Textilbeton - leicht, tragfähig und nachhaltig

Bis 2030 sollen bei Neubauten mindestens 20 % der Stahlbewehrung durch Carbonbewehrung ersetzt werden können. Dafür will ein Konsortium deutscher Hochschulen und Unternehmen die Voraussetzungen schaffen.

Die leichten Bauteile aus Textilbeton können einen wichtigen Beitrag zum nachhaltigen Bauen leisten, in dem der Energieverbrauch und CO2-Emissionen reduziert und Ressourcen geschont werden. Nicht nur deswegen ist Textilbeton eines von zehn Projekten, das im Rahmen von „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird: Das beantragte Fördervolumen beträgt 45 Mio. Euro bis zum Jahr 2020, hinzu kommen dann noch 23 Mio. Euro Eigenleistungen der am Konsortium „Innovation Textilbeton“ beteiligten Firmen.

Quelle: Fraas Solutions

Textilbeton oder textilbewehrter Beton ist ein innovativer Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und Hochleistungsfaserstoffen aus Carbon, alkaliresistentem Glas (AR-Glas) oder auch Basalt. Der wesentliche Unterschied zu den schon seit Jahrzehnten eingesetzten faserbewehrten Betonen ist, dass die Fasern mit Methoden und Geräten der Textiltechnik zu textilen Strukturen verbunden werden und als Gelege damit in Kraftrichtung im Betonbauteil ausgerichtet werden können.

Anwendungen

Gegenüber der klassischen Bewehrung aus Stahl hat die textile Bewehrung den großen Vorteil nicht zu korrodieren. Bewehrungsstahl in Stahlbeton muss eine ausreichend große und dichte Betonüberdeckung sowie alkalische Umgebungsbedingungen aufweisen, um vor Korrosion geschützt zu sein. Dementsprechend müssen Stahlbeton-Bauteile eine größere Mindestdicke aufweisen. Aus Textilbeton lassen sich dagegen sehr dünne, aber dennoch tragfähige Schalen herstellen. Auch beim Auftrag dünner Verstärkungsschichten bei der Instandsetzung von Bauteilen ist dies ein Vorteil.

Anwendungen findet der Verbundwerkstoff derzeit in der Hauptsache im Brückenbau, im Bau von Schalen für Dächer, bei der Herstellung von Fassadenelementen und bei der Instandsetzung. 

Quelle: Groz-Beckert KG

Nach guten Erfahrungen beim Neubau von Segmentbrücken aus Textilbeton für die Landesgartenschau in Oschatz und über die Rottach in Kempten entstand 2010 mit der Brücke über die Bundesstraße 463 in Albstadt-Lautlingen die derzeit längste Textilbetonbrücke. Der kreisbogenförmige Grundrissverlauf der Brücke ergab sich aus der Forderung nach einer harmonischen Anbindung an die vorhandenen Wegenetze. Die gleichmäßige Einteilung in gleiche Stützweiten von 17,20 m Länge ermöglichte eine segmentierte Bauweise aus sechs Fertigteilen. Die Fertigteile sind in Längsrichtung vorgespannte siebenstegige Plattenbalken. Die Kombination aus textiler Bewehrung und Monolitzen zur Vorspannung ermöglichte eine Überbauhöhe von nur 43,5 cm. Die textile Stegbewehrung wird dabei zur Abtragung der Querkräfte herangezogen.

Im oberfränkischen Naila soll eine Spannbandbrücke für den Fußgänger- und Fahrradverkehr entstehen. Mit einer Überbauhöhe von nur 13 bis 14 cm überbrückt sie dann mit 22,5 m Stützweite den V-förmigen Einschnitt einer Bahnstrecke. Die Spannbänder bestehen zwar aus Stahl, die aufgelegten Betonsegmente aber aus Textilbeton. Zusätzlich erfolgt eine zentrische Vorspannung. 

In Koblenz entschied sich der Bauherr für die Verstärkung der Geschossdecke über dem Erdgeschoss eines Produktionsgebäude mit Textilbeton, da die in Sichtbeton ausgeführten Deckenflächen aus gestalterischer Sicht nach der Verstärkung keinen merklichen Versatz an der Oberfläche aufweisen sollten. Erforderlich war die Verstärkung, da beim Bau der Halle in einigen Deckenbereichen zu wenig Bewehrung eingebaut worden war. Bei der Herstellung der textilbewehrten Verstärkungsschicht wurde ein feiner Spritzmörtel und textile Bewehrung abwechselnd in drei Lagen auf den vorbereiteten Stahlbetonuntergrund aufgebracht. 

Derzeit ist die Anwendung von Bauteilen aus Textilbeton für tragende Bauteile nur mit Zustimmung im Einzelfall oder Allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung möglich.

