Dr.-Ing. Löffler GmbH Unterwellenborn) ließ sich
hinsichtlich des Qualitätszustands der Brücke unter anderem
feststellen, dass die Kappen aus CEM II-Beton mit
denen aus CEM I-Beton qualitativ über weite Bereiche
vergleichbar sind und die festgestellten kleineren Schäden
wie Abwitterungen und Kantenabplatzungen unabhängig
von der Zementart zu sehen sind. Die Betone mit CEM IIund
CEM III/A-Zementen wiesen also keinerlei Nachteile
im Vergleich zum „klassischen“ Portlandzementbeton auf
[1].
Praxisbeispiel „Fahrbahndecke BAB A44“
Als erste Fahrbahndecke einer Autobahn wurde im Jahr
2002 die A 44 vom Autobahnkreuz Unna-Ost bis zum
Autobahnkreuz Werl auf 7 km Länge mit 27.000 m 3
CEM III/A-Beton realisiert (Bild 7). Im 22 cm dicken
Unterbeton und 8 cm dicken Oberbeton wurden bei einer
Überprüfung in 2007 trotz enormer Beanspruchung durch
den PKW- und LKW-Verkehr keinerlei Mängel festgestellt.
Obwohl Unter- und Oberbeton nur mit 340 kg/m 3
Zement hergestellt wurden (Mindestzementgehalt gemäß
Ausschreibung), ist die gute Verarbeitbarkeit bzw. Geschmeidigkeit
des Betons hier besonders hervorzuheben.
Als vorteilhaft erwies sich bei den hochsommerlichen
Temperaturen während der Baumaßnahme der durch das
langsame Abbinden des Betons vergleichsweise größere
Verarbeitbarkeitszeitraum [1].
7 Hinweise für die Praxis
Bei der Umstellung auf CEM II- und CEM III/A-Zemente
sind gegenüber anderen Normzementen i. d. R. keine Anpassungen
der herstellungstechnischen Abläufe des Betons
– z. B. im Transportbetonwerk – erforderlich. Wie bei
jeder Änderung der Ausgangsstoffe des Betons sind Erstprüfungen
durchzuführen. Im Rahmen dieser Eignungsprüfung
wird z. B. auch die Wirkung von Zusatzmitteln in
Verbindung mit den verwendeten Ausgangsstoffen nachgewiesen.
Vor allem bei Verwendung von Betonverflüssigern
(BV) oder Fließmitteln (FM) auf Basis von Polycarboxylatethern
(PCE) ist zu beachten, dass beim Wechsel
des Zements unabhängig von der verwendeten Zementart
geprüft werden muss, ob das verwendete PCE geeignet ist.
Für einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand ist ein
entsprechendes Mikroluftporengefüge im Beton ausschlaggebend,
das über die Zugabe von LP-Bildnern erreicht
wird. Zur Sicherstellung des erforderlichen Luftporengehalts
kann bei Einsatz von Zementen mit mehreren
Hauptbestandteilen eine geringfügig höhere LP-Mittel-
Dosierung erforderlich sein.
Der übliche Baubetrieb nimmt eine eventuell langsamere
Festigkeitsentwicklung i. A. erst bei einer Umstellung
auf CEM III/A-Zemente insbesondere bei kühleren
Witterungsbedingungen wahr. Bauweisen und Bauaufgaben,
die sensibel gegenüber geringen Veränderungen
der Verarbeitungszeiten und der Frühfestigkeiten sind, wie
z. B. der Gleitschalungsbau oder das Betonieren in engen
Zeit- bzw. Abschnittstakten, erfordern bei Zementumstellungen
eine enge Abstimmung mit dem Baubetrieb. In vielen
Fällen ist eine etwas längere Verarbeitungszeit gewünscht
oder baubetrieblich günstig, vor allem in der warmen
Jahreszeit und bei der Herstellung großer Bauteile.
Die Nachbehandlungszeiten sind für alle normativ
zugelassenen Betone in DIN 1045-3 festgelegt. Die erforderliche
Nachbehandlungszeit ist von den Temperaturverhältnissen
und der Erhärtungscharakteristik (r-Wert)
des Betons abhängig. Der r-Wert ist im Regelfall der Quotient
aus der 2-Tage-Festigkeit und der 28-Tage-Festigkeit
eines Betons. An Betonen, die vereinbarungsgemäß zu einem
späteren Zeitpunkt geprüft werden (56 Tage, 90 Tage,
etc.), wird die 2-Tage-Festigkeit durch die nach dieser Zeit
ermittelte Festigkeit dividiert. In diesem System sind alle
in Deutschland marktüblichen Zemente erfasst, so dass
sich bei Beachtung der Normvorgaben stets die technisch
richtigen Nachbehandlungszeiten ergeben und im Weiteren
nicht gesondert auf die verwendete Zementart eingegangen
werden muss. Gleichwohl erfordern Betone mit
CEM II- und CEM III/A 42,5 N-Zementen in der frühen
Erhärtungsphase eine sorgfältige Nachbehandlung.
Die Herstellung von hochwertigen Sichtbetonbauteilen
lässt eine Änderung der Zementart ohne die Absicherung
der Farbgleichheit nicht zu. Grundsätzlich muss bei
jeder Zementumstellung mit farblichen Veränderungen
gerechnet werden. Bei Verwendung von CEM II- und
CEM III/A-Zementen ergeben sich dabei vielfach bessere
und robustere Ansichtsflächen als mit CEM I-Zementen.
Durch die meist hellere Färbung der fertigen Flächen entsprechen
diese Zemente dem aktuellen architektonischen
Gestaltungstrend, der möglichst helle Flächen verlangt
[1].
