FASERN IM BETONFaserarten und Anwendungsmöglichkeiten
Dipl.-Ing. Roland MellwitzDipl.-Ing. Kai Fischer
Schwenk Betonseminar 2019 Heidenheim/Leipzig/Schweinfurt
� Fasern verhindern keine Risse im Beton!• Fasern werden vielmehr erst im Falle einer
Rissbildung statisch aktiv (Zustand II)
FASERN IM BETON
Gleich vorab ...
� Was Fasern können: (falls richtig bemessen)• Rissbreiten begrenzen• Risse gleichmäßig und fein verteilen• bieten weitere technische Vorteile• ...
FASERN IM BETONWESENTLICHE ANWENDUNGSGEBIETE
� Stahlfaserbeton• Statisch tragende Bauteile
Ersatz oder Teilersatz von Stabstahlbewehrung→ "Kombibewehrung"
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 3
FASERN IM BETONWESENTLICHE ANWENDUNGSGEBIETE
� Stahlfaserbeton• Statisch tragende Bauteile
Ersatz oder Teilersatz von Stabstahlbewehrung→ "Kombibewehrung"
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 4
• Industriefußböden (Flächen mit großem Fugenabstand, fugenlos)• Verbesserung der Schlag- und Stoßzähigkeit
(z.B. Schrottplatz, Containerumschlag)• Reduzierung der Rissweiten bei FD-Bauteilen• Erhöhung der äquivalenten Biegezugfestigkeit
FASERN IM BETONWESENTLICHE ANWENDUNGSGEBIETE
� Kunststofffaserbeton• Frühschwindrissreduzierung (Estriche und Betonböden)• Verbesserung der Brandwiderstands in Tunnelbauwerken
(weniger Betonabplatzungen)• Erhöhung der äquivalenten Biegezugfestigkeit
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 5
• Erhöhung der äquivalenten Biegezugfestigkeit
� Carbonfaserbeton• dünnwandige und leichte Betonkonstruktionen• elektrisch leitfähige Betone (Ableitfläche oder auch Heizfläche)• Erhöhung der äquivalenten Biegezugfestigkeit
� DAfStb-Richtlinie "Stahlfaserbeton" 2012-11 Stahlfaserbeton - Ergänzungen und Änderungen zu DIN EN 1992-1-1 in Verbindung mit DIN EN 1992-1-1/NA, DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2 und DIN EN 13670 in Verbindung mit DIN 1045-3- Teil 1: Bemessung und Konstruktion- Teil 2: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität
FASERN IM BETONNORMEN UND RICHTLINIEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 6
- Teil 2: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität- Teil 3: Hinweise für die Ausführung
� DBV-Merkblatt "Industrieböden aus Stahlfaserbeton" 2013-07 Besonderheiten bei Bemessung und Konstruktion, Herstellung und Ausführung
� DIN EN 14889-1:2006-11 Fasern für Beton - Teil 1: Stahlfasern - Begriffe, Festlegungen und Konformität
� DIN EN 14889-2:2006-11
FASERN IM BETONNORMEN UND RICHTLINIEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 7
� DIN EN 14889-2:2006-11Fasern für Beton - Teil 2: Polymerfasern - Begriffe, Festlegungen und Konformität
Makro-Stahlfasern
FASERN IM BETONFASERARTEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 8
Micro-StahlfasernØ ≤ 0,2 mmL ≤ 20 mm
FASERN IM BETONFASERARTEN
L ≤ 20 mm
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 9
AR-Glasfasern(alkaliresistent)
FASERN IM BETONFASERARTEN
www.dalhoff.de
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 10
FASERN IM BETONFASERARTEN
Glasfasern im alkalischen Milieu
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 11
Soda-Zirkon-Glas (AR-Glas) enthält ca. 20% Zirkonoxid
Borosilikatglas (E-Glas) oderNatron-Kalk-Glas (A-Glas)
Kunststofffasern (Polymere) � Polypropylen (PP Fasern) � Polyaramid (PPTA-Fasern) z.B.: Kevlar � Polyacrylnitril (PAN-Fasern) z.B.: Dolanit; � Polyvinylalkohol (PVOH-Fasern) z.B.: Kuralon
FASERN IM BETONFASERARTEN
� Polyvinylalkohol (PVOH-Fasern) z.B.: Kuralon
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 12
Kohlenstofffasern(Verkohlung von Viskose oder
Polyvinylacryl-Fasern)
� Carbonfasern� Graphitfasern
FASERN IM BETONFASERARTEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 13
menschliches Haar (weiß), Carbonfaser (schwarz)
