Nationale Forschungsergebnisse zur Wärmeleitfähigkeit von Beton im Brandfall

Einleitung

Der erste Teil dieses Artikels hat Ihnen eine ungefähre Vorstellung davon vermittelt, in welcher Größenordnung sich die Wärmeleitfähigkeit λ von Beton bewegt. Dieser zweite Teil liefert Ihnen einige Hintergrundinformationen, die so in den Normen nicht ersichtlich sind. Es wird hier diskutiert, welche Faktoren die Größe der Wärmeleitfähigkeit beeinflussen. Dazu wird eine wichtige nationale Forschungsarbeit diskutiert. Ergebnisse einiger internationaler Forschungsarbeiten finden Sie in einem abschließenden dritten Teil zu dieser Artikelserie.

Forschung von Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Schneider

Schon im Jahr 1982 hat Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Schneider (1942-2011) Ergebnisse aus umfangreicher Forschung zum Verhalten von Beton bei hohen Temperaturen vorgelegt. Wenn Sie das Originaldokument einsehen möchten, können Sie dieses hier als Pdf-Datei herunterladen. Prof. Schneider berücksichtigte den Temperaturbereich von 20°C bis 1350°C und untersuchte unter anderem auch die Wärmeleitfähigkeit von Beton in diesem Temperaturbereich.

Prof. Schneider weist darauf hin, dass es schwierig sei, die Wärmeleitfähigkeit von Beton experimentell eindeutig zu ermitteln. Dies gelte auch für die Interpretation der Ergebnisse. Dies erklärt, dass die Messergebnisse für die Wärmeleitfähigkeit von temperaturbeanspruchtem Beton stark schwanken (s. Seite 30 in der oben angegebenen Quelle). Dennoch konnte Prof. Schneider die folgenden grundlegenden Zusammenhänge herausarbeiten:

• Die Wärmeleitfähigkeit ist ungefähr proportional zum Feuchtegehalt des Betons. Das heißt, feuchtere Betone leiten die Wärme besser.
• Je besser der Betonzuschlag die Wärme leitet, desto höher ist die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Betons.
• Zementstein hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als normale Betonzuschläge (dies gilt nicht für Leichtzuschläge). Somit haben sog. Magerbetone mit einem geringen Zementanteil eine tendenziell höhere Wärmeleitfähigkeit.
• Wenn Beton nach einem ersten Erwärmen und Abkühlen erneut erwärmt wird, reduziert sich die Wärmeleitfähigkeit.

Aus diesen Zusammenhängen konnte Prof. Schneider ableiten, wie sich die Wärmeleitfähigkeit abhängig von der Brandtemperatur verändert:

• Bei niedrigen Temperaturen ist die Wärmeleitfähigkeit hoch, da das im Beton vorhandene Wasser die Wärme gut leitet. Außerdem ist die Struktur des Betons noch ungeschädigt und kann daher die Wärme gut weiterleiten.
• Bei Temperaturen um 100°C sinkt die Wärmeleitfähigkeit zum ersten Mal, da ein Teil des Wassers in den Betonporen verdampft ist.
• Im Temperaturbereich von 100°C bis ca. 300°C bzw. 400°C sinkt die Wärmeleitfähigkeit weiter, da der Beton noch mehr austrocknet und Risse entstehen, was das Gefüge schädigt und die Wärmeleitung erschwert.
• Bei noch höheren Temperaturen dürfte sich die Wärmeleitung geringfügig erhöhen, weil der Wärmetransport eher durch Strahlung als durch Wärmeleitung erfolgt.

Insgesamt sinkt also die Wärmeleitfähigkeit des Betons mit zunehmender Temperatur des Betonkörpers. Dieser Zusammenhang entspricht den Angaben im Eurocode EN 1992-1-2 (siehe den ersten Teil dieses Beitrags).

Der Abgleich mit den Forschungsergebnissen von Prof. Schneider zeigt auch, dass die Angaben in den Eurocodes eher für Normalbetone gelten. Für Leichtbetone liegen diese auf der sicheren Seite, da die Wärmeleitfähigkeit geringer ist. In der Forschungsarbeit von Prof. Schneider ist auf Seite 30 ein Bild zu sehen, dass für Leichtbeton eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von ca. λ=0,2 bis λ=0,5 ^W/_m⋅K angibt. Dies ist deutlich geringer als der in der Norm angegebene Wert für Normalbeton.