Herstellung von Bauteilen aus Textilbeton

Quelle: Fraas Solutions

Zur Herstellung der textilen Bewehrung werden zunächst aus bis zu 10.000 Endlos-Filamenten mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern Bündel (Rovings) erzeugt. Auf Nähwirkmaschinen entstehen daraus die textilen Gelegen mit einem Gitter in der gewünschten Maschenweite.
Anschließend wird die textile Bewehrung in einer Schalung in einen Mörtel bzw. Feinbeton eingebettet. Um einen möglichst kraftschlüssigen Verbund mit dem Textil eingehen zu können, muss der Mörtel möglichst fein und fließfähig sein. Zum Einsatz kommen z. B. Mischungen mit ca. 600 kg/m³ Zement, Betonzusatzstoffen wie Steinkohleflugasche und Mikrosilika, Sand der Sieblinie 0/1 und Fließmittel. 

Die üblichen Produktionstechniken sind das Laminieren, Gießen und Spritzen. Ein weiteres Verfahren ist das Schleudern. Beim Laminieren werden Feinbeton und Textil abwechselnd in Lagen in die Schalung eingebracht, bis die erforderliche Bauteildicke erreicht ist. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von zweidimensionalen Platten. Die Produktion der Platten ist nur in horizontaler Lage möglich.

Beim Gießverfahren wird in die Schalung eingelegte Textilbewehrung in einem Arbeitsgang mit dem Beton vergossen. Im Gießverfahren können keine hohen Bewehrungsgrade erzeugt werden, da dann der Feinbeton nicht mehr alle Rovings so umfließen kann, dass ein ausreichender Verbund von Rovings und Feinbetonmatrix entsteht.
Der Ablauf beim Spritzen ist dem beim Laminieren sehr ähnlich. Auch hier werden Feinbeton und Textil abwechselnd in Lagen aufgebracht. Es ist möglich, Bauteile sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Lage mit einem hohen Bewehrungsgrad herzustellen.
Beim Schleudern wird der Beton durch schnelles Rotieren um die Längsachse in der Schalung verdichtet. Angewendet wird das Verfahren vor allem für die Herstellung von Rohren, Masten und Pfählen. Zum Einlegen der textilen Bewehrung muss jeweils der Schleuderprozess unterbrochen werden, so dass der Prozess einen hohen Zeitaufwand verursacht.

Tragverhalten und Bemessung

Entscheidend für die Tragfähigkeit des Textilbetons ist die Übertragung der Kräfte aus der Feinbetonmatrix auf die Filamente eines Rovings. Aber nur ein geringer Teil der Filamente ist vollständig in die Feinbetonmatrix eingebunden. Die Größe der Kontaktfläche und die Qualität des Verbundes zwischen Filament und Matrix bestimmen die Verbundeigenschaften der Bewehrung und sind entscheidend für die Ausnutzung der theoretischen Tragfähigkeit der textilen Bewehrung.

Quelle: Kompetenzzentrum Textilbeton der RWTH Aachen

Daraus entstand der Gedanke, die Filamente zuerst mit einem Polymer miteinander zu „verkitten“. Das flüssige Harz/Härter-Gemisch vermag in alle Hohlräume einzudringen und erhärtet dort. Die textilen Gelege sind nach dieser „Tränkung“ auch wesentlich besser zu handhaben. Polymerdispersionen bewirken im getränkten textilen Gelege eine günstige Lastverteilung auf die einzelnen Filamente und damit ein besseres mechanisches Verhalten des Verbundsystems.
Das Tragverhalten von Textilbeton ähnelt zwar dem von Stahlbeton, jedoch können die Bemessungsverfahren für Stahlbeton aufgrund der anderen Material- und Verbundeigenschaften nicht unverändert auf Textilbeton angewendet werden. Im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs SFB 532s wurden und werden theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, aus denen empirische Faktoren für die Berechnung der Tragfähigkeit textilbewehrter Elemente abgeleitet werden.

Quelle des ersten Fotos im Bericht: Fraas Solutions

Bauaufsichtliche Zulassung

Textilbeton der Marke TUDALIT® wurde im Jahr 2014 vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) in Berlin für die Anwendung frei gegeben. Unter der Nummer Z-31.10-182 hat das Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit TUDALIT® Textilbeton die bauaufsichtliche Zulassung erhalten.

Weiterführende Informationen:

http://www.textilbeton-aachen.de/

http://www.textilbetonzentrum.de/

http://tudalit.de/

Schorn, Harald: Faserbetone für Tragwerke. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2010

Brameshuber, Wolfgang: RILEM-Report rep036 : Textile Reinforced Concrete - State-of-the-Art Report of RILEM TC 201-TRC, 2006. www.rilem.org

Ehlig, D.; Schladitz, F.; Frenzel, M.; Curbach, M.: Textilbeton – Ausgeführte Projekte im Überblick. Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012) 11, S. 777-785

Hankers, Christoph; Matzdorff, Dirk: Verstärkung von Stahlbetonbauteilen mit textilbewehrtem Spritzbeton; www.torkret.de

Leichter bauen – Zukunft formen. Magazin Nr. 9. September 2013; www.tudalit.de

Groz-Beckert KG: die textilbewehrte betonbrücke. www.groz-beckert.com

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