8 Ausblick
Als energie- und rohstoffintensive Industrie ist die Zementindustrie
von Anforderungen an die Schonung der
Ressourcen, an die Verringerung des Energieeinsatzes und
an den globalen Klimaschutz in ganz besonderem Maße
betroffen. Die Zementhersteller stellen sich dieser Herausforderung,
indem sie ihre Herstellprozesse im Hinblick
auf Rohstoff- und Energieeinsatz in den vergangenen Jahren
fortlaufend optimiert haben. Aus dem Ziel, diesen
Weg konsequent weiter zu beschreiten, erwächst auch die
Frage nach neuen Zementarten, die bisher in der europäischen
Zementnorm DIN EN 197-1 nicht enthalten sind,
da sie in ihrer speziellen Zusammensetzung bisher nicht
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2
11

Chr. Müller · Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen im Betonbau
D Cl, M in 10 -12 m²/s
35
30
25
20
15
10
5
0
Zemente
mit:
20% LL
30% V
35 d 98 d
20% LL
20% V
20% LL
20% S
w/z = 0,50
z = 320 kg/m³
20% LL
30% S
Bild 8. Chloridmigrationskoeffizienten von Betonen in Abhängigkeit
vom Prüfalter, Zemente der Festigkeitsklasse
32,5 R nach DIN EN 197-1 [11]
Fig. 8. Chloride migration coefficients of concretes depending
on testing age, cements of strength class 32.5 R according
to DIN EN 197-1 [11]
Abwitterungen in kg/m²
2,00
1,75
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
Zemente mit:
Bewertungskriterium: < 1,5 kg/m² nach 28 FTW
20% LL 30% V
20% LL 20% V
20% LL 20% S
w/z = 0,50
z = 320 kg/m³
LP = 4,5 - 5,5 Vol.-%
0 7 14 21 28
Anzahl der Frost-Tau-Wechsel (FTW)
Bild 9. Abwitterungen von Luftporenbetonen im CDF-
Verfahren in Abhängigkeit von der Anzahl der Frost-Tau-
Wechsel, Zemente der Festigkeitsklasse 32,5 R nach
DIN EN 197-1 [11]
Fig. 9. Scaling of air-entrained concretes depending on the
number of freeze-thaw cycles (CDF method), cements of
strength class 32.5 R according to DIN EN 197-1 [11]
als „traditionell“ und „bewährt“ gelten können, auch wenn
ihre Zusammensetzung sich nicht zwangsläufig deutlich
von den Zementen der DIN EN 197-1 unterscheidet. Die
Zementnorm DIN EN 197-1 definiert die Zusammensetzung
von Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen,
deren Dauerhaftigkeit und Leistungsfähigkeit in der Praxis
nachgewiesen wurden. Hierzu gehören derzeit Zemente
mit 20 M.-% Kalkstein (LL) in Kombination mit 20 bzw.
30 M.-% Flugasche (V) bzw. Hüttensand (S) nicht. Untersuchungen
im Forschungsinstitut der Zementindustrie
(FIZ) zeigen, dass Betone mit solchen Zementen – die
entsprechend ihrer vorgesehenen Verwendung chemischmineralogisch
bzw. granulometrisch optimiert wurden –
dauerhaftigkeitsrelevanten Anforderungen genügen können.
Die hier untersuchten Betone wiesen im Alter von 98
Tagen einen hohen Chlorideindringwiderstand auf, der etwa
mit Hochofenzementbetonen (CEM III/A) vergleichbar
ist (Bild 8). In der Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstands
erreichten LP-Betone Ergebnisse deutlich unter
den in Deutschland gebräuchlichen Bewertungskriterien
– vgl. Abschnitt 5.3 „Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand“
(Bild 9). Die dargestellten Ergebnisse können derzeit
nicht verallgemeinert werden. Sie können aber als Grundlage
für weitere Entwicklungsarbeiten genutzt werden.
Literatur
[1] CEM II- und CEM III/A-Zemente im Betonbau – Nachhaltige
Lösungen für das Bauen mit Beton (2008) – zu beziehen
über www.beton.org.
[2] Daten des CEMBUREAU, 2005.
[3] Schröder, F., Smolczyk, H.-G., Grade, K., Vinkeloe, R. und
Roth, R.: Einfluss von Luftkohlensäure und Feuchtigkeit auf
die Beschaffenheit des Betons als Korrosionsschutz für Stahleinlagen.
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Schriftenreihe
(1967) 182.
[4] Verein Deutscher Zementwerke: Zement-Taschenbuch
50. Ausgabe (2002).
[5] Verein Deutscher Zementwerke: Zement-Taschenbuch
51. Ausgabe (2008).
[6] Verein Deutscher Zementwerke: Tätigkeitsbericht 2005–
2007.
[7] Verein Deutscher Zementwerke: Mittelwerte der Druckfestigkeiten
für verschiedene Zemente und Betone. Ergebnisse
aus der Prüfdatenbank des Forschungsinstituts der Zementindustrie
(unveröffentlicht).
[8] Verein Deutscher Zementwerke: Ergebnisse aus den Prüfdatenbanken
der VDZ-Mitgliedsunternehmen (unveröffentlicht).
[9] Müller, C.: Performance of Portland-composite cements.
Cement International (4), Heft 2, S. 112–119 (2006).
[10] Müller, C. und Severins, K.: Dauerhaftigkeit von Betonen
mit flugaschehaltigen Zementen. beton 57 (2007) Nr. 3,
S. 119–126.
[11] Müller, C. und Severins, K.: Ökologisch und technisch optimierte
Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen – Forschungsprojekt
im Rahmen des BMBF Förderprogramms
Klimazwei – Förderkennzeichen 01LK0502 (unveröffentlicht)
– www.klimazwei.de.
