Faserverstärkter Beton: Anwendungen, Vorteile und wichtige Fragen

Beton dient als Grundlage des modernen Bauwesens, wobei die kontinuierliche Verbesserung seiner Leistung ein Hauptaugenmerk im Ingenieurwesen ist. Das Aufkommen von faserverstärktem Beton (FRC) hat diesem wichtigen Material neue Vitalität verliehen. Allerdings wirft es auch zahlreiche Fragen auf: Was genau sind Fasern? Was unterscheidet Makrofasern von Mikrofasern? Wie sollte die geeignete Ballaststoffart und Dosierung ausgewählt werden? Dieser Artikel bietet eine ausführliche Untersuchung von Faserbeton, geht auf praktische Anwendungsprobleme ein und bietet Anleitungen für den Bau robusterer und langlebigerer Gebäude.

Fasern spielen im Beton eine entscheidende Rolle, da sie als Verstärkungsmaterialien und nicht als bloße Zusatzstoffe fungieren. Gemäß der Definition in ACI CT-18 (Concrete Terminology) überbrücken Fasern Risse, verbinden den Beton miteinander und verbessern seine Gesamtleistung erheblich.

Der Hauptunterschied zwischen Makrofasern und Mikrofasern liegt in ihrer Größe, die typischerweise anhand des Äquivalentdurchmessers oder der linearen Dichte gemessen wird. In der FRC-Industrie wird die lineare Dichte häufig in Denier ausgedrückt, was der Masse (in Gramm) von 9.000 Metern Faser entspricht.

Zu den wichtigsten Unterschieden zwischen Mikrofasern und Makrofasern gehören:

• Synthetische Fasern:ASTM D7508/D7508M legt Anforderungen für Makrofasern, Mikrofasern und Hybridfasern (Kombinationen aus beiden) fest. Als weitere Unterscheidungsmerkmale werden in dieser Norm auch Zugfestigkeit und Schnittlänge herangezogen.
• Natürliche Mikrofasern:ASTM D7357 beschreibt die Konformitätsanforderungen für Zellulosefasern, die in FRC verwendet werden.
• Stahlfasern:ASTM A820/A820M ist als Makrofaser klassifiziert und legt Mindestanforderungen für Stahlfasern in FRC-Anwendungen fest.

• Mikrofasern:Beherrscht in erster Linie die Schrumpfungsrissbildung von Kunststoffen. Bei typischen Dosierungen bieten sie weder eine Temperatur- oder Schwindrisskontrolle, noch verbessern sie andere Betoneigenschaften. Allerdings können fibrillierte Mikrofasern, die in Mindestdosierungen von 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) verwendet werden, die leichte Schweißdrahtverstärkung (WWR) zur Temperatur- und Schrumpfungsrisskontrolle ersetzen.
• Makrofasern:Verbessern Sie die Betonleistung erheblich, einschließlich der Restfestigkeit nach dem Riss, der Lastübertragung über Risse, der verbesserten Haltbarkeit, der Biegezähigkeit, der Ermüdungsbeständigkeit, der Schlagfestigkeit und der Scherkapazität.

Es gibt verschiedene synthetische Makrofasertypen, jeder mit einzigartigen Vorteilen. Neben physikalischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Materialzusammensetzung oder Form umfassen weniger offensichtliche Unterschiede die Mischleistung, die Tendenz zur Kugelbildung, die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit und die Bindungseigenschaften mit Beton.

Der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz synthetischer Makrofasern liegt in der Auswahl geeigneter Dosierungen, die sowohl den Leistungsanforderungen als auch den Verarbeitbarkeits-/Veredelungsanforderungen gerecht werden. Stärkere Fasern oder solche mit besseren Bindungseigenschaften erfordern möglicherweise weniger Material als schwächere Alternativen. Hersteller sollten Testdaten bereitstellen, um Dosierungsempfehlungen zu untermauern. Bei Unsicherheiten sollten Versuchsmischungen empfohlen werden.

Mikrofasern verhindern in erster Linie die Schrumpfungsrissbildung von Kunststoffen. Untersuchungen zeigen, dass sie bei typischen Dosierungen nur eine vernachlässigbare Tragfähigkeit in Festbeton bieten. Höhere Mikrofaserdosierungen können das Mischen aufgrund der erhöhten Faseranzahl und Oberfläche erschweren und möglicherweise zu Problemen bei der Verarbeitbarkeit und einem erheblichen Setzmaßverlust führen.

