Wärmendes Leichtgewicht

In einer Serie mit dem BMUB präsentieren wir Aktuelles aus der Bauforschung. In Teil 4 geht es um die Entwicklung eines Architekturleichtbetons.

Die Kombination eines hochwärmedämmenden Leichtbetons mit den optischen Eigenschaften eines Architekturbetons ermöglicht Bauwerke, bei denen die Optik des Betons mit den energetischen Anforderungen an Außenbauteile vereint werden kann. An der TU Kaiserslautern wurde ein Gebäude aus einem neu entwickelten Architekturleichtbeton verwirklicht, bei dem die im Labor gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der Übertragbarkeit auf Bauwerksverhältnisse überprüft wurden.

Gegenstand des Forschungsvorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von hochwärmedämmenden, mo­­­nolithischen Leichtbetonaußenbauteilen aus Sichtbeton, die vor dem Hintergrund des „nachhaltigen Bauens“ aus recycelbaren Baustoffen sowie einem Zement mit optimierter Ökobilanz hergestellt werden sollten.

Monolithische Außenbauteile aus wärmedämmendem Leichtbeton sind aufgrund ihrer geringen Dichte und porigen Struktur empfindlich gegen eindringende korrosionsfördernde Medien und Feuchtigkeit. Des Weiteren mussten die gestellten Forderungen hinsichtlich Frischbetoneigenschaften und mechanischen Anforderungen zielsicher erreicht sowie gleichzeitig eine hohe Sichtbetonqualität ermöglicht werden. Das monolithische Bauteil sollte ohne zusätzliche Dämmung die Anforderungen der ENEV 2009 erfüllen und mit Mineralschaum-Kerndämmung einen U-Wert von 0,2 W/(K∙m²) erreichen. Hierzu sollten Kerndämmmaterialien eingesetzt werden, die insbesondere die Aspekte des nachhaltigen Bauens berücksichtigen und die Recycelfähigkeit der Gesamtkonstruktion möglich machen.

Ein Architekturleichtbeton mit folgendem Anforderungsprofil sollte realisiert werden:

– hohe Sichtbetonqualität, gefügedichte Oberfläche

– Wandkonstruktion erfüllt Anforderungen der ENEV 2009

– Ausgangsstoffe erfüllen Nachhaltigkeitsanforderungen

– Frischbeton: leichte Verdichtbarkeit, Mischungsstabilität

– Festbeton: Druckfestigkeit LC 8/9, Rohdichte < 750 kg/m³

– ausreichender Widerstand gegen eindringende Gase und Wasser

Zusammensetzung des hochwärmedämmenden Architekturleichtbetons

Die Betonzusammensetzung musste widersprüchliche Anforderungen, wie z. B. ausreichende Druckfestigkeit bei geringer Rohdichte sowie geringe Wasseraufnahme trotz aufgeschäumter Zementmatrix erfüllen.

Als Bindemittel kam aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Architekturleichtbetons ein Hochofenzement CEM III/B 32,5 N mit langsamer Hydratationswärmeentwicklung zum Einsatz. Die geforderte Wasseraufnahme und Wärmeleitfähigkeit konnten mit Leichtzuschlag aus aufgeblähtem Recyclingglas realisiert werden, wobei drei unterschiedliche Blähglas-Fraktionen mit den Korngrößen 0,25/0,5 mm, 1/2 mm und 4/8 mm verwendet wurden. Die selbstverdichtenden Fließeigenschaften ohne Entmischung wurden durch den Einsatz eines PCE-Fließmittels in Kombination mit einem Stabilisator erreicht. Die angestrebte geringe Trockenrohdichte (< 750 kg/m³) erforderte die Anwendung eines Schaumbildners zum Aufschäumen der Zementmatrix. Zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit wurden des Weiteren schwindreduzierende und hydrophobierende Zusatzmittel zugegeben.

Kennwerte des Architekturleichtbetons

Die beim Experimentalgebäude verwendete selbstverdichtende Betonzusammensetzung wies ein Setzfließmaß von 680 - 700 mm und eine Frischbetonrohdichte von 720 - 740 kg/m³ auf. Bei Trockenrohdichten deutlich unter 700 kg/m³ wurde eine 28-Tage-Druckfestigkeit von 6,3 MPa (56 d: 8,7 MPa; 90 d: 9,2 MPa) und ein Elastizitätsmodul von ca. 3,5 GPa nach 28 Tagen ermittelt. Die Gaspermeabilität lag trotz der geschäumten Zementmatrix in der Größenordnung eines Normalbetons, wohingegen die kapillare Wasseraufnahme aufgrund des hydrophobierenden Zusatzmittels unterhalb eines durchschnittlichen Normalbetons lag. Die wichtigste Anforderung an den zu entwickelnden Leichtbeton waren seine Eigenschaften hinsichtlich Wärmedämmung, wo­­bei ein Wärmeleitfähigkeitswert des Architekturleichtbetons von etwa l = 0,15 W/(m∙K) erreicht werden konnte. Mit einer Mineralschaum-Kerndämmung, die in einer Wand des Experimentalgebäudes eingebaut wurde, wurde ein U-Wert von 0,2 W/(K∙m²) erreicht.

Bau eines Experimentalgebäudes aus Architekturleichtbeton

Die Herstellung des Architekturleichtbetons für das 7 m x 5 m x 4 m große Experimentalgebäude erfolgte im Transportbetonwerk, wobei die verschiedenen Blähglasfraktionen direkt in die Mischfahrzeuge dosiert wurden. Nach Zugabe des Zementleims wurde im Mischfahrzeug intensiv gemischt und der selbstverdichtende Architekturleichtbeton ohne weitere Verdichtung eingebaut. Zur Zeit werden Messungen zur Beurteilung der Temperatur- und Feuchtigkeitsverläufe aufgezeichnet und ausgewertet, um eine Aussage über die tatsächlichen Wärmedämmeigenschaften und die Dauerhaftigkeit des Architekturleichtbetons bei natürlicher Bewetterung treffen zu können.

Fazit

Der unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten entwickelte Architekturleichtbeton aus Blähglas und Hochofenzement erfüllte die hohen Anforderungen hinsichtlich Frisch- und Festbetoneigenschaften. Bei einer Trockenrohdichte von unter 700 kg/m³ wurde ein Wärmeleitfähigkeitswert von l = 0,15 W/(m∙K) erreicht. Die Übertragbarkeit der Laborerkenntnisse auf Bauwerksverhältnisse wurde durch den Bau eines Leichtbetongebäudes nachgewiesen. Kontinuierliche Messungen der Temperatur- und Feuchtigkeitsverläufe mit im Gebäude eingebauten Multiringsensorelektroden (MRSE) ermöglichen die Beurteilung der tatsächlichen Wärmedämmeigenschaften und der Dauerhaftigkeit des Architekturleichtbetons.

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Breit
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