[12] Verein Deutscher Zementwerke: Tätigkeitsbericht 1999–
2001.
Dr.-Ing. Christoph Müller
Verein Deutscher Zementwerke e.V.
Forschungsinstitut der Zementindustrie
Tannenstraße 2
40476 Düsseldorf
mc@vdz-online.de
12
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 2

Fachthemen
DOI: 10.1002/best.200900058
Peter Schießl
Till Felix Mayer
Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
Dem Lebensdauermanagement von Infrastrukturbauwerken
kommt vor dem Hintergrund knapper Ressourcen eine steigende
Bedeutung zu. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Bausteine
eines modernen Lebensdauermanagementsystems für
Stahlbetonbauwerke vorgestellt. Zentrales Element ist eine Lebensdauerbemessung,
die in Abhängigkeit von den maßgebenden
Schädigungsmechanismen mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden
durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine
Ausnutzung von Optimierungspotentialen durch Rezepturoptimierung
und Bindemittelwahl. Durch geeignete Methoden während
der Ausführung und nach Fertigstellung kann die tatsächliche
Qualität kontrolliert werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen
während der Planungs- und Ausführungsphase werden in einem
Geburtszertifikat zusammengefasst, das die Grundlage für den
Wartungsplan bildet. Die Ergebnisse der Inspektionen werden
herangezogen, um die Prognose der Zustandsentwicklung während
der Nutzung kontinuierlich zuzuschärfen.
Life Cycle Management of Concrete Structures
On the background of scarce public resources, life cycle management
of infrastructure systems has gained increasing importance.
This paper presents the core components of a state-ofthe-art
life cycle management system for reinforced concrete
structures. A service life design is one of the key elements. Depending
on the governing deterioration mechanisms, it can be
carried out on different levels of detail and thus enables an optimisation
of durability by means of optimised concrete composition
and choice of binder. Quality control tools during construction
and after completion allow for an assessment of the actual
quality. The results of the design and construction stage are then
summarised in a so-called birth certificate which forms the basis
for future inspection and maintenance planning. The results of
the inspection again can be used to update the original service
life design throughout the service life of the structure.
1 Einführung
Die Instandsetzung von Schäden an Infrastrukturbauwerken
im Bundesfernstraßennetz, die durch eine unzureichende
Dimensionierung der Betondeckung, ungeeignete
Baustoffwahl oder mangelhafte Berücksichtigung der tatsächlichen
Umwelteinwirkungen hervorgerufen werden,
verursacht jährliche Kosten von mehr als 250 Mio. Euro
[1]. Trotz der übergeordneten Bedeutung, die der Dauerhaftigkeit
von Bauwerken in diesem Zusammenhang zukommt,
erfolgte die Dauerhaftigkeitsbemessung im Rahmen
der Planung bisher ausschließlich auf Grundlage empirischer
„deemed-to-satisfy“-Ansätze. Die Entwicklung
von Lebensdauerbemessungsmodellen erlaubt heute eine
Dauerhaftigkeitsbemessung für die maßgebenden Schädigungsmechanismen
unter Berücksichtigung wirklichkeitsnaher
Kennwerte für den Bauteilwiderstand gegenüber
Umwelteinwirkungen und quantifizierter Einwirkungskennwerte
[2]. Die Widerstandskennwerte können anhand
von Eignungsprüfungen bestimmt und ihre Einhaltung
während der Bauphase durch laufende Qualitätskontrollen
und im Rahmen der Abnahme am fertig gestellten
Bauwerk überprüft werden. Die Ergebnisse der Qualitätskontrollen
können gemeinsam mit den Resultaten aus
Bauwerksinspektionen während der Nutzung, die Aufschluss
über die Wechselwirkungen zwischen Bauwerk
und realen Umwelteinwirkungen geben, herangezogen
werden, um die ursprüngliche Lebensdauerbemessung
laufend zu aktualisieren und zu verbessern.
Lebensdauerbemessung, Qualitätskontrolle während
der Ausführung und zyklische Zustandserfassungen während
der Nutzung stellen gemeinsam mit Planungswerkzeugen
für Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen die
zentralen Elemente moderner Lebensdauermanagementsysteme
(LDMS) für Stahlbetonbauwerke dar [3], Bild 1.
Derartige LDMS bieten erhebliche Optimierungspotentiale
beim Entwurf und Betrieb von Stahlbetonbauwerken
und sind somit ein wesentliches Element des Nachhaltigen
Bauens mit Beton. Die zentralen Bausteine eines derartigen
Lebensdauermanagementsystems werden im Folgenden
beschrieben.
