Wie funktioniert selbstheilender Beton?

Beton mit selbstheilenden Eigenschaften verlängert die Haltbarkeit eines Bauwerks und reduziert die Kosten für Instandhaltung oder Renovierung. Treten Risse im Beton auf, muss dies nicht immer ein Anlass zur Besorgnis sein. Bereits in der Vergangenheit wurde bei derartigen Bauschäden häufig festgestellt, dass sich die Risse ohne Zutun von selbst schließen. Moderner Beton kann mehr leisten. Inzwischen wird Beton auf Wunsch mit speziellen Zusatzstoffen angemischt. Diese fördern gezielt die Selbstheilung beim Beton, ohne die Tragfähigkeit des gegossenen Bauteils zu beeinflussen.

Wie die Selbstheilung beim Beton entsteht

Generell setzt die Selbstheilung beim Beton bislang auf zwei vollkommen unterschiedlichen Wegen ein. Bei der chemisch-physikalischen Variante quillt der Zementstein auf, er speichert viel Wasser und / oder es wird Calciumcarbonat gebildet. Bei der mechanischen Selbstheilung des Betons sind feinste Schwebstoffe im Wasser oder / und beim Riss entstandene kleine Bruchstücke aus dem Beton für diesen erstaunlichen Vorgang verantwortlich. In der Regel heilt sich Beton selbst, indem mehrere dieser Effekte zusammen wirken.

Selbstheilung von WU-Bauteilen und die Änderung der DAfStb-Richtlinie

Geändert hat der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton seine DAfStb-Richtlinie zum Thema: Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton, kurz WU-Richtlinie genannt. Die in Bearbeitung befindliche Neufassung enthält in der Version von 2018 eine gravierende Änderung. Nur bis zu einem Wasserdruck von maximal 10 Metern ist die WU-Bauweise mit Beschränkung der Rissbreite bei Bauten der Nutzungsklasse B zulässig. Die Selbstheilung soll gemäß diesem Grundsatz bei Bauteilen, bei denen Feuchtstellen auf der luftseitigen Oberfläche durch einen Wasserdurchtritt entstehen, nicht mehr ausgeführt werden. In der Folge bedeutet dies, dass Kellerwohnungen und Räumlichkeiten mit hohem Nutzwert aus der Nutzungsklasse A nicht mehr als Weiße Wanne mit Beschränkung der Rissbreite zur Selbstheilung ausgeführt werden dürfen.

Im Klartext heißt dies, dass Bauteile mit zahlreichen kleinen Rissen nicht mehr entstehen dürfen. Sehr wohl erlaubt sind aber die weiterhin gültigen Entwurfsgrundsätze zur Vermeidung von Trennrissen sowie die Einplanung von Trennrissen mit beabsichtigter selbstständiger Abdichtung, denn diese erfüllen weiter alle Anforderungen, die nach den Kriterien der Nutzungsklasse A gefordert sind.

Hintergrund der Änderung der WU-Richtlinie

Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton will mit dieser Richtlinienänderung erreichen, dass mehr Stahl verbaut wird, deutlich über die statisch notwendige Menge hinaus. Auf diesem Weg soll der Rissbildung im Beton vorgebeugt werden, insbesondere bei der Ausführung einer Weißen Wanne.

Grund dafür ist, dass es in Deutschland bei Rissen in einer Weißen Wanne selten zur Versinterung, also zur Selbstheilung kommt. Ursachen dafür sind der hohe Gehalt von Kohlensäure im Grundwasser und die Tatsache, dass das Wasser in der Regel einen pH-Wert von >5,5 besitzt. Beide Faktoren verhindern nachhaltig den Selbstheilungsprozess beim Beton. Diese Neuregelung mit der Verwendung von erheblich mehr Baustahl verursacht allerdings derart hohe Mehrkosten, dass die Weiße Wanne kaum mehr wirtschaftlich sein wird.

Selbstheilung von Beton durch Calziumhydroxid

Bislang galten diese Grundsätze bei der Herstellung von selbstheilendem Beton: Je höher der Druck des Wassers, umso unwahrscheinlicher ist es, dass es beim Beton zur Selbstheilung kommt.

Nach DIN EN 1992-1-1 liegt die errechenbare Rissbreite bei einer Wahrscheinlichkeit von 95 % und ist damit als Quantilwert definiert. Allerdings hat sich gezeigt, dass die tatsächliche Rissbreite häufig deutlich geringer ist. Je stärker ein Bauteil, desto wahrscheinlicher ist es gemäß WU-Richtlinie, dass die Selbstdichtung des Betons einsetzt. Im Umkehrschluss bedeutet diese Aussage, dass ein Riss breiter sein darf, wenn das Bauteil entsprechend stark genug bemessen ist. Erwiesen ist allerdings inzwischen, dass die Stärke des Betonteils kaum Auswirkung auf das Einsetzen der Selbstheilung besitzt, weshalb diese alte Regel vernachlässigt oder ganz außer Acht gelassen werden kann.

