Spritzbeton

Mit Spritzbeton stabilisierte Felswand in Neuseeland

Spritzbeton ist ein Beton, der in einer geschlossenen Rohr-/Schlauchleitung zur Einbaustelle gefördert, dort aus einer Spritzdüse pneumatisch aufgetragen und durch die Aufprallenergie verdichtet wird.

Herstellung und Verwendung von Spritzbeton ist in Deutschland mit der DIN 18551 geregelt. Es handelt sich aber keineswegs um besonderen Beton, sondern um Beton nach der DIN 1045-2, der lediglich in einem besonderen Verfahren hergestellt und eingebaut wird. Obwohl in Deutschland seit 1920 bekannt und verwendet (meist unter dem Namen Torkretbeton), hat die Anwendung dieses Verfahrens in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Zur Anwendung kommt Spritzbeton heute vor allem bei der Ausbesserung/Verstärkung von Betonbauteilen, sowie zur Felskonsolidierung und zum temporären Ausbau im Tunnelbau.

Beim Spritzvorgang prallt ein Teil des Spritzguts, der so genannte Rückprall ab, wodurch sich eine nicht unerhebliche Veränderung der Ausgangsmischung ergibt. Diese Veränderung muss beim Entwurf der für bestimmte Betoneigenschaften erforderlichen Betonzusammensetzung berücksichtigt werden. Wegen der von der normalen Betonherstellung stark abweichenden Besonderheiten dieses Verfahrens ist die Anwendung von Spritzbeton für technisch anspruchsvolle Arbeiten heute weitgehend die Domäne spezialisierter Firmen.

Anders als bei konventionellen Betonierverfahren, bei denen der Frischbeton zunächst fertig angemischt, dann mittels Fördergeräten in eine Schalung eingebracht und dann erst verdichtet wird, erfolgen beim Spritzbeton mehrere dieser Arbeitsgänge gleichzeitig. Eine nur teilweise hergestellte Ausgangsmischung wird durch Schläuche geblasen, beim Durchfliegen der am Ende des Schlauches befindlichen Düse mit den restlichen Frischbetonkomponenten vermischt, und gleichzeitig eingebaut und verdichtet. Dabei kommen zwei unterschiedliche Mischverfahren zur Anwendung, das Nass- und das Trockenspritzverfahren.

Trockenspritzbeton

Beim Trockenspritzverfahren werden Zement und Zuschlagstoffe trocken zusammengemischt und in einem Druckluftstrom freischwimmend durch eine Rohr- oder Schlauchleitung zu einer Mischdüse befördert. Im Düsenbereich wird dem Trockengemisch Wasser zugeführt, um die Mischung mit dem nötigen Anmachwasser zu versehen, und anschließend in einem ununterbrochenen Strahl aufgetragen. Dieses Verfahren wird häufig bei der Sanierung der Fugen von historischen Bauwerken aus Natursteinen angewandt.

Zementgehalt

Bei der Herstellung der Trockenmischung beträgt die Bindemittelmenge meist zwischen 320 und 460 Kilogramm pro Kubikmeter Beton.
Um den eigentlichen Zementgehalt des eingebauten Spritzbetons zu ermitteln, muss jedoch der Rückprall miteinbezogen werden.
Im Vergleich zur Ausgangsmischung führt der Rückprall hauptsächlich zu einem Verlust der grobkörnigen Zuschläge und somit zu einer Zunahme des Zementgehalts. Bei einer typischen Standardmischung mit 350 Kilogramm Zement pro Kubikmeter ergibt ein Rückprall von 25 Prozent einen Zementgehalt von etwa 450 Kilogramm pro Kubikmeter im vor Ort eingebauten Spritzbeton.

Ergiebigkeit

Bei 25 Prozent Rückprall ergeben 1000 Liter Trockengemisch ungefähr 555 Liter Festspritzbeton.
Wenn durch den Rückprall ein Viertel des Trockengemischs verloren geht, bleiben von 1000 Liter Trockengemisch noch 750 Liter übrig. Diese 750 Liter werden durch die Aufprallwucht um das 1,35-fache auf 555 Liter verdichtet. Das Verhältnis der Festspritzbetonkubatur zum Trockengemisch beträgt demnach 1:1,8.

Wasser - Zementwert

Der Wasser - Zementwert ist ein entscheidender Faktor für die Spritzbetonqualität. Die gesamte Wassermenge, die beim Trockenspritzverfahren verwendet wird, besteht aus dem an der Düse zugeführten Zugabewasser und der in den Zuschlägen enthaltenen Eigenfeuchte.
Im Gegensatz zum Nassspritzverfahren gibt es im Trockenspritzverfahren keinen genauen Wasser/Zementwert, da die Menge an Zugabewasser durch den Düsenführer bestimmt wird. Dies wird häufig als großer Nachteil betrachtet. In der Praxis erweist sich der Wasser/Zementwert jedoch als relativ beständig: Bei zu geringer Wasserzugabe entsteht sofort eine übermäßige Staubbildung, ist die Wassermenge zu hoch, haftet der Spritzbeton nicht an der Oberfläche, sondern fließt ab.
Sofern die Ausführung korrekt ist, variiert der Wasser/Zementwert nur geringfügig und hält sich unterhalb 0,5.