2 Bausteine eines Lebensdauermanagementsystems
2.1 Übersicht
LDMS finden vorwiegend für anspruchsvolle Bauwerke
mit langen Nutzungsdauern Anwendung, die dauerhaftigkeitsrelevanten
Umwelteinwirkungen ausgesetzt sind. Die
Bausteine eines LDMS werden erstmals in der Richtlinie
GruNaBau („Grundlagen des Nachhaltigen Bauens mit
Beton“) des DAfStb definiert, die sich derzeit noch im
Entwurf befindet [4]. Im Einzelnen sind dies:
– Lebensdauerbemessung
– erweiterte Eignungsprüfungen zur Bestimmung dauerhaftigkeitsrelevanter
Kenngrößen der vorgesehenen
Baustoffe
© 2009 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11
13

P. Schießl/T. F. Mayer · Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
Bild 1. Elemente des Lebensdauermanagements während
der Planungs- und Ausführungsphase
Fig. 1. Elements of Life Cycle Management during design
and construction phase
– Entwicklung eines Inspektionsplans mit Festlegung von
Inspektionsintervallen und geeigneten Inspektionsmethoden
– Qualitätskontrolle dauerhaftigkeitsrelevanter Kenngrößen
während der Herstellung
– Ermittlung der erreichten Bauwerksqualität nach Fertigstellung
(Abnahme)
– Aktualisierung der Lebensdauerbemessung unter Berücksichtigung
der ermittelten Kenngrößen des fertigen
Bauwerks
– Ausstellung eines Geburtszertifikats (Dokumentation
der erreichten Bauwerksqualität und der Lebensdauerbemessung,
evtl. Anpassung des Inspektionsplans)
– zyklische Zustandserfassungen und Aktualisierung der
Lebensdauerbemessung
– ggf. Durchführung von Instandsetzungsmaßnahmen
2.2 Lebensdauerbemessung
Die Lebensdauerbemessung stellt das Kernelement eines
LDMS dar. Die Lebensdauerbemessung kann in Abhängigkeit
von der Komplexität des Bauwerks und dem Anforderungsprofil
auf unterschiedlichen Detaillierungsniveaus
durchgeführt werden. Im Einzelnen können vier
Niveaus unterschieden werden:
– vollprobabilistische Lebensdauerbemessung
– semiprobabilistische Lebensdauerbemessung (Verfahren
mit Teilsicherheitsbeiwerten)
– Lebensdauerbemessung nach deskriptiven Vorgaben
– Vermeiden der Schädigung
Weitere Informationen zu diesen Detaillierungsniveaus
können z. B. dem fib Model Code for Service Life Design
entnommen werden [5]. Während für Schädigungsmecha-
Bild 2. Zeitliche Entwicklung des Zuverlässigkeitsindex –
und der Versagenswahrscheinlichkeit p f (CEM I, w/z = 0,50,
Chloridbeaufschlagung)
Fig. 2. Reliability index and failure probability with respect
to chloride-induced corrosion (CEM I, w/c = 0.50)
nismen wie Alkali-Kieselsäure-Reaktion oder Frost-Tausalz-Angriff
derzeit nur eine Lebensdauerbemessung auf
Grundlage deskriptiver Vorgaben oder durch Vermeiden
der Schädigung möglich ist, existieren für die Bewehrungskorrosion
infolge von Karbonatisierung oder Chlorideindringen
ausreichend validierte, vollprobabilistische
Bemessungsansätze, die im Weiteren in den Mittelpunkt
dieses Beitrags gestellt werden [2]. Als Ergebnis der vollprobabilistischen
Lebensdauerbemessung wird die Wahrscheinlichkeit,
dass ein betrachteter Grenzzustand (z. B.
die Depassivierung der Bewehrungsoberfläche infolge
von Chlorideindringen) innerhalb der geplanten Nutzungsdauer
verletzt wird, in Form einer Versagenswahrscheinlichkeit
p f oder des korrespondierenden Zuverlässigkeitsindex
β‚ bestimmt. Diese Ansätze fanden bereits
Anwendung z. B. beim Bau des Westerschelde-Tunnels in
den Niederlanden, des Parkhauses der Allianz-Arena in
München oder aktuell des Qatar-Bahrain-Causeway, einer
rd. 40 km langen Brückenverbindung zwischen Qatar und
Bahrain, die in den nächsten Jahren realisiert wird [6], [7].
Zur Veranschaulichung der prinzipiellen Vorgehensweise
soll das folgende Beispiel dienen. Für die direkt befahrene
Geschossdecke eines Parkhauses ohne Oberflächenschutzsystem
wurde ein Beton verwendet, der mit einem
Portlandzement CEM I und einem w/z-Wert von 0,50
hergestellt wurde. Dieser Beton verfügt über einen vergleichsweise
hohen Chloridmigrationskoeffizienten von
rd. 15,8 × 10 –12 m 2 /s, d. h. einen relativ geringen Chlorideindringwiderstand.
Die Geschossdecke wurde mit einer
Betondeckung von c nom = 55 mm und einer einbaubedingten
Standardabweichung von s = 6 mm ausgeführt. Die zu
erwartende Chloridbelastung der Geschossdecke an der
der Einwirkung ausgesetzten Betonoberfläche kann auf
Grundlage von Erfahrungswerten von vergleichbaren
Bauwerken zu rd. 2,0 M.-%/z abgeschätzt werden [8], [9].
Eine Bemessung auf den hier maßgebenden Grenzzustand
der Tragfähigkeit ist in Ermangelung ausreichend validier-
14
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11

P. Schießl/T. F. Mayer · Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
ter Modelle derzeit noch nicht möglich, so dass stellvertretend
der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit „Depassivierung
der Bewehrung“ betrachtet wird. Unter Verwendung
des Modells zum Chlorideindringen nach Gehlen [2]
ergibt sich für diesen Grenzzustand zum Ende der geplanten
Nutzungsdauer von t = 50 Jahren eine Versagenswahrscheinlichkeit
von p f = 47%, d. h., die Wahrscheinlichkeit,
dass in der betrachteten Geschossdecke nach 50 Jahren eine
Depassivierung infolge Chlorideindringens stattgefunden
hat, beträgt 47%. Der zeitliche Verlauf der Versagenswahrscheinlichkeit
p f und des Zuverlässigkeitsindex β sind
in Bild 2 dargestellt. Für den hier betrachteten Grenzzustand
der Gebrauchstauglichkeit wird am Ende der Nutzungsdauer
in [9] ein Zuverlässigkeitsindex β≥0,5 gefordert.