Allerdings wurde auch nachgewiesen, dass geradlinige Risse nur in Ausnahmefällen versintern. Der ideale Riss zur Selbstheilung im Beton ist von häufig in der Richtung wechselndem Verlauf, weil sich dann CaCO3-Kristalle bilden, die den Riss nachhaltig wirksam schließen können. Es hat sich gezeigt, dass die Bildung von Calziumcarbonat nahezu ausnahmslos eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Selbstheilung im Riss eines Betonbauteils einsetzt. Fast immer sind zudem entweder Schwebeteilchen im Wasser oder abgebröckelte Betonteile im Riss an diesem Vorgang beteiligt.

Moderne Baustoffe mit Zusätzen zur Förderung der Selbstheilung beim Beton

Krystaline Add1 wird allgemein ein Zusatz genannt, der durch seine hydrophile Eigenschaft konstant das Eindringen von Wasser in den Beton verhindert. Entsteht ein Riss im Beton, bildet dieser Zusatz schlanke, nadelförmige Kristalle. Diese verbinden sich mit dem Zementstein im Beton, dem Calciumcarbonat, wodurch der Riss wasserdruckbeständig und dauerhaft versiegelt wird.

Wurde dieser Zusatzstoff dem Beton nicht direkt beim Anmischen beigegeben, kann das Mittel nachträglich in den Riss eingespritzt werden. Auch dann werden Kristallnadeln gebildet, die sich miteinander verzahnen und CaCO3 einschließen. Selbst wenn durch äußere Umstände wie ein Erdbeben, eine Bodensenkung oder ein Lastwechsel erneut ein Riss an gleicher Stelle auftritt, löst das danach eintretende Wasser sofort die Bildung weiterer Kristalle aus. Derzeit noch in der Entwicklung ist ein Sanierungssystem. Auf der Basis wissenschaftlicher Untersuchungen arbeiten mehrere Unternehmen an einem System zur temperaturgesteuerten Selbstheilung im Beton durch Kristalle. Hintergrund ist, dass die Kristallbildung bei Temperaturen von 50 °C bis 80 °C bis zu zehnfach schneller abläuft, als es bei 20 °C der Fall ist.

Bio-Beton mit Selbstheilungseigenschaften

Um es gleich klar zu stellen, es handelt sich trotz des Namens nicht um Bio-Beton. Aber der schlechte Ruf der Bauindustrie in Bezug auf die CO2-Statistik hat wohl zum Zweck der Imagepflege dazu geführt, diese Bezeichnung zu wählen. Es handelt sich hierbei um ganz gewöhnlichen Beton, dem allerdings ein ungewöhnlicher Zusatz beigegeben wird. Auch als Green Basilisk bekannt, handelt es sich dabei um eine einfach reproduzierbare Bakterienart. Diese Bakterien liefern Kalkstein als Ausscheidungen, was Risse bis zur erstaunlichen Breite von 0,8 Millimetern dauerhaft schließen kann. Besser noch, denn diese Risse sind teils widerstandsfähiger als der Beton selbst. Das Material ist nicht brennbar, salzwasserbeständig, unempfindlich gegen Säuren und Chlor, alkaliresistent und kann jeder Betonmischung zugesetzt werden.

Nächste Stufe: lebender Beton

In Versuchen wurden dem Beton Sporen des Bakterienstammes Bacillis cohnii beigegeben, mit großem Erfolg. An der Far Eastern Federal University Im russischen Wladiwostok konnte nachgewiesen werden, dass dieser Bakterienstamm binnen 28 Tagen Risse bis zu einer Breite von 0,6 mm vollständig ausheilen kann. Nach dieser kurzen Zeitspanne sind die Risse nicht nur verschwunden, die Betonteile besitzen auch wieder ihre ursprüngliche Druckfestigkeit.

Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass die Bakterien nicht nur den Riss ausheilen, sie produzieren auch neue Sporen. Tritt zu einem späteren Zeitpunkt erneut ein Riss auf, werden diese Sporen aktiviert und ein neuer Selbstheilungsprozess wird in Gang gesetzt. Selbstheilender Beton mit Bakterien als Zuschlagsstoff kann auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Der niederländische Mikrobiologe Hendrik Marius Jonkers von der Technischen Universität Delft – Fakultät für Bauingenieurwesen und Geowissenschaften hat drei verschiedene Arten von Betonmischungen entwickelt, die Bakterien enthalten:

• einen selbstheilenden Beton mit bereits eingebauten Bakterien,
• einen Reparaturmörtel und
• eine flüssige Variante, die in einen Riss eingespritzt wird.

Selbstheilender Beton ist die aufwendigste Variante, da die Sporen der Bakterien in 2 bis 4 mm großen Tonpartikeln eingekapselt und mit Stickstoff, Phosphor oder Nährstoffen der Betonmischung beigemischt werden. Bakterien können bis zu 200 Jahre im Beton ruhen. Kommen sie nach einer derart langen Zeitspanne durch einen Riss verursacht mit Nährstoffen in Kontakt, werden sie aktiviert. Dazu ist lediglich notwendig, dass Wasser durch Risse in die Betonstruktur eindringt.