Wikipedia
FASERN IM BETONÜBERBLICK FASEREIGENSCHAFTEN - RICHTWERTE
Material Dichte Typischer Zugfestigkeit E-Modul Bruch- Haftzug BeständigkeitDurchmesser dehnung im im
g/cm³ µm kN/mm² kN/mm² % Zementstein ZementsteinGlas E-Glas 2,6 8-15 2-3,5 175 2-3,5 gut schlecht
CEM-FIL (AR-Glas) 2,7 10-15 1,8-3,0 75 2-3 gut weitgehend best.Stahl normal 7,85 150-1000 0,3-2,5 200-210 3-4 mäßig beständig
ggf. auch flachnichtrostend 80-1000 2,1 160-170 3 schlecht sehr gut
Kunststoff Polypropylenfadenförmig 0,9 >4 (>20) 0,4-0,7 1-8 20 schlecht gut
Eigenschaften ausgewählter Fasern im Vergleich zur Faserbetonmatrix
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 14
fadenförmig 0,9 >4 (>20) 0,4-0,7 1-8 20 schlecht gutfibrilliert 0,9 >4 0,5-0,75 5-18 5-15 gut gutKEVLAR 49 1) 1,45 10 2,8-3,6 130 2 - -KEVLAR 29 1,45 10 2,8-3,6 65 4 schlecht bedingt best.
Polyacrylnitril 1,17 13-100 0,85-0,95 16,5-19 10 gut gut(DOLANIT)
Polyvinylalkohol 1,31 ≥12 1,6 30 6 gut gut(KURALON)
Kohlenstoff Typ 1 (hoher E-Modul) 2,0 5-10 1,4-2,1 380-450 0,4-0,5 schlecht gutTyp 2 (hohe Festigkeit) 1,7 bis 8 2,5-3,2 250-320 bis 1 schlecht gut
Naturfaser Sisal 1,5 8-50 0,85 - 3 - -Hanf 1,5 15-50 0,40 - 2 - -
Matrix Zementstein 2,0 - bis 0,008 2) 7-28 0,03-0,06 - -Mörtel 2,3 - bis 0,006 2) 20-45 0,015 - -
Beton 2,4 - bis 0,004 2) 20-45 0,01 - -
1) Cyclisches Polyamid Quelle: Prof.Dr. Thienel, Universität der Bundeswehr München2) grobe Anhaltswerte Skript "Faserbeton" Seite 17, Tab 2; Frühlingstrimester 2018
1%3% Industriebau
Wohnungsbau
Tiefbau
FASERN IM BETONSTAHLFASERN - ANWENDUNGSGEBIETE
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 15
70%
16%
10%Tiefbau
Fertigteile
Tresorbau
FASERN IM BETONSTAHLFASERN - ARTEN UND EIGENSCHAFTEN
geradeverklebt
Stahlfaserarten
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 16
endverankert
gewelltgefräst
FASERN IM BETONSTAHLFASERN
� Länge� Durchmesser
Welche Stahlfaser ist die Richtige ?
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 17
� Durchmesser� Draht oder Blechstreifen� gerade, endverankert, gewellt� Oberfläche glatt, rau, profiliert� normal-, mittel oder hochfest� Stahl, Edelstahl, vermessingt
FASERN IM BETONSTAHLFASERN - AUSWAHLKRITERIEN
1. Verhältnis Länge / Durchmesser (Schlankheit λ)
Schlankheit λ ≤ 60 Grenze für Verarbeitbarkeit ohne besondere Maßnahmen
Einbindelänge der Faser begünstigt die rissüberbrückende Wirkung
λ = 38 λ = 48 λ = 58 λ = 80
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 18
λ = 38 λ = 48 λ = 58 λ = 80
λ = 63 λ = 43 λ = 33
1. Verhältnis Länge / Durchmesser2. Form: gerade, endverankert, gewellt3. Oberflächenbeschaffenheit: glatt, rau, profiliert
� beeinflusst Faserauszugverhaltenaus der Betonmatrix
FASERN IM BETONSTAHLFASERN - AUSWAHLKRITERIEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 19
aus der Betonmatrix� Einfluss auf Wasseranspruch
(Konsistenz/FM-Verbrauch)� Einfluss auf Tragfähigkeit
(Leistungsklasse L1 und L2)
1. Verhältnis Länge / Durchmesser2. Form: gerade, endverankert, gewellt3. Oberflächenbeschaffenheit: glatt, rau, profiliert4. Zugfestigkeit des Stahls (nur bei höherfesten Beton relevant)
� beeinflusst Faserauszugverhalten aus Betonmatrix
FASERN IM BETONSTAHLFASERN - AUSWAHLKRITERIEN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 20
� Stahlfaser-Zugfestigkeiten normalfest 1000 - 1300 N/mm²mittelfest 1300 - 1800 N/mm²hochfest 1800 - 2500 N/mm²
� beeinflusst Faserauszugverhalten aus Betonmatrix
� Faser-Zugfestigkeit und Betonfestigkeit müssen aufeinander abgestimmt werden(bis C35/45 mit Faser-Zugfestigkeit 1100 N/mm² möglich)
LEISTUNGSPARAMETER
Betonzusammensetzung: 1. Biegezugfestigkeit
� Eine Optimierung der Null-
FASERN IM BETON
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 21
Biegezugfestigkeit ermöglicht eine Reduzierung der Fasermenge.