Da die geforderte Zuverlässigkeit in diesem Beispiel
deutlich unterschritten wurde, ist in einem nächsten
Schritt eine Erhöhung des Chlorideindringwiderstands
durch Rezeptoptimierung bzw. Erhöhung der Betondeckung
oder eine Verringerung der Chlorideinwirkung
durch konstruktive Maßnahmen zu erörtern.
2.3 Optimierungspotential durch Rezepturoptimierung
Ein wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen Ansatzes
der Lebensdauerbemessung besteht in der Möglichkeit,
die Auswirkung betontechnologischer Maßnahmen auf
die zu erwartende Lebensdauer quantitativ zu bewerten
und so Optimierungspotentiale durch Rezepturoptimierung
nutzen zu können. Beispielhaft ist in Bild 3 der Einfluss
von Bindemittelzusammensetzung und w/z-Wert auf
die maßgebende Kenngröße zur Beschreibung des Chloridtransports,
den Chloridmigrationskoeffizient, dargestellt
[10].
Derartige Bewertungswerkzeuge gewinnen vor dem
Hintergrund der derzeitigen Entwicklungen am Zementmarkt
an Bedeutung, an dem aufgrund des hohen CO 2 -
Ausstoßes bei der Klinkerproduktion reine Portlandzemente
CEM I zunehmend durch CEM II- und CEM III-
Zemente ersetzt werden. In Bild 4 sind die Auswirkungen
auf die Zuverlässigkeit dargestellt, die in dem zuvor beschriebenen
Beispiel der Austausch eines Portlandzements
durch einen Portlandkompositzement CEM II/B-
M (S-LL) oder einen Hochofenzement CEM III/B bei
gleichem Wasserzementwert bedingt. Bereits vergleichsweise
geringe Hüttensandgehalte bei einem CEM II/B-M
(S-LL) führen hier zu einem signifikanten Anstieg der Zuverlässigkeit.
Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die
Rezepturoptimierung unter Berücksichtigung aller Dauerhaftigkeitsaspekte
erfolgen muss. Hohe Anteile an puzzolanischen
oder latent hydraulischen Bestandteilen im Bindemittel
verbessern zwar z. B. den Chlorideindringwiderstand
und den Widerstand gegenüber chemischem Angriff,
führen aber u. U. zu einem Rückgang des
Karbonatisierungswiderstands und des Frost-Tausalz-Widerstands.
Portlandkompositzemente stellen hier einen
möglichen Kompromiss bei verschiedenen Dauerhaftigkeitsanforderungen
an ein Bauteil dar, da sie sowohl einen
vergleichsweise hohen Chlorideindringwiderstand aufweisen,
im Vergleich zu Hochofenzementen mit hohem Hüttensandgehalt
aber zusätzlich auch noch über einen relativ
hohen Karbonatisierungswiderstand verfügen. Der
Einfluss des Bindemittels auf die Wahrscheinlichkeit der
Bild 3. Einfluss von Bindemittel und Wasserzementwert auf
den Chloridmigrationskoeffizienten [10]
Fig. 3. Influence of binder type and water/cement-ratio on
the chloride migration coefficient [10]
Bild 4. Einfluss der Zementart auf den Zuverlässigkeitsindex
bei Chloridbeaufschlagung (w/z = 0,50)
Fig. 4. Influence of the binder type on the reliability index
with respect to chloride-induced corrosion (w/c = 0.50)
karbonatisierungsinduzierten Korrosion bei Verwendung
eines CEM I, eines CEM II/B-M (S-LL) und eines CEM
III/A bei gleichem Wasserzementwert ist exemplarisch in
Bild 5 dargestellt. Als Ergebnis der Rezepturoptimierung
steht die Auswahl einer Betonzusammensetzung, die unter
Berücksichtigung aller Einwirkungen eine möglichst hohe
Dauerhaftigkeit des betrachteten Bauteils gewährleistet.
2.4 Erweiterte Eignungsprüfungen
Die Lebensdauerbemessung, die als Bestandteil der Planung
durchgeführt wird, beruht auf Annahmen sowohl für
die Umwelteinwirkungen als auch für die dauerhaftig-
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11
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P. Schießl/T. F. Mayer · Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
Bild 5. Einfluss der Zementart auf den Zuverlässigkeitsindex
bei karbontisierungsinduzierter Korrosion (w/z = 0,50)
Fig. 5. Influence of the binder type on the reliability index
with respect to carbonation-induced corrosion (w/c = 0.50)
keitsrelevanten Materialkenngrößen. Da diese schon in
Abhängigkeit von der Herkunft der gewählten Ausgangsstoffe
starken Schwankungen unterworfen sein können,
sollten Letztere vor der Freigabe der zur Ausführung vorgesehenen
Betonrezeptur in erweiterten Eignungsprüfungen
verifiziert werden. Aufgrund der erhöhten Anforderungen
an die Genauigkeit der Eignungsprüfung sollten zu
diesem Zweck direkte Prüfverfahren angewandt werden.
Geeignete Prüfverfahren – in Abhängigkeit von den maßgebenden
Schädigungsmechanismen – sind z. B. Chloridmigrationsversuche,
beschleunigte Karbonatisierungsversuche
oder CDF-/CIF-Versuche zur Bestimmung des
Frost-Tau(salz)-Widerstands [11]. Indirekte Prüfverfahren
wie z. B. die Elektrolytwiderstandsmessung sind für die
erhöhten Anforderungen der erweiterten Eignungsprüfung
nicht geeignet. Die Ergebnisse der Eignungsprüfungen
können unmittelbar herangezogen werden, um die Lebensdauerbemessung
zu aktualisieren. Sollte sich im Rahmen
dieser Aktualisierung herausstellen, dass die geforderten
Zuverlässigkeiten über die geplante Nutzungsdauer
nicht sichergestellt werden können, ist die Betonzusammensetzung
dementsprechend anzupassen oder alternative
Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit zu wählen.
