Begriffsdefinition

Zusatzstoffe sind fein verteilte Stoffe, die dem Frischbeton zugemischt werden, um bestimmte Eigenschaften des Betons zu verändern oder zu erreichen. Sie werden dem Beton in größeren Mengen zugegeben und müssen daher in der Stoffraumrechnung berücksichtigt werden.

Zusatzstoffe dürfen das Erhärten des Zementes, die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit des Betons nicht beeinträchtigen und den Korrosionsschutz der Bewehrung nicht gefährden. Deshalb dürfen nur genormte Betonzusatzstoffe oder Zusatzstoffe mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung verwendet werden.

Bezeichnung der Zusatzstoffarten:

• S Hüttensand
• D Mikrosilica (Silicastaub)
• P natürliches Puzzolan
• Q künstliches Puzzolan
• V silikatische (kieselsäurereiche oder siliziumreiche) Flugasche
• W kalkreiche (calciumreiche) Flugasche
• T gebrannter Schiefer
• L Kalkstein (TOC ≤ 0,50 % Masse)
• LL Kalkstein (TOC ≤ 0,20 % Masse)

Die im deutschsprachigen Raum vorwiegend eingesetzten genormten mineralischen Betonzusatzstoffe sind (in alphabetischer Reihenfolge):

• Flugasche (silikatisch / i.d.R. Steinkohleflugasche)
• Gesteinsmehl
• Hüttensand
• Pigmente
• Silicastaub
• Trass

Flugasche ist feinkörniger Staub, der hauptsächlich aus kugelförmigen, glasigen Partikeln besteht und bei der Verbrennung feingemahlener Kohle anfällt.
Kieselsäurereiche (auch: silikatische oder siliziumreiche) Flugasche (V) besteht überwiegend aus reaktionsfähigem SiO2 und Al2O3 und weist puzzolanische Eigenschaften auf. 

Gesteinsmehle sind feingemahlene, natürliche Gesteine wie Quarz oder Kalkstein, die auch als Gesteinskörnung verwendet werden.

Hüttensand entsteht durch Granulation (schnelles Abkühlen mit Wasser) der heißen, flüssigen Schlacke, die beim Schmelzen von Eisenerz im Hochofen anfällt. Dabei entsteht ein glasartiges Material mit latent-hydraulischen Eigenschaften.

Pigmente werden zum Einfärben des Betons verwendet und sind nahezu inaktiv. Sie dürfen nur eingesetzt werden, wenn der Nachweis einer ordnungsgemäßen Überwachung der Herstellung und Verarbeitung des Betons erbracht ist.

Silicastaub (auch als Mikrosilika oder Silica fume bezeichnet) ist ein feinkörniger, weitgehend amorpher, mineralischer Stoff, der bei der Herstellung von Silicium und Siliciumlegierungen als Filterstaub entsteht.

Trass ist ein feingemahlenes eruptives Tuffgestein vulkanischen Ursprungs, das überwiegend aus Kieselsäure und Tonerde besteht.

Weitere, nicht genormte Betonzusatzstoffe, die hier nicht behandelt werden:

DIN EN 450 (Flugasche für Beton) gilt nicht für calciumreiche Flugaschen aus Hartbraunkohlen oder normalen Braunkohlen aus. Diese können in Deutschland deshalb nur mit gültiger allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung als Betonzusatzstoff verwendet werden.

Organische Zusatzstoffe wie z.B. Polymerdispersionen werden zum Beispiel Instandsetzungsmörteln zugesetzt. Für ihren Einsatz in Beton ist eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich. Da sie auch ungünstige Nebenwirkungen haben können, sind stets Erstprüfungen durchzuführen.

Bei fasermodifiziertem Beton werden Fasern (Stahl-, Glas oder Kunststofffasern) als Betonzusatzstoff zugemischt, um die Rissbildung zu verringern. Im Unterschied zu Faserbeton und Textilbeton übernehmen die Fasern keine statische Funktion.

Wesentliche Bestandteile

Betonzusatzstoffe sind mineralische Stoffe, welche aus natürlichen Lagerstätten stammen oder als Nebenprodukte in industriellen Prozessen anfallen.

