Textilbewehrter Beton als Korrosionsschutz

Diplomarbeit von Matthias Dupke

Einleitung:

Schon als der Mensch mit einfachsten Mitteln begann Häuser für sich zu bauen, setzte er Pflanzenfasern und Tierhaare als verstärkendes Element ein. So wurden Lehmwände und Lehmziegel mittels Stroh verstärkt. Wandputze und Mörtel hingegen wurden aufgrund ihrer geringen Schichtdicken mit feinen Tierhaaren verstärkt. Trotz der unterschiedlichen beigemengten Stoffe war aber stets die verbesserte Haltbarkeit der Bausubstanz das Ziel. Heute besinnt man sich wieder auf solch althergebrachte Bauweisen. Allerdings werden anstatt von Stroh hochmoderne Textilien wie: Aramid-, Karbon- und AR-Glasfasern, (AR = alkaliresistent), in Verbindung mit dem Baustoffen Beton und Stahlbeton eingesetzt.

Der textilbewehrte Beton ist ein relativ junger Baustoff. Eingesetzt wird er etwa seit den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Anfänglich wurden nur Kurzfasern als Bewehrung verwendet. Als Fasermaterial wurde in den meisten Fällen Asbest eingesetzt. Bis zur Entdeckung, dass die Asbestfasern aufgrund ihrer geringen Korngröße und ihrer Form als Krebs erzeugend gelten. Der Durchmesser der Elementarfasern schwankt zwischen 0,02 und 0,2 Mikrometer. Seit die Krebs erzeugende Wirkung der Asbestfasern bekannt wurde, wurde die Asbestfaser durch andere Natur- und Chemiefasern ersetzt. Die wichtigsten Chemiefasern für das Bauwesen sind: Aramid-, Karbon- und AR-Glasfasern. Weiterhin werden als Kurzfasern Metallfasern in den unterschiedlichsten Formen und Keramikfasern verwendet.

Eines der herausragendsten Glasfaserbeton Bauwerke aus den Anfängen des faserbewehrten Betons ist der im Jahre 1977 errichtete Pavillon. Dieser wurde anlässlich der Bundesgartenschau in Stuttgart im selbigen Jahr errichtet. Der Pavillon besitzt einen Gesamtdurchmesser von 31m, bei einer Schalendicke von etwa nur 10 bis 12mm. Dies zeigt, welche Anwendungsmöglichkeiten schon bei faserbewehrtem Beton möglich sind.

Aufgrund der bereits seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts verwendeten faserbewehrten Betone sind die Erfahrungen mit diesem Baustoff bis zum heutigen Tag sehr umfangreich. Die Erfahrungen mit dem textilbewehrten Beton hingegen sind als sehr gering einzuschätzen, da bisher nur wenig Literatur veröffentlicht wurde. Die fehlende Erfahrung mit dem Umgang mit textilbewehrtem Beton ist daran zu ersehen, dass seit einigen Jahren in Deutschland verstärkt an der Entwicklung von diesem neuen Verbundwerkstoff, gearbeitet wird. Diese Entwicklungstätigkeit wird beispielsweise in zwei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichen SFB, dem SFB 528 und dem SFB 532 durchgeführt.

Im Sonderforschungsbereich 528 wird an der Entwicklung der Verwendung technischer Textilien als Verstärkung und Instandsetzung von Stahlbetontragwerken oder Holzbauteilen an der Technischen Universität in Dresden gearbeitet.

Im Sonderforschungsbereich 532 wird hauptsächlich die Entwicklung des Verbundwerkstoffes textilbewehrter Beton an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen als neuer innovativer Baustoff betrieben.

Um sich einen schnellen Überblick über bereits erschienene Literatur bezüglich des Textilbetons verschaffen zu können, wurde Ende des Jahres 2005 eine Literaturdokumentation vom Fraunhofer Informationszentrum Raum und Bau herausgegeben. In dieser Dokumentation werden Forschungsberichte, Dissertationen und durchgeführte Vorträge über das Thema Textilbeton mit kurzem Inhalt aufgelistet.

Inhaltsverzeichnis:

Kapitel 1.3, Stofflicher Aufbau des textilbewehrten Betons:

Der textilbewehrte Beton ist ein Verbundwerkstoff (englisch: composites). Der Verbundwerkstoff besteht aus mindestens zwei Werkstoffen, dem Verstärkungsstoff und der Matrix. Der Verstärkungsstoff ist ein Textil. Dieses Textil kann z.B. ein Gelege sein, welches aus Glasfaserrovings besteht. Die Matrix besteht aus Zement, Zuschlag, Wasser und Zusätzen. Der vorschriftsmäßige Zement ist der DIN 1164 bzw. der DIN EN 197-1:2004-08 zu entnehmen. Da mit dem textilbewehrten Beton hauptsächlich dünne Bauteile hergestellt werden sollen, ist darauf zu achten, dass der verwendete Zuschlag als Größtkorn 4mm nicht übersteigt. Durch diese Bedingung ist gewährleistet, dass das Korn von der Betonsuspension voll umschlossen werden kann und das Korn durch die Maschen der textilen Bewehrung noch hindurch gelangt. Weiterhin muss der Beton eine fließfähige Konsistenz aufweisen, damit die Suspension alle Glasfasern im gesamten Umfang umschließen kann und ein kraftschlüssiger Verbund mit dem Beton erreicht wird. ‘Das Zugabewasser muss der DIN 1045, Ausgabe 1988, Abschnitt 6.4.entsprechen’. Bei den Betonzusätzen unterscheidet man zwischen Zusatzstoffen und Zusatzmitteln. Als Zusatzstoffe kommen Flugasche und als Zusatzmittel kommen Fließmittel und Luftporenbildner zum Einsatz. Weiterhin kommen nach HOLSCHEMACHER größere Anteile an puzzolanischen oder latenthydraulischen Betonzusatzstoffen, wie Steinkohleflugasche, Silikastaub oder Hüttensand, zum Einsatz. Dies führt zur Senkung des pH-Wertes des Betons, was die Beständigkeit der beispielsweise verwendeten AR-Glasfasern deutlich verbessert.

