Wasserzementwert
Der Wasserzementwert (kurz: w/z-Wert) bzw. der Wasserbindemittelwert (kurz: W/B-Wert) ist ein Kennwert für Baustoffe mit hydraulischem Bindemittel. Der Wert beschreibt das Verhältnis zwischen der Masse des Anmachwassers und der Masse des Bindemittels einer verdichteten Mischung. Insbesondere in der Betonherstellung ist er von hoher Bedeutung. Ein zu hoher oder zu niedrigerer Wert verschlechtert die Eigenschaften eines Betons. Vor allem die Druckfestigkeit nimmt ab, wenn der in der Mischungsberechnung zugrunde gelegte Wert nicht eingehalten wird.
Heutzutage ist die Bezeichnung Wasserbindemittelwert unter Umständen treffender als Wasserzementwert. Das Bindemittel besteht nämlich in der Regel nicht nur aus Zement, sondern es werden auch Betonzusatzstoffe wie Hüttensand, Puzzolan, Flugasche, Kalkstein, Steinkohlenflugasche oder Silikastaub dem Portlandzement beigemischt, da diese billiger sind und manchmal sogar bessere Eigenschaften haben. Diese Zusatzstoffe müssen im Gegensatz zu Betonzusatzmitteln in der Mischungsberechnung berücksichtigt werden. Die geforderten Eigenschaften sind zum Beispiel bei der Herstellung von Staumauern eine langsamere Erhärtung, um die bei der chemischen Reaktion entstehende Wärmeentwicklung zu reduzieren. Erreicht wird dies durch die Zugabe von Flugasche.
In Österreich wird deshalb auch der Begriff Wasserbindemittelwert verwendet. In Deutschland spricht man bei der Anrechnung von Zusatzstoffen vom äquivalenten Wasserzementwert (w/z)eq.
Frischbetonerhärtung
Eine Mischung aus Zement und Wasser bildet den sogenannten Zementleim, der während des Abbindens zum Zementstein erhärtet und dabei die Zuschlagstoffe (die Gesteinskörnung) des Betons fest miteinander verbindet. Bei dieser Erhärtung des Frischbetons durch Hydratation wird ein gewisser Teil des zugegebenen Wassers für die chemische Reaktion benötigt. Ein typischer Zement kann dabei chemisch und physikalisch eine Wassermenge von rund 40 % seiner Masse binden.[1] Dies entspricht einem w/z-Wert von 0,40. Der Anteil der chemisch gebunden wird beträgt ca. 25 %, physikalisch werden ca. 15 % gebunden.
Ist der Wasseranteil (und damit der w/z-Wert) eines Frischebetons höher, kann das zugegebene Wasser nicht vollständig gebunden werden. Das Überschusswasser hinterlässt verästelte, saugfähige (Kapillar-) Poren.[1]
Einfluss des w/z- bzw. W/B-Werts
Einer Mischungsberechnung für einen Beton liegen immer die Anforderungen aus dem Bauvorhaben zugrunde. Diese bestehen zum einen aus der benötigten Druckfestigkeit, die aus den statischen Berechnungen und der Bemessung hervorgeht. Zum anderen sind die Umwelteinwirkungen, denen das Bauteil ausgesetzt ist, von Entscheidung. Zum Beispiel hat ein Bauteil, das wechselnd nass und trocken ist, eine höhere Anforderung an den Beton, um eine gleiche Dauerhaftigkeit zu erhalten, wie ein Bauteil, das immer trocken ist.
Die Betonmischung wird auf ebendiese Anforderungen „eingestellt“ und dabei wird auch ein w/z- bzw. W/B-Wert festgelegt, damit der Beton die gewünschten Eigenschaften aufweist.
Man kann deshalb nicht pauschal sagen, dass ein w/z-Wert von 0,65 „schlecht“ ist. Es kommt immer auf die Anforderungen an den Beton an.
„Gut“ ist deshalb der Wert, der im Zuge der Berechnung festgelegt wurde. Allgemein gilt aber: Je höher die Beanspruchung, desto niedriger (dichter an 0,40) muss der w/z-Wert sein.
Für hochfeste Betone werden sogar w/z-Werte zwischen 0,40 und 0,25 gefordert, um den Anteil an physikalisch gebundenem Wasser zu minimieren.
Wird dieser Wert z.B. nachträglich auf der Baustelle verändert, hat dies – sofern es nicht vorgesehen ist – in den meisten Fällen negative Auswirkungen auf die Betonqualität und kann zu Schäden an den Bauteilen führen.
