Beton kann sehr große Druckkräfte aufnehmen, aber nur geringe
Zugkräfte. Zur Aufnahme der Zugkräfte wird deshalb eine sogenannte
Bewehrung in den Beton eingelegt. Dabei handelt
es sich oft um Matten aus verschweißten Stahlstäben. Eine
Alternative sind Gewebe aus alkaliresistenten, mit Polymeren
beschichteten Glas- oder Carbonfasern. Sie gehören zu den textilen
Bewehrungen.
Gallerie
Textilbewehrungen erlauben dünnwandige Bauteile auszubilden, da die nicht-rostenden Matten verglichen mit Stahlbewehrungen eine deutlich geringere Betondeckung benötigen.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Als Materialien bewährt haben sich vor allem alkaliresistentes Glas und Carbon (im Bild: Carbongarne).
Der Faden wird durch Spinndüsen mit 50.000 ultrafeinen Öffnungen erzeugt.
Bild: SGL Carbon SE
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Der Precursor läuft über eine Vielzahl von Rollen.
Bild: SGL Carbon SE
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Bei der Herstellung der Precursor müssen dutzende Parameter – etwa Temperaturen, Mischungsverhältnisse und Druckgrößen – genau eingehalten werden, um später die gewünschten Carbonfaser-Eigenschaften zu erhalten.
Bild: SGL Carbon SE
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Eine Carbonfaser besteht aus zehntausenden von Einzelfilamenten.
Bild: SGL Carbon SE
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Ihre schwarze Farbe erhalten die Carbonfasern durch die Carbonisierung der Precursor-Fasern.
Auch Glasfasern werden zu multiaxialen Gelegen verarbeitet.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Durch die Tränkung in einem Polymer werden die Glasfasern ausreichend widerstandsfähig gegen das hochalkalische Milieu im Beton.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Bei textilen Bewehrungen kann die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum reduziert werden.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Der Nachteil der Stahlbewehrung ist, dass sie anfällig für
Umwelteinflüsse ist und für große Hitzeentwicklung, beispielsweise
durch Feuer. Sie muss deshalb durch eine ausreichend dicke Betondeckung geschützt sein, die im Regelfall
zwischen 2,5 cm und 5 cm dick ist. Die Betondeckung soll nicht nur
den Verbund von Beton und Stahl sichern, sondern auch die Korrosion
des Stahls verlangsamen und ihn im Brandfall schützen. Allerdings
wird so bei der Herstellung von Stahlbeton
viel mehr Beton verbraucht, als statisch erforderlich wäre. Das
macht die Bauteile schwerer und eine große Menge des in seiner
Herstellung umweltschädlichen Betons wird verschwendet.
Eigenschaften
Die technischen Textilien sind gegenüber üblichen
Stahlbewehrungsmatten deutlich engmaschiger, dünner und flexibler.
Sie sind außerdem dauerhafter, da sie korrosionsbeständig sind. Als
Materialien bewährt haben sich vor allem alkaliresistentes Glas,
Basalt und Carbon. Carbonfasern haben gegenüber Glas- und
Basaltfasern deutlich höhere Steifigkeiten (etwa 220 GPa) und
Zugfestigkeiten (ca. 3.000 MPa). Die Durchmesser der Fasern
variieren je nach Material zwischen 5 und 20 μm. Geforscht wird
außerdem an Textilbewehrungen mit Aramid- und Flachsfasern.
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Textilbewehrungen erlauben dünnwandige Bauteile auszubilden, da die nicht-rostenden Matten verglichen mit Stahlbewehrungen eine deutlich geringere Betondeckung benötigen.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Als Materialien bewährt haben sich vor allem alkaliresistentes Glas und Carbon (im Bild: Carbongarne).
Der Faden wird durch Spinndüsen mit 50.000 ultrafeinen Öffnungen erzeugt.
Bild: SGL Carbon SE
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Der Precursor läuft über eine Vielzahl von Rollen.
Bild: SGL Carbon SE
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Bei der Herstellung der Precursor müssen dutzende Parameter – etwa Temperaturen, Mischungsverhältnisse und Druckgrößen – genau eingehalten werden, um später die gewünschten Carbonfaser-Eigenschaften zu erhalten.
Bild: SGL Carbon SE
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Eine Carbonfaser besteht aus zehntausenden von Einzelfilamenten.
Bild: SGL Carbon SE
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Ihre schwarze Farbe erhalten die Carbonfasern durch die Carbonisierung der Precursor-Fasern.
Auch Glasfasern werden zu multiaxialen Gelegen verarbeitet.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Durch die Tränkung in einem Polymer werden die Glasfasern ausreichend widerstandsfähig gegen das hochalkalische Milieu im Beton.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Bei textilen Bewehrungen kann die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum reduziert werden.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Vom Rohstoff zur Faser
Hohe Temperaturen und mehrstufige, chemische Prozesse mit zum
Teil hohen Wasserverbrauch sind erforderlich, um die mineralischen
oder fossilen Rohstoffe zu Fasern und Geweben zu verarbeiten.
Um Glasfasern zu erzeugen, wird zunächst das Rohmaterial –
darunter verschiedene Metalloxide – in mehreren,
hintereinandergeschalteten Ofenkammern geschmolzen und gesäubert.
Die aus der Glasschmelze gezogenen Einzelfäden werden zu
Faserbündeln, sogenannten Rovings, zusammengefasst.