Diese können z. B. in einer Erhöhung der Betondeckung
oder der Anordnung eines Oberflächenschutzsystems
bestehen. Die Anordnung von Monitoring-Sensoren
führt zwar nicht zu einem direkten Anstieg der Zuverlässigkeit,
ermöglicht aber während der Nutzung eine kontinuierliche
Überwachung des Bauteilzustands und in der
Folge das frühzeitige Ergreifen geeigneter Interventionsmaßnahmen
und kann daher ebenfalls als Alternative in
Betracht gezogen werden.
2.5 Inspektionsplan
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen,
prädiktiven Lebensdauermanagements liegt in der Mög-
lichkeit, die Lebensdauerbemessung durch Berücksichtigung
von Untersuchungsergebnissen aus der Abnahme
und den Inspektionen während der Nutzung zu aktualisieren.
Während die Abnahme lediglich Aufschluss über die
Bauteil- und Materialeigenschaften liefert, können durch
Bauwerksinspektionen zu späteren Zeitpunkten während
der Nutzung auch Informationen über die tatsächlichen
Einwirkungen und die Umwelt-Bauwerks-Wechselwirkungen
gewonnen werden. Daher spielt die Durchführung
von Inspektionen eine wichtige Rolle innerhalb des Lebensdauermanagements.
Die Festlegung eines Inspektionsplans, der bauteilbezogen
Angaben zu den zu erhebenden Kenngrößen, den
Untersuchungsmethoden und den Inspektionsintervallen
enthält, ist fester Bestandteil der Planung. Anpassungen
des Inspektionsumfangs und der einzusetzenden Untersuchungsmethoden
können auf Grundlage der Ergebnisse
der aktualisierten Lebensdauerbemessung vorgenommen
werden. Der Einsatz zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden
wie z. B. der Potentialfeldmessung, der flächigen
Betondeckungsmessung oder der Erstellung von Chloridprofilen
bzw. Bestimmung der Karbonatisierungstiefe ist
für ein prädiktives Lebensdauermanagement essenziell, da
visuelle Untersuchungen allein, wie sie heute noch häufig
üblich sind, mögliche Schädigungen erst sehr spät erkennen
lassen und den Spielraum für Instandsetzungszeitpunkt
und -maßnahme dadurch wesentlich einschränken.
Ergänzend zu Bauwerksuntersuchungen kann auch
die Installation eines Monitoring-Systems in Betracht gezogen
werden. Einsatzgebiete für Monitoring sind besonders
Bauteile, die während der Nutzung nicht oder nur mit
großem Aufwand zugänglich sind oder konstruktionsbedingte
Schwachstellen bzw. Bauteile mit sehr hohen Umwelteinwirkungen,
die in der Folge einen erhöhten Überwachungsumfang
erfordern. Es stehen sowohl Sensorsysteme
zum direkten Einbau als auch zum nachträglichen
Einbau zur Verfügung, so dass Monitoring auch als Reaktion
auf die Ergebnisse von Bauwerksuntersuchungen eingesetzt
werden kann. Monitoring-Systeme als Element des
Lebensdauermanagements kommen beispielsweise beim
Parkhaus der Allianz-Arena oder dem Neubau des Tunnels
Mittlerer Ring Südwest in München zum Einsatz
[12], [13]. Bei diesem wird durch den Einsatz von insgesamt
65 Anodenleitern und 17 Multiringelektroden in Abhängigkeit
von der Entfernung zu den Tunnelportalen der
Chlorideintrag in den Konstruktionsbeton bzw. die Wirksamkeit
von Oberflächenschutzsystemen und Hydrophobierungen
überwacht. Ein Monitoring-System zur Überwachung
der Wirksamkeit von Tiefenhydrophobierungen
wurde außerdem bei einem Autobahntunnel nahe München
an der Tunneldecke und an gesondert hergestellten
Probeplatten eingebaut [14].
2.6 Qualitätssicherung während der Ausführung
Die Qualitätssicherung während der Ausführung dient im
Gegensatz zur Eignungsprüfung nicht der Beurteilung der
grundsätzlichen Eignung des zur Verwendung vorgesehenen
Betons, sondern der Gleichmäßigkeit des Betons
beim Einbau. Aufgrund der geringeren Anforderungen an
die Genauigkeit der hierzu eingesetzten Verfahren und
des gleichzeitig steigenden Prüfumfangs sind hierfür
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Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11

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schnelle und kostengünstige Prüfverfahren wie z. B. die
Messung des Elektrolytwiderstands geeignet, für den
grundsätzlich eine gute Korrelation sowohl mit dem Chloridmigrationswiderstand
als auch dem Karbonatisierungswiderstand
besteht. Elektrolytwiderstandsmessungen
können parallel zur Druckfestigkeitsprüfung an den gleichen
Betonprobekörpern durchgeführt werden. Um zusätzlich
eine Korrelation zwischen Messwerten, die direkt
am Bauwerk gewonnen werden, und den Ergebnissen der
Kontrollprüfungen bzw. Eignungsprüfungen an wassergelagerten
Laborprüfkörpern herstellen zu können, ist darüber
hinaus eine Berücksichtigung der tatsächlichen Betonfeuchte
zum Zeitpunkt der Messung erforderlich, für die
ein mögliches Prüfkonzept in Bild 6 dargestellt ist. Dieses
setzt sich aus fünf Untersuchungsphasen zusammen:
1. Elektrolytwiderstandsmessung während der Eignungsprüfung
an wassergelagerten Laborprüfkörpern
2. Elektrolytwiderstandsmessung im Rahmen der Kontrollprüfungen
an wassergelagerten Laborprüfkörpern
3. Elektrolytwiderstandsmessung zum Zeitpunkt der Abnahme
an Laborprüfkörpern, die während der laufenden
Produktion hergestellt, 28 Tage unter Wasser und
anschließend am Bauwerk gelagert wurden (Prüfserie A)
4. Elektrolytwiderstandsmessung zum Zeitpunkt der Abnahme
an Laborprüfkörpern, die entsprechend der erforderlichen
Nachbehandlungsdauer wassergelagert,
anschließend ausgeschalt und am Bauteil gelagert wurden.