Eigenfeuchte der Zuschläge

Ein wichtiger Aspekt der Mischung ist die Eigenfeuchtigkeit der Zuschläge.
Ist die Mischung zu trocken, entsteht beim Spritzen zu viel Staub. Ist die Eigenfeuchtigkeit zu hoch, kann dies zu Problemen führen: Der Spritzbetondurchsatz nimmt stark ab, Maschine und Förderleitungen verkrusten, und es kommt zu Verstopfungen.
Die Eigenfeuchtigkeit der Mischung sollte zwischen drei und sechs Prozent liegen. Neben den vor Ort hergestellten Mischungen hat sich in den letzten Jahren auch der Gebrauch von fertigen Trockenmischungen, die in Säcken oder Silos geliefert werden, durchgesetzt. Selbstverständlich enthalten diese Mischungen keine Eigenfeuchtigkeit.
Um der Staubbildung vorzubeugen, ist es ratsam, das Material zu benetzen, bevor es in die Maschine gelangt. Dazu können eigens ausgerüstete Fördersysteme oder spezielle Benetzungsdüsen verwendet werden.

Zusatzmittel

Auf dem Markt sind verschiedene Zusatzmittel erhältlich, um die Eigenschaften des Spritzbetons zu steuern. Die wichtigsten sind die abbindebeschleunigenden Zusatzmittel, die die Erstarrungszeit verringern. Der Spritzbeton bindet schneller ab und erreicht höhere Frühfestigkeiten. Dadurch können die nachfolgenden Schichten schneller und in größeren Schichten aufgebracht werden. Bei großen Bauvorhaben tragen Erstarrungsbeschleuniger erheblich zu einer Zunahme der Produktionskapazität bei und sind wichtige Voraussetzungen für viele Anwendungen. Beispielsweise ist bei Untertagebauten und bei Baugrubensicherungen die Frühfestigkeit entscheidend und eine Grundanforderung.

Als weitere Zusatzmittel für das Trockenspritzverfahren kommen neben den Beschleunigern auch Staubminderer zur Verringerung der Staubentwicklung zur Anwendung. Wie auch die Zusatzmittel im normalen Beton, müssen auch die Zusätze für den Trockenspritzbeton genau dosiert werden, um die entsprechenden Qualitätsanforderungen zu erfüllen.

Fasern

Für Spritzbeton können Stahl- und synthetische Fasern verwendet werden. Ihr Hauptvorteil liegt darin, dass sie zu einem höheren Energieabsorbtionsvermögen und/oder einem besseren Schwindverhalten des Spritzbetons führen.

Stahlfaserbeton in Form von Stahlfaserspritzbeton wird besonders für Baugrubenverbauungen und Hangsicherungen verwendet. Es kann dabei auf eine Stahlbewehrung vollkommen verzichtet werden. Dies macht den Einsatz wirtschaftlicher, da weniger Bearbeitungsschritte notwendig sind.

Vorteile und Nachteile des Trockenspritzverfahrens

Vorteile

• Kleine Investitionen
• Flexibel
• Förderung über Distanzen bis 1400 Meter möglich
• Idealdistanz etwa 100 Meter
• Kleiner Aufwand bei der Reinigung
• Kleine Unterhaltskosten

Nachteile

• Staubentwicklung
• Begrenzte Leistung
• Großer Rückprall (Durchschnitt 20 bis 25 %)

Nassspritzbeton

Beim Nassspritzverfahren werden Zement, Zuschlagstoffe und Wasser zusammengemischt, und mittels einer Mörtelpumpe zu einer Spritzdüse befördert, von wo aus die Mischung mittels der in der Düse zugegebenen Druckluft zerstäubt und aufgetragen wird.

Die am Ende der Schlauchleitung angebrachte Düse stellt eine Verengung dar, durch welche die hindurchströmende Mischung beschleunigt und damit die Verdichtungsenergie erhöht wird.

Mit dem Nassspritzverfahren ist es einfacher, während des gesamten Spritzvorgangs eine gleichmäßige Qualität zu erzielen. Die fertige Mischung wird in eine Pumpe eingefüllt und mit einer Kolbenpumpe oder einer Schneckenpumpe durch den Schlauch gefördert. An der Düse am Schlauchende erfolgt die Luftzugabe mit etwa sieben bis neun Kubikmeter pro Minute bei einem Druck von sieben bis neun Bar. Die Luft wird zugegeben, um die Förderung des Spritzmörtels zu beschleunigen, so dass es zu einer guten Verdichtung und Haftung auf der Oberfläche kommt. Ein seit 1999 bekanntes Verfahren für eine Mauergestaltung mittels Spritzmörtel kommt aus den Vereinigten Staaten und aus Australien, in Deutschland wird ein ähnliches Verfahren mit einer Matrize angeboten.