Im Vergleich zu kürzeren Fasern desselben Typs haben längere Fasern eine größere Oberfläche, was die Verankerung im Festbeton verbessert und die Leistung nach dem Riss bei gleicher Dosierung verbessert. Allerdings gibt es für jeden Fasertyp eine optimale Länge, abhängig von der spezifischen Form, den Steifigkeitseigenschaften und der Betondruckfestigkeit.

Vorprojekt-Probemischungen unter Berücksichtigung der Platzierungsmethoden und Endbearbeitungsanforderungen helfen dabei, die idealen Faserlängen zu bestimmen und Probleme wie Ballenbildung oder Oberflächenfaserüberstand zu vermeiden.

Synthetische Makrofasern (insbesondere große, grobe Monofilamente) können je nach Dosierung eine mit Stahlfasern vergleichbare Restfestigkeit bieten. Auch andere Faktoren wie erwartete Verformungen und Umgebungsbedingungen sollten die Faserauswahl beeinflussen. Für einige strukturelle Anwendungen, die Stahlfasern erfordern, wurden synthetische Alternativen nicht validiert.

Während synthetische Makrofasern typischerweise eine geringere Zugfestigkeit und einen geringeren Elastizitätsmodul als Stahlfasern aufweisen, bieten sie deutlich mehr Fasern zur Überbrückung potenzieller Risse. Bei richtiger Dosierung sollte die gesamte Spannungsübertragungskapazität über Risse hinweg gleich sein. Die effektive Querschnittsfestigkeit hängt auch von der Qualität der Faser-Matrix-Bindung ab – hochfeste Fasern mit unzureichender Bindung sind schlechte Kandidaten für die Verstärkung. Die FRC-Leistung spiegelt das Verbundverhalten wider, nicht die Eigenschaften einzelner Fasern.

Faserbeton (FRC) enthält einzelne Fasern (typischerweise bis zu 2,5 Zoll oder 64 mm) in hydraulischem Zementbeton. Faserverstärkte Polymere (FRP) verwenden wesentlich längere Fasern, die ohne Zement oder Zuschlagstoffe in Polymermatrizen eingebettet sind.

Die erforderlichen Fasermengen hängen von den angegebenen FRC-Leistungskriterien ab. Bei Mikrofasern, die die Kunststoffschrumpfung kontrollieren, orientieren sich Rissreduktionsverhältnisse (CRR) an der Bestimmung der Dosierung gemäß ASTM C1579. Für Makrofasern in Festbeton sollten die Dosierungen der angegebenen Restfestigkeit (ASTM C1399), der äquivalenten Biegefestigkeit nach Riss (ASTM C1609) oder der Energieabsorptionskapazität (ASTM C1550) entsprechen und dabei Elementtyp/-dicke, Betonfestigkeit, Bewehrungsspezifikationen und Belastungsanforderungen berücksichtigen.

Viele Lieferanten bieten Designtools (insbesondere für Platten) zur Berechnung geeigneter Dosierungen an.

Für Platten werden Mindestdosierungen in der Regel von den Herstellern auf der Grundlage standardisierter Produkttests festgelegt, um Anforderungen oder Industriestandards zu erfüllen.

ANSI/SDI C-2017 für Verbundmetalldecks legt eine Mindestmakrofaserdosierung von 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) für synthetische Fasern und 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) für Stahlfasern fest, wenn diese zur Temperatur-/Schrumpfungskontrolle verwendet werden. Gemäß den UL-Anforderungen liegen die Obergrenzen bei 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) für synthetische Fasern und 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) für Stahlfasern. Faserverstärkung ersetzt derzeit keinen Stahl mit negativem Moment in Verbunddeckbaugruppen.

Dosierungen unterhalb der Herstellerempfehlungen oder Codeanforderungen werden nicht empfohlen. Ingenieure sollten den Faserhersteller konsultieren, wenn sie sich über Anwendungen oder Dosierungen unsicher sind.