Mit Hilfe von selbstheilendem Beton lassen sich teure Renovierungsarbeiten vermeiden und natürlich auch der Bau des einen oder anderen Neubaus. Dadurch wird sichergestellt, dass die Betonproduktion reduziert werden kann, aber wahrscheinlich nur minimal. Zement ist der Hauptbestandteil von Beton. Seine Herstellung und Verarbeitung zu Beton, der Transport und andere Aspekte der Kohlenstoffemissionen machen fast 6 % der jährlichen Emissionen aus. So wird jedes durch selbstheilenden Beton eingesparte Gramm Treibhausgas ein Erfolg. Ziel bleibt es, eine Alternative zu herkömmlichem Beton zu entwickeln, die ohne Zement auskommt.

Da Bacillis cohnii problemlos in großen Mengen im Labor gezüchtet werden kann, wirkt sich die Zugabe nur marginal auf den Betonpreis aus. Ein selbstheilender Beton wird nach Expertenmeinung rund 10 Prozent teurer als herkömmlicher Beton sein, was sich durch die längere Lebensdauer des Bauwerks und die geringeren Reparaturen schnell amortisiert.

Weitere selbstheilende Materialien und ihre Einsatzgebiete

Dass hochwirksam isolierender, feuerfester Schaum als Dämmstoff aus Nadelhölzern hergestellt wird, ist in der modernen Bauwelt schon beinahe Normalität. Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere werden zur Verbesserung der Selbstheilungseigenschaften von Beton verwendet, genau wie Bakterien oder Kristalle. Allerdings konzentriert sich die Forschung darauf, dass bestehende Produkte lernen, sich selbst zu reparieren. Dies wird derzeit bei Metallverbindungen versucht, um zukünftig beispielsweise Kabelbrüche zu verhindern. Aber auch im Bereich Kautschuk und Kunststoff sind Bestrebungen in gleicher Richtung im Gange. Dabei geht es auch um Autoreifen, die ihr Profil nachschärfen.

Dass sich beim Beton Risse ohne fremdes Zutun schließen können, weiß jeder Betonbauer aus Erfahrung. Dass in Zwischenzeit verschiedene Zusätze verfügbar sind, die gezielt Risse im Beton verhindern oder solche sofort schließen, ist eine Entwicklung der vergangenen Jahre. Recht neu ist, dass für Sanierungen Mittel nachträglich eingebracht werden können, um Schäden im Beton dauerhaft zu beseitigen.

Trendwende beim selbstheilenden Beton

Neue Betonarten haben einen Wandel bei der Reparatur von gerissenen Betonelementen bewirkt. Soweit möglich, werden die Risse nicht mehr mit Substanzen geimpft, die eine Heilung des Betons bewirken. Grund dafür ist, dass die Korrosion des Stahls weiter voranschreitet und die Belastbarkeit des Bauteils signifikant schwächen kann. Deshalb wird, wo immer möglich, das gerissene Betonteil herausgeschnitten und gegen ein Neuteil ersetzt, wobei hier vorzugsweise Ersatzelemente verwendet werden, die aus Basaltbeton oder Carbonbeton gegossen wurden.

Es besteht ebenso die Möglichkeit kunststofffaserbewehrten Beton zu nutzen, wobei hier zumeist Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) in den Beton gemischt werden. Mitunter werden auch Glasfasern verwendet. CFK-Beton verwendet Carbonfasern in Form von Geweben, Matten oder Rovings, die in den Beton eingelegt werden. BFK-Beton nutzt Basaltfasern, die aus vulkanischem Gestein hergestellt werden. Alle drei neuartigen Betonarten bieten markante Vorteile im Vergleich zum herkömmlichen Stahlbeton:

• Höhere Zugfestigkeit
• Bessere Steifigkeit
• Exzellente Korrosionsbeständigkeit
• Erhöhte Temperaturbeständigkeit
• Verbessert die CO2-Bilanz des Betons um bis zu 80 %
• Reduzierte Transportkosten durch geringeres Gewicht
• Reduzierter Zementverbrauch durch die höhere Festigkeit

Basaltbeton ist zudem nachhaltiger, weil aus Naturrohstoffen gewonnen. Durch das geringere Gewicht bei höherer Zugfestigkeit dieser alternativen Betonarten sind architektonisch neue Konstruktionsweisen möglich. Das wurde in der Praxis bereits umgesetzt. Im September 2024 kollabierte der Fußgänger- und Radfahrweg der Carolabrücke in Dresden auf einer Länge von mehr als 100 Metern. Der eingestürzte Teil wurde durch Fertigteile aus Carbonbeton und mit Basaltbeton ersetzt. Dabei war es möglich, den Weg um 85 Zentimeter zu verbreitern, weil die beiden neuartigen Betonarten sehr viel leichter als der Stahlbeton sind, der zuvor genutzt wurde.