I Spy Science: Was ist Beton?

Beton ist zuallererst ein Baustoff. Er ist sehr vielfältig und kann unterschiedlich eingesetzt werden. Wenn man mit offenen Augen durch unsere gebaute Umwelt geht, dann sieht man Beton nahezu überall. In unseren Gebäuden, in der Verkehrsinfrastruktur, in  Brücken, in Wasserbauwerken und im Industriebau. Und er ist oft auch dort, wo man ihn nicht sieht. Beispielsweise in Fundamenten, in Tunneln oder im Abwasserbereich. Die Bandbreite reicht von Normalbeton, wie wir ihn von unseren Gebäuden kennen, bis hin zu Hochleistungsbeton, mit dem wir besonders weit gespannte Brücken herstellen können. Den gibt es aber auch aufgeschäumt und deshalb unglaublich leicht als Bandelemente beispielsweise, die besonders gut Wärme dämmen und unser Zuhause im Sommer kühl und im Winter warm halten. Beton wird in der Architektur aber auch gern als sichtbarer Baustoff verwendet, der einem Raum ein ganz besonderes optisches Flair verleiht. 

Beton ist eine Mischung aus Zement, Wasser und unterschiedlich großen Zuschlagstoffen. Gehen wir die Bestandteile einzeln durch. Das Gestein kann aus unterschiedlichen Quellen kommen und hat ganz unterschiedliche Korngrößen. Hier haben wir zum Beispiel Grobkorn, da drüben haben wir den Sand. Und diese Gesteine, die verleihen dem Beton seine Leistungsfähigkeit. Wir verwenden größere Teile wie Kieselsteine, aber auch feineren Sand, um eine gute Packungsdichte zu erhalten. Das Gestein bekommen wir ganz klassisch aus dem Steinbruch. Aber weil das natürlich für die Umwelt nicht besonders toll ist, verwenden wir in Zukunft Betonabbruch, also alte Wände oder Decken, die nicht mehr gebraucht werden. Weil zum Beispiel ein Gebäude für einen Neubau abgerissen wird. Und dann nehmen wir diesen Abbruch und den zermahlen wir wieder zu Gestein in der Form, wie er hier vorliegt. Wir recyceln so das Gesteinsmaterial zurück zu Baumaterial. Aber es wird auch mit anderen Gesteinssorten experimentiert, wie zum Beispiel Sand aus der Wüste. Beton lässt sich grundsätzlich ganz einfach herstellen. Und das machen wir jetzt einfach mal. Wir beginnen mit der Gesteinskörnung. Ich habe hier einen Messbecher und eine Waage. Also es kommt schon ein bisschen darauf an, wie man das Ganze zusammen mischt. Und wir beginnen mit einer Gesteinskörnung beispielsweise. Das ist die grobe Gesteinskörnung davon gebe ich jetzt noch nicht mal so wenig hinein wie ihr seht und den Sand. Das ist zusammen die Gesteinskörnung. Das Ganze ist natürlich  besonders trocken. Es darf kein Wasser drin sein und so. Das nächste ist Zement und Wasser. Das ist das Bindemittel, das die einzelnen Gesteinskörner hier drin verbinden wird und form stabil macht. Der Zement wird in erster Linie aus Kalkstein und Ton hergestellt. Diese Rohstoffe werden vermahlen und anschließend bei der unglaublich hohen Temperatur von 1.450°C gebrannt. Die einzelnen Körner verschmelzen dabei und es entsteht der sogenannte Zementklinker. Manchmal werden dem Zement dann bestimmte andere Stoffe beigemengt, wie Hüttensand oder Flugasche, um ihm bestimmte Eigenschaften zu geben. 

Aber die Herstellung von Zement ist für die Umwelt problematisch. Einerseits wird in diesem Brennvorgang im Rohstoff gespeichertes CO₂ frei und andererseits braucht das Brennen bei so hoher Temperatur sehr viel Energie. Die Forschung kümmert sich intensiv darum, dieses Umweltproblem zu lösen und umweltfreundliche Alternativen zu finden. Aber geben wir den Zement nun unsere Mischung dazu. Dazu nehme ich hier meine kleine Schaufel. Da ist der Zement und den mische ich jetzt hier dazu. Ein bisschen was muss schon rein. Das Ganze wird jetzt zunächst einmal trocken gemischt, sodass man eine ordentliche Mischung erhält. Ihr seht, im Betonbau geht es ein bisschen gröber zu. Und nun kommt das Wasser hinzu, damit sich der Bindemittel wieder vermischt. Und so erhält man einen gut verarbeitbaren Baustoff. Und sobald das Wasser mit dem Zement in Kontakt kommt, startet die chemische Reaktion, dank derer wir den uns so gut bekannten Beton erhalten. Er erhärtet und wird zu einem der dauerhaftesten und stabilsten Baustoffe, die wir kennen. manchmal werden auch dieser Mischung noch unterschiedliche Stoffe beigefügt, die dem Beton wiederum bestimmte Eigenschaften, wie zum Beispiel besondere Tragfähigkeit oder auch Dauerhaftigkeit, verleihen. Beton kann, wenn er passend hergestellt und bearbeitet wurde, sehr großen Druck aushalten und ist daher äußerst stabil. Was er aber nicht so gut verträgt, sind Zugkräfte, das heißt, wenn ein Bauteil dran gezogen wird. Deshalb werden Betonbauteile, die wir zum Beispiel für die Decke in einem Haus verwenden, oft mit unterschiedlichen Materialien bewährt. Zum Beispiel werden Decken aus Stahlbeton gemacht. Das heißt, wir geben hier Bewährungsstahl dazu, dass wir am Ende eine stabile Struktur erhalten, in der der Beton die Druckkräfte und der Stahl die Zugkräfte übernimmt. Eine ganz tolle Eigenschaft vom Beton ist, dass man ihn in beliebige Formen gießen kann. Das heißt, ich könnte zum Beispiel hier eine Form nehmen und in diese Form kann ich den Beton hinein gießen und in dieser Form erhärtet er und kann am Ende in dieser Form auch die Kräfte übernehmen.

Das heißt, wir können tolle Schalenkonstruktionen bauen, wir können freigeformte Brücken bauen oder wie hier jetzt in unserem Beispiel einfach einen kleinen Schalungskörper. Hier gebe ich den Beton hinein, beispielsweise so. Dann ist es ganz wichtig, dass man den Beton ordentlich verdichtet. Ich mache das jetzt hier mit der Kelle, aber in Wirklichkeit werden hier Rüttelflaschen eingegeben, sodass keine Nester entstehen, die Luft herauskommt und man am Ende einen guten Festkörper erhält. Und hier drin muss man sich
vorstellen, wäre dann die Bewährung für die Zugkräfte und der Beton für die Druckkräfte. Dieser Beton hier braucht jetzt je nach Umgebungsbedingungen 14 bis 28 Tage, bis er seine endgültige Festigkeit erreicht. Und als Festbeton trägt unser kleiner Testkörper hier
50 afrikanische Elefanten. Aber auch die Herstellung in Formen wird heutzutage sehr stark beforscht. Das heißt, man entwickelt neue adaptive Schalungen bis hin zu Robotern, die mit einer ganz bestimmten Düse den Betondruck ermöglichen. Das heißt, man druckt den Beton in seiner frischen Konsistenz und das hält dann schon und erhärtet in dieser Form. 

Ihr seht also, Beton ist ein sehr vielfältiger und spannender Baustoff und wir arbeiten stets daran, ihn noch weiter zu verbessern.