Auf den Flachs gekommen: Betonbewehrung mit Naturfasern

Damit Beton Zugkräfte aufnehmen kann, braucht es eine Bewehrung. Diese wurde in der Vergangenheit in der Regel mit Stahl realisiert. Im Zuge der Dekarbonisierung der Baubranche forscht die Wissenschaft hinsichtlich anderer Materialien wie Glasfasern oder Carbon. Das Fraunhofer WKI ist bei der Betonbewehrung auf den Flachs gekommen. Gemeinsam mit der Hochschule Biberach und dem Industriepartner Fabrino konnten die Forschenden nun nachweisen, dass Textilbetonteile mit einer Naturfaserbewehrung ein ausreichendes Verbund- und Zugtragverhalten für den Einsatz im Bau haben. Damit könnten künftig herkömmlich bewehrte Betonbauteile ersetzt und die Umweltbilanz des Bauwesens verbessert werden.

Aufgabe der Bewehrung

Alle Bauingenieure unter unseren Lesen können nun einfach zum nächsten Kapitel springen, denn die wissen natürlich, welche Aufgabe eine Bewehrung beim Beton übernimmt. Für alle anderen möchten wir es kurz in Erinnerung rufen. Hauptaufgabe der Bewehrung ist die Steigerung der Tragfähigkeit, denn Beton kann sehr hohe Druckkräfte aufnehmen, allerdings weniger hohe Zugkräfte. Eine Bewehrung wird aber auch zur Rissbreitenbeschränkung vorgenommen. Bis zu einer gewissen Größe sind Risse in Beton normal, sie dürfen aber nicht zu groß werden, um die Funktionsfähigkeit des Tragwerks nicht zu beeinträchtigen.

Um die Tragfähigkeit von Beton zu erhöhen, werden Materialien mit einer hohen Zugfestigkeit in den Beton eingelegt, in der Regel Stahl, es entsteht der sogenannte Stahlbeton. Aber auch mit Fasern aus Stahl, Glas oder Kunststoff lässt sich Beton bewehren. Neben diesem Faserbeton gibt es noch Textilbeton, dieser wird zum Beispiel mit textilem Gewebe aus alkaliresistentem Glas oder Carbon bewehrt. Beim sogenannten Carbonbeton kommen aber auch Stäbe aus Carbon zum Einsatz. Und demnächst eventuell auch Flachs oder andere Naturfaserbewehrungen, die eine hohe Zugfestigkeit besitzen.

Naturfasern als Alternative zu Glas oder Carbon möglich?

Wie gerade beschrieben, bieten sich synthetisch erzeugte Fasern aus Glas- oder Carbonfasern als Alternative zu einer Stahlbewehrung an. Das Forschungsprojekt des Fraunhofer WKI, der Hochschule Biberach und dem Industriepartner Fabrino beschäftigte sich mit der Frage, ob alternativ eine ökologische Bewehrung mit Naturfasern wie zum Beispiel Flachs möglich ist. Diese haben den Vorteil, dass sie vielerorts verfügbar sind und zudem nachwachsen. Außerdem haben Naturfaser Vorteile beim Recyclen und der Energiebedarf beim Herstellen ist geringer.

„Wir haben am Fraunhofer WKI mit einer Webmaschine Drehergewebe aus Flachsfasergarn hergestellt. Um die Nachhaltigkeit zu erhöhen, haben wir eine Behandlung der Flachsgarne zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verbundhaftung erprobt, die im Vergleich zu petrobasierten Behandlungen ökologisch vorteilhafter ist“, erläutert Jana Winkelmann, Projektleiterin am Fraunhofer WKI.

Die Forschenden haben für die Beschichtung der Flachsfasern ein gängiges petrobasiertes Epoxidharz durch eine zum Teil biobasierte Tränkung ersetzt. Über 50 Prozent der molekularen Struktur des verwendeten Epoxidharzes besteht aus Kohlenwasserstoffen pflanzlichen Ursprungs. So konnte die CO₂-Bilanz weiter verbessert werden.

Vorteile von textilen Bewehrungen

Textile Bewehrungen aus Glas oder Carbon werden bereits seit über 20 Jahren erforscht, längst wurden die ersten Bauwerke aus Textilbeton hergestellt. Dieser hat einige Vorteile gegenüber Stahlbeton. So ist eine textile Bewehrung zum Beispiel nicht korrosionsanfällig, so dass sich die Betondeckung auf ein Minimum reduzieren lässt. Bei Stahlbeton beträgt sie mehrere Zentimeter, bei Textilbeton wenige Millimeter. Das ermöglicht schlankere Bauteile bei gleicher Tragfähigkeit und weniger Betonverbrauch.

Oft hat eine textile Bewehrung eine höhere Tragfähigkeit als Bewehrungsstahl, bei einer Carbonbewehrung ist sie zum Beispiel sechsmal so hoch, dazu ist noch viermal leichter. Eine textile Bewehrung besitzt zudem eine hohe Flexibilität, was die Herstellung von verschiedenen Formen und Krümmungen ermöglicht. Textilbeton lässt sich zudem recht erfolgreich bei Sanierungen einsetzen – zum Beispiel für Brücken oder Fassaden.

Wie gut eignen sich Flachsfasern für die Bewehrung von Beton?

Forschende an der Hochschule Biberach testeten das Verbund- und Zugtragverhalten sowie das einachsige Biegetragverhalten von Betonbauteilen mit textiler Bewehrung aus Flachsfasern. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass sich eine Flachsfaserbewehrung grundsätzlich eignet. So war die Bruchlast im Vergleich zu unbewehrten und unterbewehrten Betonbauteilen signifikant erhöht.

Die Eignung zeigte sich zudem durch fein verteilte Rissbilder: Die Kurven der Spannungs­-Dehnungs­Diagramme konnten in drei für bewehrte Dehnkörper typische Bereiche unterteilt werden (Zustand I – ungerissen, Zustand IIa – Erstrissbildung und Zustand IIb – abgeschlossenes Rissbild). Die Abgrenzung der Bereiche ist mit zunehmendem Bewehrungsgrad deutlicher.

Wie geht es jetzt weiter?

Die bisherigen Forschungen haben gezeigt, dass sich ein mit Naturfasern bewehrter Beton durchaus für gewisse Bauanwendungen eignet. Sicher ist auf jeden Fall, dass er den CO₂-Fußabdruck der Bauindustrie verbessert. Diese ist generell sehr energie- und rohstoffintensiv. Die Verwendung von Flachfasern oder anderen Naturfasern würde dabei helfen, die zunehmend strengeren Umwelt- und Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen. Es lohnt sich daher, hier am Ball zu bleiben, die Forschenden sehen es genauso: „Textilbetone ermöglichen leichtere und schlankere Konstruktionen und bieten daher architektonische Spielräume. An den zahlreichen Einsatzmöglichkeiten von naturfaserbewehrten Textilbetonen möchten wir gern weiterforschen“, sagt Christina Haxter, Mitarbeiterin am Fraunhofer WKI.