� Je höher die Null-Biegezugfestigkeit (Beton ohne Fasern), desto höher die äquivalente Biegezugfestigkeit.
LEISTUNGSPARAMETER
Betonzusammensetzung: 1. Biegezugfestigkeit2. Druckfestigkeit
FASERN IM BETON
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 22
� Je höher die Druckfestigkeit des Betons, desto besser werden die Fasern eingebunden.
� Die poröse Schicht und die Calciumhydroxidschicht kann durch Mikrosilika minimiert werden.
� Je höher die Druckfestigkeit des Betons, desto spröder das Bruchverhalten.
� Das duktile Verhalten wird durch Fasern verbessert.
FASERN IM BETONLEISTUNGSPARAMETER
Betonzusammensetzung: 1. Biegezugfestigkeit2. Druckfestigkeit3. Größtkorn4. Frischbetoneigenschaften5. ausreichend Feinanteile
� je kleiner das Größtkorn, desto besser die Faserverteilung� deutlicher Konsistenzrückgang durch Zugabe von Fasern� Konsistenz und Betoneinbau beeinflussen die Faserorientierung� Feinanteile beeinflussen die Verbundwirkung (Faser/Beton)� Fasern können den Luftporengehalt im Beton verändern� Grünstandsfestigkeit wird verbessert� Sedimentations- und Blutneigung sollte beachtet werden
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 23
5. ausreichend Feinanteile
FASERN IM BETONPRÜFUNG DER ÄQUIVALENTEN BIEGEZUGFESTIGKEIT
20
25
30K
raft
[kN
]
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 24
0
5
10
15
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Kra
ft [k
N]
Verformung [mm]
L2 = Tragfähigkeit / Gebrauchstauglichkeitbei Verwendung von Betonstahlbewehrung
L1 = Gebrauchstauglichkeit
FASERN IM BETONPRÜFUNG DER ÄQUIVALENTEN BIEGEZUGFESTIGKEIT
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 25
FASERN IM BETON
� Gefahr bei Flächen aus Stahlfaserbeton• Fertigteile für Kindergärten, Tankstellen ↔ Fahrradreifen
� Pumpen von (Stahl-)Faserbeton• ausreichender Leimgehalt erforderlich• (Grenze bei rd. 80 kg/m3; Stahlfaser 75/50)• Problem: Gitter am Aufgabetrichter der Betonpumpe
HINWEISE FÜR DIE PRAXIS
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 26
• Problem: Gitter am Aufgabetrichter der Betonpumpe
• Pumpversuch bei Fasergehalt > 40 kg/m3
� Luftgehalt prüfen• Klebstoff bei Stahlfasern bzw. Schlichte bei PP-Fasern führt
ggf. zu Schaumbildung
� Bestimmung der Blutwassermenge• Eimerversuch nach DBV-Merkblatt bei PP-Fasern nicht zielführend• besser: Filterpresse; bildet hydrostatischen Druck im Versuch ab
FASERN IM BETON
� Lieferung von Stahlfaserbeton mit Leistungsklasse• Leistungsklasse ≤ L2,4/2,4 nach Richtlinie, darüber hinaus ist eine
abZ erforderlich• Angabe der Leistungsklasse auf dem Lieferschein• Beispiel: C30/37 – L1,2/0,9 – XC1 – WO• Überwachung: ÜK 1: ≤ L1-1,2
HINWEISE FÜR DIE PRAXIS
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 27
• Überwachung: ÜK 1: ≤ L1-1,2ÜK 2: > L1-1,2
� Zugabe von Fasern auf der Baustelle• Gefahrenübergang, Gewährleistung nur für Grundbeton• Mischzeit: > 5 Minuten bzw. 1 min/m3 Trommelinhalt
(ggf. auch länger !!!)
