Grundlagen und Anwendungen von Glasfaserbeton und textilbewehrtem Beton.

Ein Schritt, Betonbauteile noch dünner, schlanker, leichter, beständiger und ästhetischer konstruieren zu können, besteht in der Entwicklung des Glasfaserbetons.

Hochfeste, alkaliwiderstandsfähige AR-Glasfasern werden dem Beton, einer zementgebundenen Matrix mit Gesteinskörnung bis 2 mm als Bewehrung beigegeben. Homogen in der Matrix verteilt verhindern die Fasern schädliche Risse, sind bei entsprechender Dosierung statisch wirksam und nehmen schon bei relativ geringen Zugabemengen höchste Zugkräfte auf.

Die Schlankheit der Bauelemente ist möglich, weil Glasfasern nicht wie Stahl korrodieren und eine in Stahlbeton sehr exakt einzuhaltende Überdeckung der Bewehrung nicht erforderlich ist.

Technische Textilien: AR-Glasfaserprodukte

Glasfaserbeton ist ein Verbundwerkstoff aus einer speziell zusammengesetzten Feinbetonmatrix und zementverträglichen AR-Glasfasem.

Beton weist bekanntlich eine sehr hohe Druckfestigkeit auf, AR-Glasfasern hingegen verfügen über hohe Zugfestigkeiten, vergleichbar mit Werten im Bereich von Stahl.

Im Verbund dieser beiden Stoffe entsteht ein Werkstoff, der die jeweiligen positiven Eigenschaften der Einzelkomponenten zu einem gewünschten Ergebnis vereint.

Durch Variation und Dosierung des Zementes kann u. a. die Druckfestigkeit und durch die Zugabemenge der Fasern die Biegezug- und Schlagfestigkeit gezielt gesteuert werden.

Seit Mitte der 80er-Jahre sind Produkte auf dem Markt, die nicht nur mit Kurzfasern bewehrt sind, Armierungsmatten und ungeschnittene Rovings aus AR-Glas ergänzen oder übernehmen die gesamte Bewehrung.

Zusätzlich kamen textile Flächenprodukte wie Gittergewebe, Gelege und Gewirke dazu. Seitdem taucht neben Glasfaserbeton (GFB) auch der Begriff "Textilbewehrter Beton" (TBB) oder "Textilbeton" auf. Die Bezeichnung "Glasfaserbeton" (GFB) ist umfassender, da die bisher eingesetzten textilen Flächenprodukte aus AR-Glasfasern hergestellt sind und außerdem technische Textilien in der Regel in Verbindung mit Kurzfasern eingesetzt werden.

ZEMENTGEBUNDENE MATRIX

Mindestens 95 % Gewichtsanteile des Verbundwerkstoffes entfallen auf die zementgebundene Matrix.

Sie verleiht dem Produkt eine hohe Druckfestigkeit und gewährleistet außerdem einen hohen Nutzungsgrad der Faserbewehrung, indem sie durch einen kraftschlüssigen Verbund mit den AR-Glasfasern auftretende Zugkräfte an diese weiterleitet und im Verbund abbaut.

Die wesentlichen Komponenten einer Matrix für GFB/TBB sind: Bindemittel, Zuschlag (Größtkorn 2 mm mit stetiger Sieblinie), Zusatzmittel (Luftporenbildner, Verflüssiger), Wasser (w/z-Wert zwischen 0,35 und 0,50). Das Mischungsverhältnis Bindemittel : Zuschlag reicht von 1:0,3 bis 1:2 je nach Produkt und Herstellverfahren.

Ein erhöhter Zuschlaganteil wirkt sich positiv auf die Wasseraufnahme, das Schwindverhalten und letztlich auch auf die Materialkosten aus. Andererseits erschwert ein erhöhter Zuschlaganteil das Einarbeiten der Fasern. Durch Verwendung von Zuschlag mit einem geeigneten Kornaufbau und der Zugabe von Fließmitteln kann die Verarbeitbarkeit optimiert werden. Als besonders wirksam haben sich Verflüssiger der neuen Generation aus Polycarboxilat erwiesen.

Fassade aus Glasfaserbeton in Mettmann

Der w/z-Wert liegt je nach Herstellverfahren und Anwendung zwischen 0,35 bis 0,5, sollte aber, um das Schwinden einzugrenzen, möglichst gering gehalten werden — üblich sind w/z- Werte von 0.4.