Carbonfasern werden durch Pyrolyse einer Precurser-Faser
hergestellt. Über 90 Prozent der Carbonfaserproduktion basiert auf
Polyacrylnitril (PAN) als Precurser (Vorläufer). Einer der
Ausgangsstoffe ist Propen, das bei der Verarbeitung von Erdöl zu
Leichtbenzinen anfällt. Das Gas wird mit Ammoniak und reinem
Sauerstoff zu Acrylnitril umgesetzt. Anschließend wird das
Acrylnitril – im Lösungsverfahren – in Dimethylformamid gegeben und
ein sogenannter Initiator hinzugefügt, zum Beispiel
Ammoniumpersulfat, der die Reaktion in Gang setzt – PAN
entsteht.
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Textilbewehrungen erlauben dünnwandige Bauteile auszubilden, da die nicht-rostenden Matten verglichen mit Stahlbewehrungen eine deutlich geringere Betondeckung benötigen.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Als Materialien bewährt haben sich vor allem alkaliresistentes Glas und Carbon (im Bild: Carbongarne).
Der Faden wird durch Spinndüsen mit 50.000 ultrafeinen Öffnungen erzeugt.
Bild: SGL Carbon SE
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Der Precursor läuft über eine Vielzahl von Rollen.
Bild: SGL Carbon SE
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Bei der Herstellung der Precursor müssen dutzende Parameter – etwa Temperaturen, Mischungsverhältnisse und Druckgrößen – genau eingehalten werden, um später die gewünschten Carbonfaser-Eigenschaften zu erhalten.
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Eine Carbonfaser besteht aus zehntausenden von Einzelfilamenten.
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Ihre schwarze Farbe erhalten die Carbonfasern durch die Carbonisierung der Precursor-Fasern.
Auch Glasfasern werden zu multiaxialen Gelegen verarbeitet.
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Durch die Tränkung in einem Polymer werden die Glasfasern ausreichend widerstandsfähig gegen das hochalkalische Milieu im Beton.
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Bei textilen Bewehrungen kann die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum reduziert werden.
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Das PAN-Copolymer wird dann im Nassspinnverfahren durch eine
Spinndüse in ein Koagulationsbad geleitet, sodass sich Filamente,
also quasi-endlose Fasern, bilden. Das Koagulationsbad enthält eine
sorgfältig kontrollierte Lösung, damit sich Filamente mit hoher
mechanischer Festigkeit bilden. Die Fasern verfestigen sich, wenn
das Lösungsmittel wegdiffundiert. Zurück bleiben die
kilometerlangen, seidenweißen PAN-Fäden. Durch Pyrolyse bei 1.200
bis 1.700 Grad Celsius und unter Zugabe von beispielsweise Viskose
und Pech werden diese dann zu schwarzen Carbonfäden.
Vom Roving zum tragfähigen Gelege
Die Fasern werden zu Bündeln, sogenannten Rovings,
zusammengefasst und auf Spulen aufgewickelt. Die Rovings bestehen
aus bis zu 48.000 Fasern. Spezielle Maschinen legen diese Rovings
in verschiedenen Richtungen ab und verbinden die dabei entstehenden
Knotenpunkte mit einem Wirkfaden. Diese Art von Textil wird Gelege
genannt.
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Textilbewehrungen erlauben dünnwandige Bauteile auszubilden, da die nicht-rostenden Matten verglichen mit Stahlbewehrungen eine deutlich geringere Betondeckung benötigen.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Als Materialien bewährt haben sich vor allem alkaliresistentes Glas und Carbon (im Bild: Carbongarne).
Der Faden wird durch Spinndüsen mit 50.000 ultrafeinen Öffnungen erzeugt.
Bild: SGL Carbon SE
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Der Precursor läuft über eine Vielzahl von Rollen.
Bild: SGL Carbon SE
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Bei der Herstellung der Precursor müssen dutzende Parameter – etwa Temperaturen, Mischungsverhältnisse und Druckgrößen – genau eingehalten werden, um später die gewünschten Carbonfaser-Eigenschaften zu erhalten.
Bild: SGL Carbon SE
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Eine Carbonfaser besteht aus zehntausenden von Einzelfilamenten.
Bild: SGL Carbon SE
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Ihre schwarze Farbe erhalten die Carbonfasern durch die Carbonisierung der Precursor-Fasern.
Auch Glasfasern werden zu multiaxialen Gelegen verarbeitet.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
11|13
Durch die Tränkung in einem Polymer werden die Glasfasern ausreichend widerstandsfähig gegen das hochalkalische Milieu im Beton.
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Bei textilen Bewehrungen kann die Betondeckung auf ein für den Verbund nötiges Minimum reduziert werden.
Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
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Um die Gelege besser verarbeiten zu können und sie tragfähiger
zu machen, werden sie mit einem Polymer getränkt. Verwendet werden
Epoxidharze, Styrol-Butadien, Acrylate und Polystyrol – wässrige
Dispersionen auf Erdöl- und Erdgasbasis. Die Polymere variieren in
ihrer Steifigkeit und beeinflussen damit die Tragfähigkeit und
Flexibilität der getränkten Bewehrungstextilien. Je nachdem, wie
flexibel sie sind, können sie auf Rollen aufgewickelt oder als
Mattenware auf die Baustelle geliefert werden.
Durch das Tränken werden Glas- und Basaltfasern außerdem
beständiger gegen den alkalischen Beton. Neben der polymere sind
auch mineralische Tränkungen möglich, die bisher jedoch nur bei
Rovings durchführbar ist und nicht mehr, wenn aus ihnen schon ein
Gelege hergestellt wurde.
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BauNetz Wissen Beton sponsored by: Deutsche Zement- und Betonindustrie vertreten durch das InformationsZentrum Beton | Kontakt 0211 / 28048–1 | www.beton.org
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Bild: Yvonne Kavermann, Berlin
Anders als Stahlbewehrungen rosten die Gelege aus Carbon-, Glas oder Basaltfasern nicht.
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