Faserverstärkter Beton

Das Konzept der Verwendung von Fasern als Bewehrung ist nicht neu. Fasern werden schon seit der Antike als Bewehrung verwendet. In der Vergangenheit wurden Rosshaar in Mörtel und Stroh in Lehmziegeln verwendet. In den 1900er Jahren wurden Asbestfasern in Beton verwendet. In den 1950er Jahren kam das Konzept der Verbundwerkstoffe auf, und faserverstärkter Beton war eines der Themen, die von Interesse waren. Nachdem die gesundheitlichen Risiken von Asbest bekannt wurden, musste ein Ersatz für den Stoff in Beton und anderen Baumaterialien gefunden werden. In den 1960er Jahren wurden Stahl-, Glas- (GFK) und synthetische Fasern (wie Polypropylen) in Beton verwendet. Die Forschung an neuen faserverstärkten Betonen wird bis heute fortgesetzt.

Fasern werden in der Regel in Beton verwendet, um die Rissbildung aufgrund des plastischen Schwindens und des Trockenschwindens zu kontrollieren. Sie verringern auch die Durchlässigkeit des Betons und reduzieren so das Ausbluten von Wasser. Einige Fasertypen sorgen für eine höhere Schlag-, Abrieb- und Splitterfestigkeit des Betons. Größere Stahl- oder Kunstfasern können in bestimmten Situationen Bewehrungsstäbe oder Stahl vollständig ersetzen. Faserverstärkter Beton hat den Stabstahl im Tiefbau fast vollständig ersetzt, z. B. in Tunnelsegmenten, wo fast alle Tunnelauskleidungen faserverstärkt sind, anstatt Bewehrungsstäbe zu verwenden. Einige Fasern verringern sogar die Druckfestigkeit des Betons.

Die Menge der einer Betonmischung hinzugefügten Fasern wird als Prozentsatz des Gesamtvolumens des Verbundstoffs (Beton und Fasern) ausgedrückt und als „Volumenanteil“ (Vf) bezeichnet. Vf liegt typischerweise zwischen 0,1 und 3 %. Das Aspektverhältnis (l/d) wird berechnet, indem die Faserlänge (l) durch ihren Durchmesser (d) geteilt wird. Bei Fasern mit nicht kreisförmigem Querschnitt wird für die Berechnung des Aspektverhältnisses ein äquivalenter Durchmesser verwendet. Wenn der Elastizitätsmodul der Faser höher ist als der der Matrix (Beton oder Mörtel), tragen die Fasern dazu bei, die Last zu tragen, indem sie die Zugfestigkeit des Materials erhöhen. Eine Erhöhung des Aspektverhältnisses der Fasern führt in der Regel zu einer Erhöhung der Biegefestigkeit und Zähigkeit der Matrix. Eine größere Länge führt zu einer besseren Matrix im Beton und ein feinerer Durchmesser erhöht die Anzahl der Fasern. Um sicherzustellen, dass jeder Faserstrang effektiv ist, wird empfohlen, Fasern zu verwenden, die länger sind als die maximale Größe der Gesteinskörnung. Normaler Beton enthält Gesteinskörnungen mit einem Durchmesser von 19 mm, was 35-45 % des Betons entspricht. Fasern, die länger als 20 mm sind, sind effektiver. Zu lange Fasern, die bei der Verarbeitung nicht richtig behandelt werden, neigen jedoch dazu, sich in der Mischung zu „verklumpen“ und Probleme bei der Verarbeitbarkeit zu verursachen.

Fasern werden für die langfristige Haltbarkeit des Betons hinzugefügt. Glas und Polyester zersetzen sich im alkalischen Zustand des Betons und verschiedener Zusatzstoffe und Oberflächenbehandlung des Betons.

Die Tunnelauskleidung des High Speed 1-Tunnels enthielt Beton, der 1 kg/m3 oder mehr Polypropylenfasern mit einem Durchmesser von 18 & 32 μm enthielt, was die unten genannten Vorteile mit sich brachte. Die Zugabe von Polypropylenfasern mit feinem Durchmesser dient nicht nur der Verstärkung der Tunnelauskleidung, sondern verhindert auch das Abplatzen und die Beschädigung der Auskleidung im Falle eines unfallbedingten Brandes.