Charakteristik

Betonzusatzstoffe sind mehlfein.

DIN EN 206-1 / DIN 1045-2 unterscheidet zwei Typen für die hydraulische Wirksamkeit (chemische Reaktionsfähigkeit) von Zusatzstoffen:

• Typ I: nahezu inaktive Zusatzstoffe
• Typ II: puzzolanische oder latent hydraulische Zusatzstoffe

Maßgebend für die hydraulische Wirksamkeit sind die Anteile an reaktivem Calciumoxid (CaO), Siliciumdioxid (SiO₂) und Aluminiumoxid, die in Gegenwart von Wasser erhärtungsfähige Calciumsilicathydrate (CSH) und Calciumaluminathydrate bilden können.

Besonders wichtige Eigenschaft hinsichtlich Umwelt- und Gesundheitsrelevanz

Gesteinsmehle und Trass werden aus natürlichen mineralischen Rohstoffen gewonnen, die ausreichend verfügbar sind.
Flugasche, Hüttensandmehl und Silicastaub fallen als Nebenprodukte industrieller Prozesse an. Ihre Verfügbarkeit ist eng mit diesen Prozessen (Kohleverbrennung, Roheisenindustrie und Siliciumherstellung) verbunden.
Der Abkehr von der Kohleverbrennung und der damit einhergehende Wegfall von Flugasche wird eine Rohstoffverknappung nach sich ziehen.

Das feine Mahlen der Gesteinsmehle benötigt einen relativ hohen Energieaufwand, am meisten Energie ist für das Mahlen von Hüttensand erforderlich. Der Aufwand liegt jedoch weit unter dem Aufwand für die Zementklinkerherstellung, weshalb sich die Zugabe von Betonzusatzstoffen im Allgemeinen positiv auf die Ökobilanz des Bindemittels auswirkt.

Alle Betonzusatzstoffe besitzen eine hohe Mahlfeinheit. Auf die Entwicklung von Staub und das Tragen von Atemschutz ist daher besonders zu achten. Besonders problematisch sind alveolengängige kristalline Siliciumdioxidstäube (Quarzfeinstäube), da diese Stäube als krebserzeugend gelten.

Für bestimmte Betonzusatzstoffe (z.B. für Flugaschen) kann in Deutschland ein Nachweis der Umweltverträglichkeit gemäß MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen / A 3.2.3 in Verbindung mit Anhang 10 ABUG / Anforderungen an bauliche Anlagen bezüglich der Auswirkungen auf Boden und Gewässer) erforderlich sein [3]. Dabei müssen Obergrenzen für Gehalt und Freisetzung bestimmter gefährlicher Stoffe (z.B. Arsen, Schwermetalle, PAK, PCB) eingehalten werden. Der Nachweis zur Erfüllung kann anhand einer Leistungserklärung auf Basis einer ETA oder über eine abZ erbracht werden. In jedem Fall ist zu prüfen, ob die Einhaltung der Leistungen nach MVVTB / A.3.2.3 bzw. Anhang 10 ABUG bestätigt ist, eine alleinige Erklärung der Einhaltung der Anforderungen nach DIN-EN 450-1 genügt für den Einsatz in Deutschland nicht. Kein Nachweis ist z.B. erforderlich für Flugasche aus Wärmekraftwerken, in denen nur Kohle und keine Mitverbrennungsstoffe, mit Ausnahme von kommunalem Klärschlamm in einem Anteil von bis zu 5 M.-% mitverbrannt werden.

Betonzusatzstoffe beeinträchtigen die Recyclingfähigkeit und die Deponierbarkeit von Beton nicht. Eine Dokumentation der Rezeptur des im Beton eingesetzten Bindemittels und der Nachweise nach MWWTB kann die spätere Nachnutzung erleichtern. 

Lieferzustand

• pulverförmig (Flugasche, Gesteinsmehle, anorganische Pigmente)
• flüssig (Silicastaub in wässriger Suspension)
• körnig (Hüttensandgranulat)

Anwendungsbereiche (Besonderheiten)

Betonzusatzstoffe beeinflussen vorrangig die Verarbeitbarkeit des Frischbetons und die Festigkeit und Dichtigkeit des Festbetons¹⁾.