Glasfaserbeton wird i. d. R. zur Herstellung filigraner Bauteile mit Wandstärken zwischen 5 mm und 30 mm verwendet. Sie weisen eine im Vergleich zum Volumen große Oberfläche auf, über die bereits direkt nach der Herstellung Wasser verdunsten kann, das für den Erhärtungsprozess notwendig ist. Der daraus resultierende Festigkeitsverlust muss durch eine sorgfältige Nachbehandlung vermieden werden.

BEWEHRUNG MIT
AR-GLASFASERN

Für GFB/TBB, im allgemeinen als Glasfaserbeton / Textil Bewehrter Beton bezeichnet, werden alkaliwiderstandsfähige
AR-Glasfasern verwendet. Deren besondere Zementverträglichkeit
wird durch eine spezielle Zusammensetzung der Rohstoffe erreicht.

Stadtvilla in Kassel mit modularen Elementen aus Glasfaserbeton

Die sorgfältige Auswahl definierter und exakt dosierter Ausgangsstoffe
in der Glasschmelze garantiert die Widerstandsfähigkeit der Fasern gegenüber dem Alkaliangriff des Zementes.

AR-Glasfasern werden aus einer Schmelze in einem Düsenziehverfahren zu Filamenten
mit einen konstanten Durchmesser
im Bereich von 13 bis 20 µm abgezogen, zu einem Spinnfaden zusammen gefasst und auf einen Spinnkuchen bzw. Roving gewickelt. Derartig hergestellte Fasern werden wegen des textilen Verfahrens als „Textilfasern” bezeichnet.

Die einzelnen zu einem Spinnfaden zusammengefassten Filamente werden entweder zu einem Roving weiterverarbeitet oder zu sogenannten "Kurzfasern" geschnitten.

Ein Roving besteht in der Regel aus 32 oder 64 Spinnfäden mit jeweils etwa 100 Einzelfilamenten. AR-Glasfasern werden in unterschiedlicher Form als
Bewehrung in der zementgebundenen Matrix verwendet: als geschnittene Kurzfaser, ungeschnittener Roving oder weiterverarbeitet zu textilen Flächenprodukten.

Die Rovings werden entweder bereits im Herstellwerk oder später beim Faserbetonproduzenten während des Fertigungsprozesses zu Kurzfasern geschnitten.

Werden die Fasern bereits im Mischer der Matrix zugegeben (Mixbeton), finden Längen von 6 bis 24 mm Längen Anwendung. Beim Spritzprozess werden die AR-Glasfaser-Rovings in einem im Spritzkopf befindlichen Schneidwerk in Längen zwischen 12 und 50 mm geschnitten.

Bauteile, die besonders in einer Richtung belastet werden, können am einfachsten und wirtschaftlichsten mit ungeschnittenen AR-Glasfaser-Rovings bewehrt werden. Entweder finden vorkonfektionierte Gelege Anwendung oder die AR-Glasfasern werden direkt von den Roving-Spulen parallel in das Bauteil eingeführt.

Als Beispiel, dass sich über Jahrzehnte bewährt hat, ist die (begehbare) Wellplatte aus Glasfaserbeton zu erwähnen.

Zwei Sonderforschungsbereiche an der RWTH Aachen befassen sich mit dem Einsatz von Textilien aus AR-Glasfasergarnen als Bewehrungsmaterial für Beton. Technische Textilien, beispielsweise Gelege, Geflechte, Gewebe oder Gewirke wurden entwickelt und erprobt.

Diese Textilien sind in der Regel flächige zweidimensionale Gebilde. Neuere Entwicklungen in der Textiltechnik erlauben auch die Herstellung dreidimensionaler Textilien, so dass bereits bei der Fertigung der Textilien produktspezifische Parameter der später herzustellenden Faserbetonprodukte berücksichtigt werden können.

Beispiele dafür sind "Schläuche" für Rohre oder Abstandsgewebe für Sandwich-Konstruktionen, auch Gittergewebe mit verbesserter Verstärkung durch Erhöhung des Glasquerschnittes in der Hauptbelastungsrichtung gehören erwähnt.

Technische Textilien ermöglichen auf einfache Weise, stark auf Zug beanspruchte Zonen der Bauelemente gezielt zu verstärken, beispielsweise kann in Bauteilen von nur 10 bis 20 mm Dicke die Bewehrung als Sandwichkonstruktion jeweils außen angeordnet ausgebildet werden.

