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Mittwoch, 24. Januar 2018

Materialforschung

Konkurrenz für den wichtigsten Baustoff der Welt

Von Manfred Schulze | 26. Oktober 2017 | Ausgabe 43

Bewehrung aus Carbon soll Stahlbeton in vielen Bereichen des Baus ablösen, wenn es nach einem Team der TU Dresden geht. Sogar Wertschöpfung könnte nach Europa zurückgeholt werden.

BU1 Carbonbeton
Foto: Sven Hofmann, TU Dresden, Institut für Massivbau

Im Labor: Mehrere Arbeiter betonieren an der TU Dresden eine Carbonbetonplatte. Vorne ist die Carbonmatte sichtbar.

Foto: M. Schulze

Abschnitte eines Doppel-T-Trägers einmal aus Stahlbeton, einmal aus Carbonbeton. Die Tragkraft ist vergleichbar, aber letzterer wiegt die Hälfte.

Zwei etwa 1 m lange Träger aus Beton liegen symbolisch vor einem Labor der TU Dresden. Sie unterscheiden sich vor allem hinsichtlich ihrer Materialstärke: Neben einem herkömmlichen Bauteil mit Stahlbewehrung, wie es für Decken oder Brücken heute Standard ist, ist die wesentlich schlankere Struktur des zweiten Bauteils augenscheinlich. Beide sind ähnlich tragfähig. Da purer Beton Zugkräfte nicht gut verkraftet, muss ein zweites Material diese aufnehmen. In der Regel ist das Stahl, beim schlanken Teil ist es eine Carbonfasereinlage.

Das Potenzial von Carbonbeton

Erste Testbrücken für Fußgänger sind bereits gebaut. Im Otto-Mohr-Laboratorium der TU laufen noch die nächsten drei Jahre die Fäden des C3-Forschungsprogramms zusammen, an dessen Ende eine allgemeine Zulassung – und damit eine verbindliche Normierung – für den Einsatz von Carbonbeton stehen soll.

Testbauwerke sind bisher nur mit einer aufwendigen „Zustimmung im Einzelfall“ möglich. Für Manfred Curbach, Leiter des Instituts für Massivbau an der TU Dresden, käme die angestrebte Normierung einem „Paradigmenwechsel im Bauwesen weltweit“ gleich. Denn der Einsatz von Carbonbeton spare je nach Einsatzzweck 50 % und mehr an Beton ein – und damit enorme Energiemengen. Zugleich würden völlig neue, schlankere Gebäudeformen möglich. „Zwar gibt es Anwendungen, bei denen es auf eine große Masse ankommt, wie bei Fundamenten, aber tragende Teile, etwa einer Brücke, können wir mindestens um die Hälfte, in einzelnen Bereichen um bis zu 80 % schlanker machen“, sagt Curbach.

Foto: Ansgar Pudenz

„Dünnere Wände bedeuten mehr Nutzfläche und die kostet in den Ballungsräumen mehrere Tausend Euro pro Quadratmeter.“ Manfred Curbach, Professor für Massivbau an der TU Dresden.

Die bisher gebräuchliche Stahlarmierung sei nur auf den ersten Blick billiger als eine Carbonmatte. „Baustahl definiert durch seine Korrosion die Lebensdauer von Bauwerken, deshalb muss durch eine sehr starke Überdeckung mit Beton die Lebensdauer erkauft werden“, erklärt er. Carbon sei zwar deutlich teurer pro Gewichtseinheit (s. Kasten), aber man benötige relativ wenig des leichten Materials. Neben der längeren Lebensdauer sinke vor allem der Betonverbrauch – und somit die Transportkosten. Auch das Raumangebot in Gebäuden steige: „Dünnere Wände bedeuten mehr Nutzfläche, und die kostet in den Ballungsräumen mehrere Tausend Euro je Quadratmeter“, argumentiert Curbach.