Mehrere Quellen bieten Designrichtlinien für makrofaserverstärkten Beton in verschiedenen strukturellen Anwendungen:

• ACI 544.4R-18: Leitfaden zum Design mit FRC
• ACI 360R-10: Leitfaden zum Plattendesign
• ACI 322-14: Anforderungen des Residential Concrete Code

Faserhersteller können zusätzliche produktspezifische Hinweise geben.

Makrofaser-FRC-Spezifikationen sollten leistungsbasiert und anwendungsspezifisch sein und anerkannte Methoden von ACI 544.4R verwenden, um charakteristische Parameter zu berechnen wie:

• Durchschnittliche Restfestigkeit (ASTM C1399)
• Restfestigkeit oder gleichwertige Biegefestigkeit (ASTM C1609)

Beispielspezifikation: „Die Faserdosierung muss eine Restfestigkeit von mindestens 200 psi (1,4 MPa) in 4.000 psi (28 MPa) Beton liefern.“ Die Konformität sollte durch Testdaten des Herstellers gemäß den relevanten ASTM-Standards überprüft werden.

Bei Spritzbeton wird die Leistung von faserverstärktem Spritzbeton (FRS) durch das Energieabsorptionsvermögen (ASTM C1550 oder EN 14488-5) bestimmt. Beispielspezifikation: „Die Faserdosierung muss eine Energieabsorption von mindestens 280 J nach 7 Tagen in Spritzbeton mit 4.000 psi (28 MPa) gewährleisten.“

Die Post-Crack-Leistung von FRC kann anhand von ASTM C1609, C1399 oder C1550 (Energieabsorption) bewertet werden. Ingenieure sollten geeignete Werte basierend auf der Entwurfsabsicht und den erforderlichen Leistungsniveaus ermitteln und sich dabei auf ACI 544.4R als Orientierungshilfe beziehen.

Bestimmte Fasern (z. B. Stahl) in der Nähe von Betonoberflächen in exponierten Umgebungen können korrodieren. Während eine solche lokale Korrosion die strukturelle Integrität nicht beeinträchtigt, sollten ihre ästhetischen Auswirkungen vorher bewertet werden. Synthetische und natürliche Fasern sind nicht korrodierend und chemisch inert und werden von Umweltbedingungen nicht beeinflusst.

Während Fasern die Biegefestigkeit des Betons im ersten Riss (Bruchmodul, ASTM C78) normalerweise nicht erhöhen, verbessern sie die Biegekapazität und Ermüdungsfestigkeit der Platte. Durch geeignete faserspezifische Zähigkeitswerte können dünnere Betonabschnitte die Konstruktionslasten tragen.

ANSI/SDI C-2017 erlaubt Stahl- oder synthetische Makrofasern (in vom Hersteller festgelegten Dosierungen, die den Mindestanforderungen entsprechen) als Ersatz für geschweißte Drahtverstärkungen (WWR) zur Risskontrolle und nicht zur strukturellen Spannungsfestigkeit.

Gemäß UL- und ICC-ES-Bewertungen gelten einige Mikrofasern als WWR-Alternativen in bestimmten feuerbeständigen Boden-/Deckenbaugruppen.

Dieses historische Problem trat hauptsächlich bei synthetischen Mikrofasern auf, wenn falsche Veredelungstechniken verwendet wurden. Moderne monofile Mikrofasern (normalerweise begrenzt auf 1,0–1,5 lb/yd³ oder 0,6–0,9 kg/m³) und Makrofasern minimieren diesen Effekt. Durch richtiges Mischen, Auftragen und Endbearbeiten entstehen hervorragende Oberflächen. Überstehende Oberflächenfasern gefährden nicht die Plattenintegrität – Rosenknospenbrenner können freiliegende Fasern schmelzen, wenn ästhetische Bedenken bestehen.

Während einige Kunststoffe (z. B. Nylon) geringe Mengen an Chargenwasser absorbieren, sind herkömmliche Polypropylen-/Polyethylenfasern hydrophob. Die scheinbare Verringerung des Setzmaßes bei höheren Dosierungen ist darauf zurückzuführen, dass die Fasern eher als Kohäsionsmittel wirken, als dass sie Wasser absorbieren.

Die Zugabe von Wasser verringert die Festigkeit des Betons. Wenn ein hoher Fasergehalt die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt, sollten chemische Zusätze und kein zusätzliches Wasser verwendet werden.