Die Verwendung geeigneter Kurzfasern ist auch beim Einsatz positionierter und orientierter Flächenprodukte vorteilhaft, verteilen sie die Bewehrungsfunktion doch über den gesamten Querschnitt.

HERSTELLUNGSVERFAHREN

Charakteristisch für das jeweilige Herstellungsverfahren ist der Vorgang der Zusammenführung von Matrix und Bewehrungskomponente, die aus Kurzfasern, Rovings, oder textilen Flächengebilden und Kombinationen derselben gebildet werden kann.

Kleinserien werden im Mixbeton- oder Spritzbetonverfahren manuell gefertigt. Wirtschaftlich relevanter sind Fertigungsverfahren, die eine Produktion in großer Stückzahl weitgehend automatisch und günstiger in reproduzierbarer, hoher Qualität erlauben.

Am bisher effektivsten erweisen sich LPE-(Low-Pressure-Extrusion-Process) Verfahren, bei dem die Matrix mit Hilfe eines Extruders in gleichmäßiger Materialstärke über die gesamte Elementbreite aufgetragen wird. Die Bewehrung wird bereits der Matrix in Form von Kurzfasern beigemischt oder in einem nachgeschalteten Arbeitsgang in die faserfreie

Mit AR-Glaserfasern armierte Küchenmöbel aus Beton

Matrix eingedrückt. Die tragende Bewehrung erfolgt zusätzlich mit ungeschnittenen Fasersträngen, den sogenannten Rovings oder mit technischen Textilien.

Für die Fertigung von Formteilen in großer Stückzahl ist die Injektionstechnik geeignet, die auch bei faserverstärkten Kunststoffen Anwendungen findet. Eine Mischung aus Zement, Zuschlag, Bewehrungsfasern, Zusatzmitteln und Wasser wird in eine zweiteilige Form injiziert (Injection Moulding) und anschließend unter Druck entwässert. Das daraufhin grünstandsfeste Faserbetonbauteil wird aus der Form gehoben und zum Erhärten in einer Stützschalung abgelegt. Auf diese Weise können auch komplizierte Formteile hergestellt werden. Das Einlegen verstärkender Textilien ist auch bei diesem Verfahren möglich.

ANWENDUNGEN

Glasfaserbeton/Textilbewehrter Beton ist in der Regel ein mit hochfesten AR-Glasfasem bewehrter Feinbeton.

Die Bewehrung ist überkritisch, das heißt: ein GFB-Bauteil kann nach Erreichen der Matrixfestigkeit entsprechend dem Fasergehalt und dem Aktivierungsgrad der Bewehrung weiter Spannungen in erheblichem Maße aufnehmen.

Glasfaserbeton hat sich weltweit als innovativer Baustoff durchgesetzt.

In Deutschland hatten sich die Anwendungen zunächst auf Bauteile ohne Zulassungspflicht beschränkt. Die Genehmigungsverfahren sind mit Kosten und einem gewissen Zeitaufwand verbunden. Daher wichen die Hersteller glasfaserverstärkter Bauelemente in Deutschland zunächst auf Produkte aus, für die keine Genehmigungspflicht durch die Bauaufsicht bestand.

Inzwischen wurden mehrere Zulassungen für Flachplatten verschiedenster Anwendungsbereiche wie beispielsweise Fassaden, Brüstungen und Wärmedämmelemente sowie eine stetig zunehmende Anzahl von Zustimmungen im Einzelfall erteilt.

Bauteile mit einer Bewehrung aus AR-Glasfasern weisen
bei relativ geringen Wandstärken hohe Festigkeiten auf, so das die Vorteile gegenüber Elementen aus Stahlbeton bei geringeren Gewichten, höheren Biegezugfestigkeiten, einer enormen Schlagzähigkeit und beeindruckender Dauerhaftigkeit, gepaart mit Rissfreiheit und Ästhetik liegen.

Die Palette der Anwendungen reicht weit; von Bauelementen für den Hochbau, beispielsweise GFB-Fassaden, Dachplatten, Fensterbänken, integrierten Schalungen und sogar tragenden Brückenteilen über Produkte für den Tief-, Umwelt- und Landschaftsbau bis hin zu Dekorelementen und künstlerisch gestalteten Objekten, die in dieser Aufzählung auch erwähnt sein sollen.

Der Verbundwerkstoff Glasfaserbeton/Textilbewehrter Beton ist ein Baustoff der Zukunft und beinhaltet ein sehr großes Innovationspotenzial.

Stelen aus Glasfaserbeton vor dem Neandertalmuseum