Stahlbeton

So tragen Stahl und Beton gemeinsam eine Balkonplatte

Zugkräfte im Stahl, Druckkräfte im Beton

Beton kann hohe Druckkräfte aufnehmen, hat aber nur eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit, darum übernimmt die Bewehrung nach BauNetz Wissen die Zugkräfte und verteilt Risse so, dass ihre Breite begrenzt bleibt.^[1] Stahl ist das älteste und bis heute am häufigsten verwendete Bewehrungsmaterial, und weil sich Beton und Stahl bei Wärme und Kälte ähnlich verformen, bleibt ihr Verbund dauerhaft erhalten.^[1]

Wird hochfester Spannstahl gezielt vorgespannt, erzeugt er Druckspannungen im Beton, die späteren Zugspannungen entgegenwirken, und je nach Verfahren wird vor oder nach dem Betonieren gespannt.^[1] Als Bewehrungsstahl dient nach WECOBIS meist gerippter oder profilierter Stahl, als Betonstabstahl, als Betonstahl in Ringen oder als verschweißte Matte, und er kann feuerverzinkt oder mit Epoxid beschichtet sein.^[2] Bei Textilbeton übernehmen Gelege aus Carbon- oder Glasfasern die Bewehrung, sie rosten nicht und erlauben deshalb sehr dünnwandige Bauteile.^[2]

Dringt Wasser durch Risse einer Stahlbetondecke, etwa in einer Tiefgarage oder unter einem Balkon, kann es auf Leuchten, Kabelrinnen und Verteilerdosen tropfen. Bevor jemand dort nasse Bauteile anfasst oder Eimer unterstellt, schaltet man den Stromkreis der Garage oder des Raums unter dem Balkon an der Sicherung aus, ein Lichtschalter genügt dafür nicht. Ist der Sicherungskasten nass, verständigen Bewohner die Feuerwehr oder den örtlichen Netzbetreiber und meiden den Raum. Läuft ein Keller voll, geht niemand hinunter, solange das Wasser steigt.

Vom Eisenbeton zum Stahlbeton

Ab 1850 wurden nach BauNetz Wissen die ersten Patente für Betonbauteile mit Drahtgeflechten und schmiedeeisernen Stäben angemeldet, und Lambot und Monier suchten mit zementumhüllten Eisengeflechten einen Ersatz für Holz in feuchter Umgebung.^[1] Erst in den 1870er-Jahren wurden die Verbundwirkung und die hinreichend gleiche Wärmeausdehnung erkannt, und obwohl sich Stahl als Bewehrung durchsetzte, blieb der Name Eisenbeton bis weit ins zwanzigste Jahrhundert gebräuchlich.^[1]

Betonstahl enthält neben Eisen auch Kohlenstoff, Silicium, Mangan und weitere Begleitelemente und wird in Deutschland vielfach aus Stahlschrott hergestellt, wobei schrottbasierte Elektrostahlwerke in der Regel deutlich weniger Treibhausgase verursachen als die Hochofenroute.^[1]

Betonstahl, Rippen und Verbund

Für schlaffe, also nicht vorgespannte Bewehrung kommen nach BauNetz Wissen überwiegend gerippte Betonstahlstäbe und geschweißte Betonstahlmatten zum Einsatz, Längsstäbe nehmen Biegung und Normalkraft auf, Bügel erhöhen die Querkrafttragfähigkeit und halten die Längsstäbe im Bewehrungskorb.^[1] Die Rippen erzeugen den mechanischen Verbund, glatter Stahl haftet deutlich schlechter und ist in aktuellen Regelwerken für den Stahlbetonbau nicht mehr vorgesehen.^[1]

Nach DIN 488-1 steht die Kennzeichnung B500 für eine charakteristische Streckgrenze von 500 N/mm², der nachgestellte Buchstabe für die Duktilitätsklasse, wobei B500A häufig für Matten und B500B für Stabstahl mit höheren Anforderungen an die Verformbarkeit verwendet wird.^[1] Der Eurocode 2 regelt Mindestbewehrung, Stababstände und die Begrenzung der Rissbreiten, und zwischen den Stäben muss genug Platz bleiben, damit der Beton eingebracht und verdichtet werden kann.^[1]

Wie die Betondeckung den Stahl schützt

Im erhärteten Beton bildet das alkalische Milieu im Porenraum des Zementsteins auf dem Stahl eine schützende Passivschicht, und geht sie durch Karbonatisierung oder eindringende Chloride verloren, kann die Bewehrung korrodieren.^[1] Rost beansprucht mehr Volumen als der Stahl, aus dem er entsteht, und sprengt Risse und Abplatzungen in die Betondeckung.^[1]

Wie dick die Betondeckung sein muss, richtet sich nach Expositionsklasse, Betonfestigkeit, Stabdurchmesser, Ausführungsbedingungen und geplanter Nutzungsdauer, und Abstandhalter halten die Bewehrung beim Betonieren in Lage.^[1] Zeigen sich Rostfahnen an einer Kellerdecke, an der seit einem Rohrschaden Wasser aus der Decke tropft, wird geprüft, ob die Deckung über der Bewehrung ausreicht. WECOBIS nennt für Stahlbeton eine Überdeckung von mindestens 3 bis 4 cm, damit die Bewehrung vor Korrosion geschützt ist.^[2] Gelangt aus einer undichten Leitung über lange Zeit Wasser an die Bewehrung, spürt eine Leckageortung die Stelle auf, ehe der Stahl Schaden nimmt.