Vergleich mit 3., um den Einfluss der Nachbehandlung
bestimmen zu können (Prüfserie B)
5. Elektrolytwiderstandsmessung zum Zeitpunkt der Abnahme
an Bauteiloberflächen und Vergleich mit 4., um
den Einfluss der Einbauqualität bestimmen zu können
(Prüfserie C)
Durch diese vergleichsweise aufwändige Qualitätssicherung
ist eine lückenlose Kontrolle sowohl der Betonlieferqualität
als auch der Einbauqualität möglich. Werden im
Rahmen der Qualitätssicherung Abweichungen festgestellt,
können diese durch entsprechende Maßnahmen
noch vor Inbetriebnahme des Bauwerks kostengünstig
korrigiert werden.
2.7 Abnahme
Die Abnahme nach Fertigstellung ist fester Bestandteil jeder
Baumaßnahme. Allerdings werden bei der herkömmlichen
Abnahme vorwiegend visuelle Untersuchungen
durchgeführt, wohingegen Kennwerte zur Bewertung der
Dauerhaftigkeit des fertig gestellten Bauwerks nicht erhoben
werden. Dabei stellt gerade die Abnahme i. d. R. den
geeigneten Zeitpunkt für umfangreiche zerstörungsfreie
Bauwerksuntersuchungen dar, da durch die Untersuchungen
zu diesem Zeitpunkt keine Nutzungseinschränkung
verursacht wird und viele Bauteile mit auf der Baustelle
vorhandenen Steighilfen leicht zugänglich sind. Allerdings
wurde das Bauwerk zum Zeitpunkt der Abnahme i. d. R.
noch keinen Umwelteinwirkungen unterworfen, so dass
Untersuchungsmethoden zur Quantifizierung der tatsächlichen
Umwelteinwirkungen oder zur Interaktion von
Bauwerk und Umwelt wie z. B. die Potentialfeldmessung
oder Bohrmehlentnahmen im Rahmen der Abnahme
nicht eingesetzt werden sollten. Neben den in Abschn. 2.6
bereits beschriebenen Elektrolytwiderstandsmessungen
sind besonders Betondeckungsmessungen im Rahmen der
Abnahme großflächig durchzuführen, da die Betondeckung
als altersunabhängige Größe einen zentralen Parameter
für nahezu alle Schädigungsmodelle darstellt und
auf lokal zu geringe Betondeckungen vor Inbetriebnahme
des Bauwerks noch reagiert werden kann. Sollten großflächige
Betondeckungsmessungen nicht möglich sein, so
sollten zumindest für alle Bauteile mit dauerhaftigkeitsrelevanten
Umwelteinwirkungen Teile der Oberflächen untersucht
werden, um systematische Fehler bei der Herstellung
der Betondeckung ausschließen zu können. Die Ergebnisse
der Betondeckungsmessungen können unmittelbar
herangezogen werden, um die getroffenen Annahmen
zur Betondeckung zu überprüfen und somit die Lebensdauerbemessung
zuzuschärfen [15], [16].
Bild 6. Ablaufschema für Elektrolytwiderstandsmessungen
zur Kontrolle der
Betonqualität
Fig. 6. Flow chart for electrolytic resistivity
measurements for concrete quality
control
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11
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P. Schießl/T. F. Mayer · Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
Permeabilitätsmessungen zur Bewertung der Oberflächenqualität
werden z. B. in der Schweiz verbreitet als Abnahmekriterien
eingesetzt [17]. Allerdings weist die Permeabilität
eine große Abhängigkeit vom Feuchtezustand
der Betonoberfläche und ggf. vorhandener, oberflächennaher
Rissbildung auf, so dass die Ergebnisse von Permeabilitätsmessungen
nur unter Vorbehalt herangezogen werden
sollten. Visuelle Untersuchungen liefern keine quantifizierbaren
Eingangsgrößen für Schädigungsmodelle, stellen
aber dennoch unverändert ein zentrales Element der
Abnahme dar, da sie die einzige Möglichkeit sind, lokale
Schwachstellen infolge von Rissbildung, Gefälleausbildung
o. Ä. zu identifizieren.
2.8 Geburtszertifikat
Alle dauerhaftigkeitsrelevanten Informationen von der
Planung mit der ursprünglichen Lebensdauerbemessung
und dem Inspektionsplan über die Eignungs- und Kontrollprüfungen
bis hin zur Abnahme mit der aktualisierten
Lebensdauerbemessung werden in einem zentralen Dokument,
dem so genannten Geburtszertifikat, zusammengestellt.
Das Geburtszertifikat stellt somit die Grundlage für
das Instandhaltungsmanagement des Bauwerks dar. Der
Inspektionsplan, der bereits während der Planungsphase
aufgestellt wurde, wird auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse
bzw. der aktualisierten Lebensdauerbemessung
angepasst und legt in Abhängigkeit von der erwarteten
Zustandsentwicklung Inspektionsintervalle, -methoden
und -umfang fest. Während der Nutzung wird das Geburtszertifikat
kontinuierlich fortgeschrieben und der Inspektionsplan
entsprechend angepasst. Dadurch wird
auch bei Eigentümerwechseln sichergestellt, dass alle für
den Betrieb und die Instandhaltung maßgebenden Informationen
über die gesamte Nutzungsdauer zur Verfügung
stehen.