Wirkung der Betonzusatzstoffe im Überblick:

Art	Typ	Wirkung
Gesteinsmehle, Pigmente	Inaktive Zusatzstoffe	greifen nicht in die Hydratation ein, da sie nicht mit Zement und Wasser reagieren. Sie werden zementarmen Betonen bzw. feinteilarmen Sanden zugesetzt, um einen ausreichend hohen Mehlkorngehalt zu erreichen, der für die Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit des Betons notwendig ist.
Hüttensand	Latent hydraulische Zusatzstoffe	überwiegend als Hauptbestandteil von Portlandhütten- und Hochofenzementen (CEM II/S und CEM III nach EN 197) verwendet. Fein vermahlen entwickelt Hüttensand bei entsprechender Anregung aus dem Zementklinker auch hydraulische Eigenschaften. Aufgrund des Fehlens aktueller Erfahrungen mit Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff ist in Deutschland dafür eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich.
Trass	(natürlicher) puzzolanischer Zusatzstoff	tragen zur Erhärtung bei und dienen aufgrund ihrer Korngröße, -zusammensetzung und -form der Verbesserung des Kornaufbaus im Mehlkornbereich1). Verbesserung des Wasserrückhaltevermögens (Verhinderung von Sedimentation und Bluten), der Wasserundurchlässigkeit, Verringerung der Gefahr von Rissbildungen, Förderung des Widerstandes gegen Säureangriff, geringe Wärmefreisetzung in den ersten Tagen mit guter Nacherhärtung Trass wird vornehmlich im Wasserbau und bei Massenbeton eingesetzt 1)
Kieselsäurereiche Flugasche	(künstlicher) puzzolanischer Zusatzstoff	können leichtere Verformbarkeit, besseres Fließvermögen und verbesserte Verarbeitungseigenschaften (rheologische Wirkungen) sowie einen Beitrag zur Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Betons bewirken. Wie Gesteinsmehle verbessern sie den Kornaufbau im Mehlkornbereich (Füllerwirkung).
Silicastaub	(künstlicher) puzzolanischer Zusatzstoff	Die hohe Feinheit von Silicastaub bedingt die Hohlraum füllende und puzzolanische Wirkung. Zudem verbessert Silikastaub im Beton den Verbund in der Kontaktzone zwischen Zementsteinmatrix und Gesteinskörnung bzw. Fasern. Silicastaub findet aus Kostengründen meist nur bei Hochleistungsbeton Verwendung.

Puzzolanische oder latent hydraulische Zusatzstoffe (Zusatzstoff des Typs II) dürfen bei der Betonzusammensetzung auf den Zementgehalt und Wasserzementwert angerechnet werden. Die Wirksamkeit des Zusatzstoffes wird mit dem k-Wert-Ansatz berücksichtigt und der Wasser/Bindemittel-Wert (W/B-Wert) berechnet mit:

• „Wasser/Bindemittel = Wasser/(Zement + k * Zusatzstoff)“.

k-Wert Flugasche: 0,4; k-Wert Hüttensand: 0,8; k-Wert Silikastaub: 2,0

Das aus Zement und Zusatzstoff entstandene Bindemittel muss in der Zusammensetzung einem für den Anwendungsfall geeigneten Zement entsprechen.

Hinweise für die ökologische Produktauswahl

Da sich die Zugabe von Betonzusatzstoffen im Allgemeinen positiv auf die Ökobilanz des Bindemittels auswirkt, lohnt es sich, die Bindemittelrezeptur für den jeweiligen Einsatzzweck so zu optimieren, dass Betonzusatzstoffe eine möglichst große Menge an Portlandzementklinker ersetzen (→ Zement).

¹⁾ Betonzusätze – Zusatzmittel und Zusatzstoffe. Zement-Merkblatt Betontechnik B3. 2.2014, Online-Quelle (abgerufen am 17.11.2020)

²⁾ Beton.Wiki - Ein Lexikon der InformationsZentrum Beton GmbH, Online-Quelle (abgerufen am 17.11.2020)

³⁾ Erläuterung des DAfStb zum aktuellen Regelungsstand der Umweltverträglichkeit von Beton, Stand September 2020