Für die Bewehrungskorrosion durch Karbonatisierung unterscheidet das Zement-Merkblatt B 9 vier Klassen, von XC1 trocken oder ständig nass bis XC4 wechselnd nass und trocken, und eigene Klassen gelten für Chloride aus Taumitteln und aus Meerwasser.^[3] Gründungsbauteile ordnet das Merkblatt der Klasse XC2 nass, selten trocken zu, Innenräume mit hoher Luftfeuchte wie gewerbliche Küchen, Bäder und Wäschereien der Klasse XC3 mäßige Feuchte.^[3]

Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen

Schutz und Instandsetzung von Bauteilen aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton regelt die Technische Regel Instandhaltung von Betonbauwerken des DIBt vom Mai 2020 zusammen mit der Instandsetzungs-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton vom Oktober 2001.^[4] Zu den geregelten Maßnahmen gehören der dauerhafte Korrosionsschutz der Bewehrung, auch bei bereits korrodiertem Stahl, die Erneuerung des geschädigten Randbetons, das Füllen von Rissen und Hohlräumen und der vorbeugende Schutz gegen eindringende beton- und stahlangreifende Stoffe.^[4]

Die Regel setzt voraus, dass jede Maßnahme der Instandhaltung, also Inspektion, Wartung, Instandsetzung und Verbesserung, von einem sachkundigen Planer geplant wird und dass er die Ausführung nach einem Instandsetzungsplan begleitet.^[4] Auf Seiten des Auftraggebers muss in jeder Phase feststehen, wer die Standsicherheit verantwortlich beurteilt und wer die dafür nötigen Maßnahmen plant und ausführt.^[4]

Um die Passivität der Bewehrung zu erhalten oder wiederherzustellen, beschreibt die Regel unter anderem die Erhöhung oder den Teilersatz der Betondeckung mit zusätzlichem Mörtel oder Beton und den Ersatz von chloridhaltigem oder carbonatisiertem Beton.^[4] Beim kathodischen Schutz wird das Potenzial der Bewehrung mit Fremdstrom oder galvanischen Anoden so weit abgesenkt, dass die Korrosionsgeschwindigkeit technisch vernachlässigbar wird, ein Verfahren, das DIN EN ISO 12696 beschreibt.^[4]

Ein Instandsetzungsprinzip setzt darauf, den elektrischen Widerstand des Betons zu erhöhen, indem flüssiges Wasser ferngehalten wird und der Beton danach austrocknet, und dafür muss Wasser auch von hinten oder von der Seite ausgeschlossen sein, etwa über Dach, Fensterlaibungen, Kondensat von innen oder aufsteigende Feuchte.^[4] Die Regel weist ausdrücklich darauf hin, dass die Bewehrung während der langsamen Austrocknung des Betons nennenswert weiterrostet.^[4] Bei carbonatisiertem Beton kann dafür eine Hydrophobierung mit Silanen oder Siloxanen eingesetzt werden, deren Wirksamkeit der sachkundige Planer zum Beispiel mit Sensoren überwachen lässt.^[4]

Abbruch und Moniereisen

Beim Abbruch wird Stahlbeton vor Ort in Stahl und Beton getrennt, und den Bewehrungsstahl nennen Entsorger nach WECOBIS Moniereisen, das häufig mit erheblichem Aufwand zerkleinert und von Betonresten befreit werden muss, bevor es in der Stahlerzeugung recycelt wird.^[2] Die Ökobilanz der Stahlbewehrung hat sich nach WECOBIS deutlich verbessert, seit sie mit bis zu 100 Prozent Recyclingstahl gefertigt wird.^[2] Für Textilbeton gibt es dagegen noch keine eingeführten Rückbau- und Recyclingverfahren, und für Carbonbeton sieht der LAGA-Ad-hoc-Ausschuss die Deponierung derzeit als beste Entsorgung.^[2]

Rostfahnen an Stahlbeton nach Wassereintritt

Dringt über lange Zeit Wasser durch Risse einer Balkonplatte, durch eine undichte Abdichtung auf einer Tiefgaragendecke oder durch schadhafte Anschlüsse in Stahlbeton ein, zeigen Rostfahnen, Abplatzungen und freiliegende Bewehrung, dass der Korrosionsschutz an diesen Stellen verloren ist. Wir suchen den Weg des Wassers mit Feuchtemessung, Thermografie oder Färbemitteln, trocknen die angrenzenden Räume und halten Risse, Rostspuren und Messwerte in einer Dokumentation fest, mit der der sachkundige Planer die Instandsetzung vorbereiten kann.

Läuft bei einem Leitungsschaden Wasser auf eine Stahlbetondecke, trocknen wir den Fußbodenaufbau darüber und die Decke selbst zügig, damit Feuchte nicht über Wochen in Rissen und Fugen steht. Zeigt die Unterseite der Decke bereits Rost oder lose Betonteile, sperren wir den Bereich ab und ziehen einen Tragwerksplaner hinzu, bevor dort weitergearbeitet wird.