Die Veränderung kann z.B. beim „länger machen“ des Betons auftreten, wenn der Beton schon zu steif ist und zusätzlich Wasser beigemischt wird um das teurere Fließmittel zu sparen. Allerdings darf auch nicht einfach jedes Fließmittel zugegeben werden, da dies auch negative Auswirkungen auf den Beton haben kann.
Der Wert ist größer als festgelegt
Folgen für das Betonbauteil sind:
- Es entstehen mehr und größere Poren als erwartet. Die Poren im Beton setzen die Druckfestigkeit herab.
- Die Kapillarität des erhärteten Betons nimmt zu. Der Beton kann durch die Kapillarporen mehr Wasser aufnehmen als erwartet, bzw. Wasser und andere chemische Verbindungen wie Chloride, können tiefer in den Beton eindringen. Folgen sind:
- Ein erhöhtes Schwinden des Betons durch die Verdunstung von Überschusswasser. Beim Schwinden verkürzt sich ein Betonbauteil, was unter Umständen zu Rissen führen kann. Dadurch kann wieder Wasser eindringen, was die gleichen Folgen wie die erhöhte Kapillarität nach sich zieht.
Der Wert ist kleiner als festgelegt
Folgen für das Betonbauteil sind:
- Die zur vollständigen Hydratation des Zements benötigten Wassermenge wird nicht bereitgestellt. Dadurch erhärtet nicht das gesamte Bindemittel und die erwartete Druckfestigkeit wird nicht erreicht.
- Der Beton ist schlechter verarbeitbar.
Maximaler Wasserzementwert
In der nachfolgenden Tabelle werden die maximal zulässigen Wasserzementwerte für ausgewählte Umwelteinwirkungen (Expositionsklassen) dargestellt.
| Expositions- klassen |
Beschreibung der Einwirkung |
max. w/z |
|---|---|---|
| XC1 | trocken oder ständig nass | 0,75 |
| XC2 | nass, selten trocken | |
| XC3 | mäßige Feuchte | 0,65 |
| XC4 | wechselnd nass und trocken | 0,60 |
| XF1 | mäßige Wassersättigung ohne Taumittel | |
| XA1 | chemisch schwach angreifende Umgebung | |
| XD1 | mäßige Feuchte (Chlorideinfluss) (ausgenommen Meerwasser) |
0,55 |
| XS1 | salzhaltige Luft, kein unmittelbarer Kontakt mit Meerwasser | |
| XM1 | mäßige Verschleißbeanspruchung | |
| XD2 | nass, selten trocken (Chlorideinfluss) (ausgenommen Meerwasser) |
0,50 |
| XS2 | unter Wasser (Meerwasser) | |
| XF2, XF3, XF4 | Frostangriff bei mäßiger bis hoher Wassersättigung mit oder ohne Taumittel oder Meerwasser | |
| XA2 | chemisch mäßig angreifende Umgebung und Meeresbauwerke | |
| XD3 | Wechselnd nass und trocken (Chlorideinfluss) (ausgenommen Meerwasser) |
0,45 |
| XS3, XA3 | Tidebereiche, Spritzwasser- und Sprühnebelbereiche, chemisch stark angreifende Umgebung | |
| XM2, XM3 | schwere bis extreme Verschleißbeanspruchung |
Normung
Deutschland
In Deutschland regelt die Norm DIN 1045-2 – neben allgemeinen Festlegungen, Herstellungsanforderungen usw. – die Eigenschaften von Beton.
Für Betone, die neben Zement auch Betonzusatzstoffe enthalten, wird vom äquivalenten Wasserzementwert $ (w/z)_{eq} $ gesprochen. Der sogenannte „$ k $-Wert-Ansatz“ ermöglicht es dabei die Anteile von Flugasche und Silikastaub auf den Zementgehalt anzurechnen.[2]
- $ (w/z)_{eq}={\frac {w}{z+k_{f}\cdot f+k_{s}\cdot s}} $
Dabei ist $ w $ die Masse des Wassers, $ z $ die Masse des Zements, $ k_{f} $ und $ k_{s} $ die $ k $-Werte, sowie $ f $ und $ s $ jeweils die Masse der Flugasche bzw. des Silikastaubs.[2] Die Massen sind dabei immer bezogen auf 1 m³ verdichteten Frischbeton.
Literatur
- Günter Neroth, Dieter Vollenschaar (Hrsg.): Wendehorst Baustoffkunde: Grundlagen – Baustoffe – Oberflächenschutz. 27. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 9783835102255.