Beton mit geschlossenem Gefüge betrachtet man heute als Zweistoff-System, d.h. in eine Matrix aus einem bei der Herstellung breiigen oder flüssigen Stoff wird ein zweiter fester Stoff in gekörnter Form eingeführt. Seine Gebrauchseigenschaften erhält dieses Zweistoff-System erst nach dem Aushärten der Matrix. Für die Eigenschaften des erhärteten neuen Stoffs sind die Eigenschaften der erhärteten Matrix, die des gekörnten festen Stoffs, den man als Zuschlag bezeichnet, die volumenmäßigen Anteile von Matrix und Zuschlag sowie die Wechselwirkungen zwischen Matrix und Zuschlag in unterschiedlichem Maße bestimmend.
Beim zementgebundenen Beton mit geschlossenem Gefüge, auf den sich die nachfolgenden Ausführungen beschränken, besteht die Matrix in flüssig-viskoser Form aus dem Gemisch von Zement und Wasser, das man auch als Zementleim bezeichnet und aus dem durch die Hydratation des Zements der feste Zementstein entsteht. Als Zuschlag finden für Normalbeton im allgemeinen dichte, natürlich gekörnte oder gebrochene Naturgesteine (Sand, Kies, Splitt, Schotter) und für Leichtbeton mit geschlossenem Gefüge porige, meist künstlich hergestellte anorganische Stoffe (Blähton, Blähschiefer, Hüttenbims) Verwendung. [Es ist auch möglich, Leichtbetone mit geschlossenem Gefüge aus organischen Stoffen (Holz, Kunststoffschaum) oder aus natürlichen anorganischen Stoffen (Bims, porige Lavaschlacke) herzustellen. .
Manchmal kann es zweckmäßig sein, bei der vereinfachenden Zweistoff-System-Betrachtung des Betons die feinen Anteile des Zuschlags der Matrix zuzuordnen; das System besteht dann aus den Stoffen Mörtel und grober Zuschlag. Zumindest den zementfeinen Zuschlag wird man immer als zur Matrix gehörend ansehen. Bei Zuschlaggemischen mit stetigem Kornaufbau ist es dann jedoch schwierig und in gewisser Hinsicht auch willkürlich, bei welcher Korngröße des Zuschlags man die Grenze zwischen Matrix und grobem Zuschlag zieht. In diesem Beitrag ist dieses Problem dadurch umgangen worden, daß einzelne Korngruppen im Sandbereich ausgelassen wurden, z.B. Sand 1/3 mm, so daß man den Sand unter 1 mm zur Matrix und die Körner über 3 mm zum groben Zuschlag zugehörig ansehen konnte. .
Wird ein festes Zweistoff-System äußerlich gleichmäßig auf Druck beansprucht, dann treten auch im Innern nur dann gleichgerichtete und gleich große Spannungen auf, wenn die durch eine Spannung hervorgerufenen Verformungen von Matrix und Zuschlag vollständig gleich sind (dann wirken beide zusammen wie ein homogener Körper). Im allgemeinen besitzen Matrix und Zuschlag jedoch recht unterschiedliche Eigenschaften, z.B. ist das Elastizitätsmodul des dichten Zuschlags für Normalbeton mehrfach größer und der des porigen Zuschlags häufig mehrfach kleiner als der der Matrix. Trotz äußerlich gleichmäßiger Beanspruchung treten daher im Innern des verfestigten Zweistoff-Systems Spannungen auf, die im Vergleich zur mittleren äußeren Druckspannung mehrfach größer oder kleiner sein können. In Teilbereichen besonderer Spannungskonzentrationen muß daher bereits mit einem Überschreiten der Festigkeit und dadurch mit dem Entstehen von örtlich begrenzten Rissen gerechnet werden, wenn die mittlere Spannung noch weit unterhalb der Bruchspannung der beiden Stoffe liegt und wenn auch die Tragfähigkeit des Zweistoff-Systems noch nicht erschöpft ist. Durch diese örtlich begrenzten Risse tritt jedoch eine Änderung des Tragsystems auf, die für das Tragvermögen letztlich entscheiden sein kann. .
Die vorliegende Arbeit dient der Abklärung, ob und wo Spannungskonzentrationen in auf Druck beanspruchtem Normal- und Leichtbeton mit geschlossenem Gefüge auftreten, wie diese Spannungen die Entstehung neuer Risse und die Ausbreitung vorhandener Risse begünstigen, welche Einflußgrößen hierfür maßgebend sind, auf welche Weise mit zunehmender äußerer Belastung die Erweiterung der Risse das Tragsystem beeinflußt und wie der Bruchmechanismus dadurch eingeleitet wird und abläuft. Die Beantwortung dieser Fragen läßt sowohl Hinweise für die praktische Betontechnologie erwarten, z.B. für den zielsicheren Entwurf von Normalbetonen besonders hoher Festigkeit und von Konstruktions-Leichtbeton, als auch Aufschlüsse für die weitere Forschung zur Verbesserung aller Betoneigenschaften. .
Der vorliegende Beitrag enthält zunächst eine ausführliche Erörterung und zusammenfassende Darstellung des Schrifttums zu den obengenannten Fragen. Anschließend werden die verschiedenen Versuchseinrichtungen und Verfahren, die bei den Untersuchungen für diese Arbeit verwendet worden sind, beschrieben und auch die Grenzen ihrer Aussagefähigkeit umrissen. Dann folgen die Versuchergebnisse, die zum Teil an Betonen, überwiegend jedoch an zweidimensionalen Betonmodellen ermittelt wurden. Aus den Versuchergebnissen wurde eine Hypothese für den Bruchmechanismus und dessen Beeinflußbarkeit aufgestellt, die vor allem die unterschiedlichen Verformungen von Matrix und Zuschlag sowie die daraus resultierende Spannungsverteilung und Rißbildung in verschiedenen Belastungsstadien bis hin zum endgültigen Bruch berücksichtigt. Abschließend werden aus diesem Bruchmechanismus Folgerungen für die Praxis und Anregungen für die Entwicklung der Betontechnologie gezogen.