Die idealen Zugabepunkte variieren je nach Faserform, Steifheit und Dosierung – einige eignen sich am besten als erste Zutaten, andere nach dem Einfüllen aller Materialien. Die Hersteller können Hinweise geben. Es werden vor dem Projekt Versuche empfohlen, um den optimalen Zugabezeitpunkt und die optimale Mischdauer zu ermitteln.

Bei Normalbeton wird für Fertigbeton in der Regel eine Mischzeit von 4 bis 5 Minuten nach Zugabe aller Zutaten empfohlen.

Bei allen Fasertypen kann es aufgrund unzureichender Mischung, falscher Reihenfolge oder der Zugabe zu zu trockenen Mischungen, bei denen nicht genügend Feinanteile zum Beschichten der Fasern vorhanden sind, zu Ballenbildung kommen. Vorprojektversuche helfen dabei, die Kompatibilität der Mischung mit der beabsichtigten Faserart und -dosierung zu überprüfen.

Einbrucheffekte hängen ab von:

• Anfängliches Mischungsmaß (größere Auswirkung bei niedrigeren Anfangsmaßen)
• Ballaststoffanzahl und Dosierung (höhere Dosierungen verstärken die Wirkung)
• Gesamtfaseroberfläche (größere Fläche erhöht die Wirkung)

Beachten Sie, dass die Messungen des Setzkegels Aufschluss über die Chargenkonsistenz und nicht unbedingt auf die tatsächliche Verarbeitbarkeit geben. Während der visuelle Einbruch möglicherweise verringert erscheint, ist die tatsächliche Verarbeitbarkeit möglicherweise weniger beeinträchtigt. In Vorprojektversuchen wird ermittelt, ob Anpassungen der Durchführbarkeit erforderlich sind.

Aufgrund der höheren Faseranzahl pro Pfund können Mikrofasern bei gleichen Längen-Durchmesser-Verhältnissen und Dosierungen einen stärkeren Einfluss auf das Setzmaß haben als Makrofasern. Allgemein:

• Synthetische Mikrofasern (1,0–3,0 lb/yd³ oder 0,6–1,8 kg/m³): 1–3 Zoll (25–75 mm) Setzmaßverlust
• Synthetische Makrofasern (3,0–10,0 lb/yd³ oder 1,8–6,0 kg/m³) oder Stahlfasern (15–50 lb/yd³ oder 9–29,6 kg/m³): Setzmaßverlust von 1–5 Zoll (25–125 mm).

Weichmacher (Mittel- oder Hochleistungs-Wasserreduzierer) sollten den Setzverlust ausgleichen. Bei hohen Dosierungen können Mischungsanpassungen erforderlich sein, um einen ausreichenden Pastengehalt sicherzustellen. Vermeiden Sie überschüssiges Wasser, um Festigkeitsverlust und Entmischung zu verhindern.

Makrofasern haben im Allgemeinen keinen negativen Einfluss auf den Luftgehalt oder die Druckfestigkeit. Wahrgenommene Veränderungen sind oft auf Übermischung, zugesetztes Wasser, Temperaturschwankungen oder falsche Feuchtigkeitsmessungen in Zuschlagstoffen zurückzuführen. Luftschwankungen können sich auch auf tatsächliche Setzänderungen beziehen. Bestimmte historische Faseroberflächenbehandlungen könnten unerwünschte Luft einbringen, was jedoch heute selten vorkommt.

Änderungen des Stückgewichts hängen von der Faserart und den Anpassungen des Mischungsdesigns ab. Bei synthetischen Fasern verändert sich das Gewicht der Einheit normalerweise nicht, wenn der Luftgehalt konstant bleibt. Stahlfasern mit höherer Dichte können je nach Volumenanteil und Mischungsanpassungen das Gewicht der Einheit erhöhen.

In Normalbeton schwimmen oder sinken richtig dosierte und gemischte Fasern aufgrund des spezifischen Gewichts des Materials und der Viskosität des Mischbetons weder. Fasern tragen tatsächlich dazu bei, größere Aggregate zu suspendieren und eine Entmischung zu verhindern.

Im Allgemeinen kompatibel, aber einige Faserverarbeitungshilfsmittel oder Spinnpräparationen können Auswirkungen auf andere Betonchemikalien haben. Informieren Sie sich immer bei den Faserherstellern.