Torkretverfahren (Betonspritzverfahren)

Im Jahre 1908 meldete der Amerikaner Carl E. Akeley die Erfindung eines „Apparates zum Mischen und Auftragen von plastischen Materialien” zum Patent an. Bei diesem „Zement Gun” genannten Gerät, wurde ein trockenes Beton - Zementmörtelgemisch durch einen Förderschlauch zur Einbaustelle geblasen. Mittels eines am Boden der Füllkammer befindlichen Taschenrades erfolgte die gleichmäßige Einspeisung des Materials in den Förderschlauch, das dann beim Durchfliegen der Spritzdüse mit einem am Ende des Schlauchs befindlichen Wasserring gleichmäßig befeuchtet wurde. Zwei übereinander angeordnete Druckkammern, die abwechselnd mit Druckluft be- und entlüftet wurden, gestatteten die kontinuierliche Füllung der Kammern mit Mischgut.

Im Jahre 1919 meldete der Deutschamerikaner Carl Weber, der als Ingenieur in Amerika mit diesem Gerät Erfahrung gemacht hatte, in Deutschland ein eigenes Patent für eine Trockenspritzmaschine an. Er gründete eine Firma zum Bau und zum Vertrieb der Maschinen, die Deutsche Torkret Baugesellschaft. In der Folge bürgerte sich für diese Maschinen die Bezeichnung Torkret-Maschinen, und für das Verfahren der Begriff Torkretverfahren, beziehungsweise torkretieren allgemein ein. Die später in Torkret GmbH umbenannte Firma (heutige Torkret AG), mit Sitz in Berlin und ab 1956 in Essen, war viele Jahre führend bei der Anwendung der Maschinen. Vor allem bei der Instandsetzung der im Laufe des Krieges schwer geschädigten Bestands an Betonbauwerken gewann das Torkretverfahren eine große Bedeutung.

Ab Mitte der 1950er-Jahre wurde gespritzter Beton für den Bau von Tunnel und Kavernen eingesetzt. Die damals entwickelte Neue Österreichische Tunnelbauweise, bei der unmittelbar nach dem Ausbruch eine (eventuell auch bewehrte) Betonschale zur Unterstützung und Konsolidierung auf die freigelegten Tunnelflächen gespritzt wurde, setzte sich allgemein durch.

Die zunehmende Anwendung von gespritzten Beton für Ingenieurbauwerke jeder Art, erforderte die Normung diese Verfahrens. Mit der im Jahre 1974 veröffentlichten ersten Fassung der DIN 18551 (Spritzbeton) wurde allgemein statt der bisher gebräuchlichen Bezeichnung Torkretverfahren für das Verfahren der Begriff Spritzbeton eingeführt.

Betonzusammensetzung Spritzbeton

Maßgebend für die Zusammensetzung des Ausgangsbetons, das heißt für den Mischungsentwurf, sind die für Förderung und Spritzen des Betons erforderlichen Verarbeitbarkeit und die geforderte Druckfestigkeit des aufgespritzen Betons. Die Verarbeitung bestimmt den Wasseranspruch, die Druckfestigkeit und den W/B-Wert (Wasser/Bindemittel).

Bei dem Trockenspritzverfahren hängt die zuzugebende Wassermenge im Großen und Ganzen von der Verarbeitbarkeit ab, der Spritzenführer hat die Möglichkeit die Menge den Bedürfnissen und seiner Erfahrung anzupassen.

Beim Nassspritzverfahren wird der Ausgangsbeton in plastischer Konsistenz, Ausbreitmaß 35 bis 41 Zentimeter hergestellt. Der Wasseranspruch ist von der Kornform und Kornzusammensetzung des Zuschlages abhängig. Er kann durch Verflüssiger vermindert werden.

Bei der Zusammensetzung des Mischungsentwurfes muss stets auf die geforderten Werte geachtet werden, um diese einzuhalten müssen alle Zugabefaktoren und deren negative beziehungsweise positiven Auswirkungen berücksichtigt werden. Bei der Verwendung von Beschleuniger können Festigkeitsminderungen von 20 bis 50 Prozent auftreten. Die jeweiligen Werte müssen durch eine Prüfung ermittelt werden. Das bedeutet, dass dem Mischungsentwurf für einen Spritzbeton der allgemeinen Festigkeitsklasse C 25/30 einen Beton der Festigkeitsklasse C 35/45 bis C 45/55 zugrunde gelegt werden muss.

Literatur

• Günther Ruffert: Spritzbeton. Beton-Verlag, Düsseldorf 1991, ISBN 3-7640-0282-4.
• Bernhard Maidl u. a.: Handbuch für Spritzbeton. Ernst, Berlin 1992, ISBN 3-433-01196-6.
• Bernhard Wietek: Stahlfaserbeton. 2. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0872-1.

Weblinks

 Commons: Spritzbeton – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Baustoffkunde: Spritzbeton (Literaturverzeichnis)