Die Rovings werden im Gegensatz zu lose in den Beton eingebrachte Fasern so in den Beton eingelegt, wie es die spätere Belastung des Bauteils erfordert. So ist es möglich, die Bewehrung des Bauteils mit Textilien exakt auf die geforderte Belastung abzustimmen, so dass keine teuren Textilien ohne Wirkung im Beton liegen. Bei losen Fasern wird der Effekt der Wirkungslosigkeit der Fasern, aufgrund der falschen Lage in der Matrix, mit einkalkuliert. Somit wird dann nur ein geringer Teil der Fasern zur Lastabtragung herangezogen. Bei den Endlosfasersträngen (Rovings) ergibt sich aus dem belastungsorientierten Einbau, dass die textile Bewehrung voll angerechnet werden kann. Nach ORLOWSKY allerdings ist hierbei zu beachten, dass auch bei einer AR-Glasbewehrung, die Korrosion des AR-Glases durch die Alkalität des Betons einkalkuliert werden muss. Dies bedeutet, dass die Dauerhaftigkeit der AR-Glasbewehrung nicht über die gesamte Nutzungszeit des Bauwerks bzw. Bauteils gewährleistet werden kann und somit Abschläge auf die Festigkeit des Materials vorgenommen werden müssen.

Dieser Effekt soll durch eine vermehrte Forschung weitestgehend vermindert werden. Dies soll durch eine deutliche Verringerung der Poren in der unmittelbaren Umgebung der Rovings und die damit einhergehende Abschwächung des alkalischen Milieus durch weniger vorhandenes Porenwasser erreicht werden. Die erhöhte Tragfähigkeit der Rovings wird nicht nur durch die gezielte Einlage der Textilbewehrung im Baustoff erreicht, sondern auch durch ihre räumliche und flächige Anordnung der Rovings untereinander. So ist es z.B. möglich, die Bewehrung multiaxial oder biaxial anzuordnen (Bild 1.1). Diese Anordnung bezeichnet man dann als Gelege.

Wichtige Kennwerte für Glasfasern sind: die Rohdichte beträgt 2,7g/cm³, die Zugfestigkeit liegt zwischen 1,5kN/mm² bis 2,5kN/mm², der E-Modul liegt zwischen 70000N/mm² bis 80000N/mm² und die Bruchdehnung ist größer als 15 Promille.

3, Anwendungsbeispiele:

3.1, KLEINKLÄRANLAGEN:

Seit Jahren werden Kleinkläranlagen aus Stahlbetonfertigteilen gefertigt. Dies beruht auf einer hohen Tragfähigkeit des Stahlbetons und auf geringen Kosten. Allerdings ist die Bewehrung und/oder der Beton aufgrund der Abwasserzusammensetzung ständig der Gefahr der Korrosion ausgesetzt. Durch den Einsatz von textiler Bewehrung kann die Bauteildicke auf das statisch notwendige Maß verringert werden. Beim Einsatz von alkaliresistenten Glasfasern, in Verbindung mit alkaliarmen und widerstandsfähigen Bindemittelkombinationen ist ein hoher Widerstand des Bauteils gegenüber korrosiven Angriffen gegeben. Bei einer stationären Herstellung im Fertigteilwerk können Behälter aus textilbewehrtem Beton ebenso kostengünstig hergestellt werden, wie vergleichbare Stahlbetonbehälter. Durch ein geringeres Gewicht des textilbewehrten Betonbehälters sind der Transport und die Montage ebenfalls günstiger.

Erste Erfahrungen mit textilbewehrten Betonbehältern wurden an der RWTH Aachen an einem Prototyp gesammelt. Hier wurden geeignete Feinbetone und Textilien entwickelt sowie Bemessungs- und Herstellungsverfahren daraus abgeleitet.

Der Prototyp (Bild 3.1) wurde mit Hilfe der Firma Mall GmbH, Donaueschingen produziert. Er besteht aus zwei Elementen, dem zylinderförmigen Bodenteil und einer konusförmigen Behälterabschlussplatte. Die Geometrie des Prototyps ist an die derzeit üblichen Produkte, die auf dem Markt verfügbar sind, angelehnt. Der gebaute Prototyp besitzt eine Bauteildicke von 40mm. Der Durchmesser des zylinderförmigen Bodenteils ist 2,0m und die Gesamthöhe der Kleinkläranlage ist etwa 2,57m. Das Gesamtgewicht beläuft sich auf 2,0t.