2.9 Inspektion, Monitoring und Instandsetzung
Ein erster Inspektionsplan für die Durchführung von Zustandserfassungen
während der Nutzungsphase wurde
bereits in der Planungsphase entwickelt und nach Abnahme
des Bauwerks aktualisiert und dem Bauherrn als
Bestandteil des Geburtszertifikats übergeben. Dieser Inspektionsplan
enthält Empfehlungen sowohl für das Inspektionsintervall
als auch für die einzusetzenden Untersuchungsmethoden
und den Untersuchungsumfang. Dabei
sind zwei grundsätzlich verschiedene Modelle denkbar:
1. Anpassung des Inspektionsintervalls an die erwartete
Zustandsentwicklung des Bauwerks/Bauteils
2. konstante Inspektionsintervalle und Anpassung der
Untersuchungsmethoden an die erwartete Zustandsentwicklung
Wegen der klarer definierten Verantwortlichkeiten erscheint
die Verwendung konstanter Inspektionsintervalle
von drei bzw. sechs Jahren entsprechend DIN 1076 sinnvoll.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Zustandsprognose
für den Inspektionszeitpunkt können die eingesetzten
Untersuchungsmethoden derart gewählt werden, dass sie
eine eindeutige Bestimmung des Bauteilzustands ermögli-
chen. Um die Kosten für die Bauwerksuntersuchungen zu
reduzieren, empfiehlt sich ein mehrstufiges Vorgehen, bei
dem ausgehend von vergleichsweise einfachen und stichprobenartigen
Untersuchungen mit zunehmender Schädigung
die Komplexität der Untersuchungsmethoden und
der Untersuchungsumfang gesteigert wird [18], [1]. Um
bei stichprobenartigen Untersuchungen die Gefahr, dass
möglicherweise kritische Bauteilzustände übersehen werden,
zu minimieren, werden für diese wesentlich schärfere
Grenzwerte bei der Beurteilung angesetzt. Die Ergebnisse
der Zustandserfassung sind zu dokumentieren und dem
vorhandenen Geburtszertifikat hinzuzufügen. Des Weiteren
sollten die Untersuchungsergebnisse herangezogen
werden, um die vorhandene Lebensdauerprognose – unabhängig
von dem gewählten Detaillierungsgrad – zu aktualisieren.
Daten, die durch Korrosionsmonitoring erhoben
werden, können in gleicher Weise wie Chloridprofile
und Carbonatisierungstiefen zur Aktualisierung vollprobabilistischer
Lebensdauerprognosen verwendet werden,
indem die (statistisch verteilte) Eindringtiefe der Depassivierungsfront
infolge Chlorideindringens oder Carbonatisierung
als zusätzliche Randbedingung in der Berechnung
berücksichtigt wird [14].
Ergibt sich aus der Zustanderfassung oder der Zustandsprognose
die Notwendigkeit einer Instandsetzung
während der verbleibenden Restnutzungsdauer, sind der
Zeitpunkt der Instandsetzung, die Instandsetzungsmethode
und die eingesetzten Materialien unter Berücksichtigung
ökonomischer und ökologischer Faktoren auszuwählen.
Dabei sind bei der Planung und Durchführung
der Instandsetzungsmaßnahme die gleichen Schritte wie
bei einer Neubaumaßnahme (Lebensdauerprognose, Eignungs-
und Kontrollprüfungen) zu durchlaufen und das
Geburtszertifikat und der Inspektionsplan entsprechend
fortzuschreiben. Ähnlich wird auch im Fall von Umnutzungen
während der Nutzungsdauer verfahren, die zu veränderten
Umwelteinwirkungen und in der Folge zu einer
Anpassung der Zustandsprognose führen [4].
3 Zusammenfassung und Ausblick
Für die Erhaltung alternder Bauwerksbestände stellt das
Lebensdauermanagement eine zentrale Aufgabe dar. Mit
vollprobabilistischen Lebensdauerbemessungsmodellen
stehen bereits heute Werkzeuge zur Verfügung, die eine
Prognose der Zustandsentwicklung unter Berücksichtigung
der tatsächlichen Umwelteinwirkungen und Materialeigenschaften
ermöglichen. Diese sind das Kernelement
moderner Lebensdauermanagementsysteme. In
Verbindung mit zerstörungsfreien Bauwerksuntersuchungen
können die Prognoseergebnisse kontinuierlich zugeschärft
werden und versetzen den Bauwerksbetreiber somit
in die Lage, durch genaue Kenntnis des aktuellen
Bauwerkszustands und der zukünftigen Zustandsentwicklung
Instandhaltungsmaßnahmen frühzeitig zu planen
und die verfügbaren Ressourcen über die Nutzungsdauer
optimiert einzusetzen. Derart prädiktives Lebensdauermanagement
wird derzeit bereits bei einigen Pilotprojekten
eingesetzt, die für den Einsatz für größere
Bauwerksbestände erforderlichen, computerbasierten
Managementsysteme befinden sich allerdings derzeit
noch in der Entwicklung.
18
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 11

P. Schießl/T. F. Mayer · Lebensdauermanagement von Stahlbetonbauwerken
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Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.
Peter Schießl
schiessl@ib-schiessl.de
Ingenieurbüro
Schießl • Gehlen • Sodeikat GmbH
Landsberger Straße 370
80687 München
Dr.-Ing.
Till Felix Mayer
mayer@ib-schiessl.de
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