Im Otto-Mohr-Laboratorium stellen zwei Mitarbeiter eine etwa 1 cm dicke Probeplatte mit Feinbeton und einer feinmaschigen Carboneinlage her, die anschließend in Segmente zersägt und in einem Nachbargebäude auf Zugkraft getestet wird. Die Mitarbeiter beobachten stetig anwachsenden Kurven für die Kräfte, die die Maschine auf den dünnen Betonstreifen wirken lässt, bis die Fasern letztlich reißen. „Mindestens fünf Dehnkörpertests und fünf Auszugsversuche in Kettenrichtung brauchen wir für eine Messreihe“, sagt Robert Zobel, wissenschaftlicher Mitarbeiter. Auch das Fließverhalten der Betonmischung, die Temperaturbeständigkeit der Bewehrung und verschiedene Gewebestärken prüfe man.

Während bei Stahlbeton aufgrund der großen Maschenbreite der Bewehrung als Zuschlagstoffe grobkörniger Kies eingesetzt werden kann, besitzen die bisher getesteten Carbonmatten eine Maschenweite von nur wenigen Zentimetern. Beim Gießen des Betons auf einer Baustelle würden die Matten aus ihrer Lage gedrückt werden oder die Steine die Durchlässe blockieren. „Wir müssen daher feinere Zuschlagstoffe wie Kraftwerksasche verwenden“, sagt Marko Butler, der die Eigenschaften frisch gemischten Betons untersucht. Wichtig für die Beständigkeit ist laut dem Arbeitsgruppenleiter auch die Porengröße nach dem Aushärten. Viele fein gemahlene Zuschlagstoffe treiben aber den Preis des Carbonbetons nach oben. „Wir müssen daher einen guten Kompromiss finden“, so Butler.

Vor allem die Griffigkeit zwischen Beton und Carbonfaser scheint derzeit problematisch zu sein. „Die Faser ist sehr glatt und reaktionsträge, sie geht praktisch keinerlei Verbindung mit dem Beton ein“, sagt der Bauingenieur. Während man bei Baustahl diese Verbindung mit einer gewalzten Riffelung der Oberfläche erhält, bieten die Carbongeflechte einen solchen Halt durch die Einbettung in ein Kunststoffharz.

Diese Epoxidharze werden bei Temperaturen von mehr als 100 °C weich, auch wenn die Fasern unter Luftabschluss nicht brennen können. Und ohne diese Bindung, die die Oberflächen der Gewebestränge erst strukturiert, verlieren die Fasern, deren Oberfläche äußerst reaktionsunwillig sind, ihren Halt im Beton. „Wir experimentieren daher auch in ganz andere Richtungen, zum Beispiel mit mechanisch profilierten Carbonstäben oder mit Fasern, die statt mit Harz mit einem mineralischen Auftrag beschichtet werden“, sagt Ingenieur Butler.

 Stahl büßt erst ab 400 °C seine stabilisierende Wirkung ein, doch es gibt auch keramische Beschichtungen für Carbonfasern, die auch bei extremer Hitze im Brandfall beständig sind. Diese sind jedoch sehr teuer, damit wirtschaftlich noch nicht einsetzbar.

Curbach sieht im Problem mit der Hitzebeständigkeit keine unüberwindbaren Schranken: „Für die meisten Anwendungen, auch zur Verstärkung bestehender Bauwerke, können die Harzbeschichtungen verwendet werden, die bis etwa 100 °C beständig sind und den Brandwiderstand für 60 min oder 90 min gewährleisten.“ Für Fassadenplatten, Sandwichelemente, Brücken und Fertigteilgaragen reiche das vollkommen.

Preiswertere, mineralische Beschichtungen werden aktuell in Dresden untersucht. Sollten Baukonstruktionen aus Carbonbeton selbst im Brandfall tragfähig bleiben, kann zudem mit bekannten Brandschutzmaßnahmen gearbeitet werden.

 Baustahl werde aktuell weitgehend importiert, sagt Curbach, während Carbonmatten zumindest teilweise auch hier gefertigt würden. Dies könnte die Wertschöpfungskette spürbar nach Europa und auch Deutschland verlagern, ist er überzeugt. Spätestens in drei Jahren, wenn das C3-Projekt abgeschlossen und auch in Dresden ein Demonstrationsgebäude errichtet sein soll, werde man das Projekt massentauglich haben.kur

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