Wie feuerfest ist Beton?

Bauwerke aus Beton erscheinen robust und nahezu unverwüstlich. Dennoch hat auch dieses Material seine Belastungsgrenzen. Extreme Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius können Beton an seine Grenze bringen, und abhängig von den verwendeten Materialien kann er sogar explodieren. In diesem Beitrag erläutern wir die Gründe dafür und mögliche Gegenmaßnahmen.

Das erwartet Sie in diesem Beitrag

• Brandschutzeigenschaften von Beton
• Beton platzt bei hohen Temperaturen
• Beton gerät unter Druck
• Feuerbeton als Antwort
• Feuerfesten Beton verarbeiten

Brandschutzeigenschaften von Beton

Beton zeichnet sich durch seine herausragende Beständigkeit gegenüber Bränden aus. Bei Temperaturen von bis zu 1.000 °C im Falle eines natürlichen Brandes:

• behält Beton seine Festigkeit
• trägt er nicht zur Brandintensität bei
• verhindert er die Ausbreitung des Feuers
• produziert er keinen Rauch
• gibt er keine giftigen Gase ab

Als Baustoff ist Beton sowohl nicht brennbar als auch nicht entflammbar. Er widersteht selbst Schwelbränden, die extrem hohe Temperaturen erreichen können und das Feuer immer wieder aufflammen lassen. Zudem setzt Beton keine brennbaren Partikel frei, die eine rasche Brandausbreitung begünstigen würden.

Dank seiner hohen Wärmespeicherkapazität bietet Beton einen ausgezeichneten Widerstand gegen Durchwärmung, wodurch er als effektive Hitzeschutzbarriere fungiert. Dies führt dazu, dass die Temperatur in den Bauteilen nur langsam ansteigt und innere Bereiche des Betons lange von der Hitze unberührt bleiben, ohne dass seine Festigkeit beeinträchtigt wird.

Dennoch hat auch Beton seine Grenzen. Bei extremen Temperaturen von bis zu 1.000 °C kann er unter bestimmten Umständen, insbesondere bei Kontakt mit kaltem Wasser, explodieren. Aber auch das natürlich im Beton enthaltene Wasser trägt dazu bei, dass Beton abplatzen kann.

Beton platzt bei hohen Temperaturen

Der genaue Prozess, warum Beton bei hohen Temperaturen platzen kann, ist noch nicht vollständig geklärt. Es ist bekannt, dass das im Hochleistungsbeton enthaltene Wasser bei Erhitzung verdampft und aufgrund der feinen Poren des Betons nicht entweichen kann. Dieser steigende Dampfdruck, kombiniert mit der thermischen Belastung, kann dazu führen, dass Betonteile abplatzen. Ob und in welchem Ausmaß solche Explosionen auftreten, hängt von vielen Variablen ab und ist schwer vorherzusagen.

Um diesen Vorgang besser zu verstehen, haben Forscher von Empa in Zusammenarbeit mit einem Team der Universität Grenoble und des Laue-Langevin-Instituts dreidimensionale Echtzeitbilder des Inneren von erhitztem Beton mittels Neutronen-Tomographie erstellt. Diese Untersuchungen wurden durch die leistungsstarke Neutronenquelle am Laue-Langevin Institut ermöglicht.

Bislang vermuteten Experten, dass sich Wasser im Beton von einer Wärmequelle entfernt und sich staut, wodurch eine Feuchtigkeitsbarriere entsteht, die den entstehenden Wasserdampf am Entweichen hindert. Dies würde den Dampfdruck so stark erhöhen, dass der Beton schließlich explodiert. Dank der neuen Experimente konnte das Forscherteam diese Theorie bestätigen und die Feuchtigkeitsbarriere direkt beobachten.

Beton gerät unter Druck

Beton setzt sich aus Sand, Zement und Wasser zusammen. Durch eine chemische Reaktion zwischen Zement und Wasser wird das Wasser gebunden, wodurch der Beton aushärtet. Bei Temperaturen über 200 Grad Celsius während eines Brandes wandelt sich das im Beton gebundene Wasser in Wasserdampf um, da der Zement dehydriert.

Hochleistungsbeton zeichnet sich durch eine geringe Porosität und sehr feine Poren aus. Diese Merkmale bieten viele Vorteile, da sie dem Beton eine hohe Festigkeit und Langlebigkeit verleihen und ihn gegenüber externen Schadstoffen nahezu undurchlässig machen. Bei Bränden mit sehr hohen Temperaturen wird diese geringe Durchlässigkeit jedoch problematisch. Da der Wasserdampf nicht entweichen kann, kann sich ein enormer Dampfdruck im Beton aufbauen.

Feuerbeton als Antwort

Die Hitzebeständigkeit von Beton lässt sich steigern, wenn er mit speziellen Zuschlagstoffen gemischt wird. Diese können wärme- und hitzebeständig, feuerfest oder je nach Bedarf porös oder dicht sein. Übliche Zusätze sind Hüttensand, Hochofenschlacke, Tabulartonerde und spezielle Bindemittel. Mit solchen Mischungen kann Beton Temperaturen zwischen 500°C und 2.000°C widerstehen. Wenn Beton diese Eigenschaften aufweist, wird er als Feuerbeton bezeichnet.

Feuerbeton ist ein Spezialbeton. Er kann sowohl für tragende als auch für nichttragende Bauteile eingesetzt werden. Dies umfasst sowohl Fertigteil- als auch Stahlbetonkonstruktionen. Um überschüssiges Wasser zu entfernen, werden Fertigteile aus Feuerbeton in der Regel vortemperiert. Zu den Anwendungen von Feuerbeton gehören Kernreaktoren, Ofenbauteile in Industrieanlagen, Schornsteine, feuerfeste Behälter, Isolierungen und tragende Bauteile.

Wie bei anderen Betonarten kann auch Feuerbeton nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. Dies kann nach Art der Zementbindung, seinem chemisch-mineralogischen Charakter oder nach der Art des Granulats erfolgen. Eine weitere Unterscheidung erfolgt nach der Anwendungsgrenztemperatur:

• 350 bis 600°C: wärmebeständig
• 600 bis 1.100°C: hitzebeständig
• 1.100 bis 1.500°C: feuerfest
• über 1.500°C: hochfeuerfest.

Feuerfesten Beton verarbeiten

Für den Bau von Feuerstellen im Garten, wie Grills oder Pizzaöfen, ist feuerfester Beton unerlässlich. Gemäß Herstelleranweisungen wird dieser mit Wasser vermischt. Je nach Bedarf kann der Beton flüssiger wie bei einer Schlämme oder trockener angemischt werden, ähnlich wie Estrichbeton. Eine erhöhte Wasserzugabe verlängert die Abbindezeit, während eine geringere sie verkürzt. Unter normalen Bedingungen und bei standardmäßiger Wasserzugabe bleibt feuerfester Beton etwa 10 bis 15 Minuten verarbeitungsfähig, wobei die Umgebungstemperatur einen erheblichen Einfluss hat.

Nach dem Verlegen sollte der Beton gründlich trocknen, was je nach klimatischen Bedingungen mehrere Tage bis zu mehreren Wochen dauern kann. Anschließend sollte er behutsam erhitzt werden. Bei sichtbarem Dampfaustritt ist es wichtig, den Erhitzungsprozess sofort zu stoppen und erst fortzusetzen, wenn kein Dampf mehr austritt. Dieser Vorgang sollte wiederholt werden, bis kein Dampf mehr entsteht. Danach kann die Temperatur schrittweise gesteigert werden.