FASERN IM BETONDOSIERUNG VON FASERN IM WERK
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 28
� Rüttelrinne� Förderband� händisch
FASERN IM BETONDOSIERUNG VON STAHLFASERN AUF DER BAUSTELLE
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 29
� Förderband� Luftstromförderung
FASERN IM BETON
Probenahme für den Auswaschversuch nach DAfStB-Richtlinie"Stahlfaserbeton"
PRÜFUNG UND NACHWEIS DER STAHLFASERMENGE
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 30
Teilprobe 3
drittes Drittel der
Fahrmischerladung
Teilprobe 2
zweites Drittel der
Fahrmischerladung
Teilprobe 1
erstes Drittel der
Fahrmischerladung
"Stahlfaserbeton"
FASERN IM BETONPRÜFUNG UND NACHWEIS DER STAHLFASERMENGE
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 31
FASERN IM BETONFASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL BETONKREISVERKEHR
� C30/37, CEM I 42,5 N (sd)� 10 kg/m3 AR-Glasfasern 67/36
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 32
FASERN IM BETONFASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL BETONKREISVERKEHR
� 10 kg/m3 AR-Glasfasern 67/36� Erhöhung der Biegezugfestigkeit um rd. 18 %
Faserbetonfct = 5,5 N/mm2
Nullbetonfct = 4,6 N/mm2
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 33
fct = 5,5 N/mm2 fct = 4,6 N/mm2
FASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL BETONKREISVERKEHR
� 10 kg/m3 AR-Glasfasern 67/36� leichte Erhöhung der Abwitterungsmenge im CDF-Versuch
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 34
Nullbeton= 210 g/m2
Faserbeton= 500 g/m2
FASERN IM BETONKENNWERTE VON PP-BRANDSCHUTZ-FASERN
Wieviel Einzelfasern enthält
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 35
Einzelfasern enthält ein KilogrammPP-Fasern ?
FASERN IM BETONKENNWERTE VON PP-BRANDSCHUTZ-FASERN
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 36
FASERN IM BETONBEISPIEL BRANDSCHUTZBETON IM TUNNEL NACH ZTV-INGEXPOSITIONSKLASSEN XC4, XD2, XF2, XA2
Festigkeitsklasse C35/45 (nach 56 Tagen)
Konsistenzklasse F5
CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R-AZ 360 kg/m³
Flugasche 115 kg/m³
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 37
w/zäq-Wert 0,48
Sand 0/2 mm 649 kg/m³
Kies 2/8 mm 398 kg/m³
Kies 8/16 mm 563 kg/m³
BV/FM 1,20 M.-% v. Z.
Polypropylenfaser 20/6 2,0 kg/m³
Leimgehalt (ohne Feinstsand) 355 Liter
FASERN IM BETONBEISPIEL BRANDSCHUTZBETON IM TUNNEL NACH ZTV-INGEXPOSITIONSKLASSEN XC4, XD2, XF2, XA2
Festigkeitsklasse C35/45 (nach 56 Tagen)
Konsistenzklasse F3
CEM III/A 42,5 N 380 kg/m³
Kalksteinmehl 70 kg/m³
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 38
w/z-Wert 0,49
Sand 0/2 mm 629 kg/m³
Kies 2/8 mm 202 kg/m³
Kies 8/16 mm 421 kg/m³
Kies 16/32 mm 418 kg/m³
BV/FM 1,30 M.-% v. Z.
Polypropylenfaser 20/6 2,0 kg/m³
Leimgehalt (ohne Feinstsand) 335 Liter
FASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL TÜBBINGE - BRANDSCHUTZBETON
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 39
Erhöhung des Brandwiderstands durch Zugabe von PP-Fasern→ betontechnologische Herausforderungen� Rheologie� Sichtbetonklasse ↔ Wasserläufer� Erhöhung Luftgehalt� erhöhter Leimgehalt notwendig: ggf. Schwinden + Kriechen beachten!
FASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL TÜBBINGE - BRANDSCHUTZBETON
Festigkeitsklasse C50/60
Konsistenzklasse F2
CEM I 52,5 N (ft) 320 kg/m³
Flugasche 80 kg/m³
w/zäq-Wert 0,41
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 40
Sand 0/2 mm 640 kg/m³
Kies 2/8 mm 301 kg/m³
Kies 8/16 mm 471 kg/m³
Kalksteinsplitt 8/16 mm 471 kg/m³
FM 1,0 M.-% v. Z.
Polypropylenfaser 15/6 1,2 kg/m³
Leimgehalt (ohne Feinstsand) 283 Liter
FASERN IM BETONBEISPIEL STAHLFASERSPRITZBETON FÜR ABDICHTUNGS-BAUWERKE UND VORTRIEBSSICHERUNG IM TUNNELBAU (S 21)EXPOSITIONSKLASSEN XC4, XA2
Festigkeitsklasse C35/45
Bereitstellungsgemisch a100 = 570 mm
CEM III/A 52,5 N-SR 400 kg/m³
Steinkohlenflugasche 90 kg/m³
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 41
w/z-Wert 0,45
Sand 0/2 mm 804
Kies 2/8 mm 736
FM 2,80 M.-% v. Z.
VZ 0,80 M.-% v. Z.
Stahlfaser 65/35 50 kg/m³
Leimgehalt (ohne Feinstsand) 365 Liter
Basaltfasern
FASERN IM BETONAUSBLICK
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 42
www.vietnamese.alibaba.com
Dr.-Ing. A. Seidel / TU Dreden
Einflussgrößen auf die Faser-Dauerhaftigkeit� stoffliche Zusammensetzung des Basalts � Schlichten auf Faseroberflächen erzeugen noch keine Alkalibeständigkeit� zusätzliche Beschichtung der Multifilamente
− Erhöhung der Alkalibeständigkeit− Verbesserung des Verbundes
BASALTFASERN - IGF FORSCHUNGSVORHABEN 388 ZBR(TU DRESDEN / HEMPEL)
FASERN IM BETON
− Verbesserung des Verbundes− Erhöhung der Leistungsfähigkeit
Einsatz als dauerhafte Betonbewehrung derzeit nicht möglich !!!
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 43
Sonstige Fasern• Holz• Sisal + Hanf • Kokos• Bambus• Baumwolle
FASERN IM BETONAUSBLICK
http://shop.flachs.de/produkt/hanffaser-hechelwerg-von-unterroestetem-langhanf/
https://www.sanieren-und-daemmen.de/blog/natuerliche-daemmung-mit-kokosfasern/
• Viskose
Früher• Stroh• Flachs• Tierhaare
• Asbest
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 44
www.Lidl.de
https://labor.beuth-hochschule.de/lfbe/projekte/bauen-mit-stroh-lehm/
FASERN IM BETONAUSBLICK
Fraunhofer-Institut für HolzforschungWilhelm -Klauditz-Institut WKI
• Einsatz von ortsverfügbaren Naturfasern (Flachs, Hanf)• Nicht oxidierende Textilien mit guter Matrix-Implementierung • Funktionseinlagen, Sensorik (Textilgelege)• Hybride Textilkombinationen, Naturfasern kombiniert mit künstlicher Faser• Optionale Beschichtung der Fasern mit natürlichen Harzen
Prof. Dr.-Ing. Marco [email protected]
Bienroder Weg 54 E38108 Braunschweigwww.wki.fraunhofer.de
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 45
• Optionale Beschichtung der Fasern mit natürlichen Harzen
Abbildung 1: verschiedene Flachsgewebe mit variierender Schussdichte© Fraunhofer WKI l J. Binde
Abbildung 2: Textilbeton mit integriertem Flachsgewebe © Fraunhofer WKI l M. Lingnau
FASERN IM BETONAUSBLICK
Lärmschutzabsorber Mauersteine SchalungssteineHolzspanbeton
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 46
von haufwerksporig bis gefügedicht
Bildnachweis und Vertrieb:Nawaro-Baustoffe Innovationen.S.A. 6-8 rue de la Montagne L-6470 Echternach [email protected]
geschosshohe Wandelemente
FASERN IM BETON
� verstärkte Anwendung von Carbonbeton
� Forschung zur gezielten Faserorientierung• drastische Erhöhung der Zug- und Biegezugfestigkeit
in Faserrichtung möglich
AUSBLICK
18.01.2019 Roland Mellwitz Seite 47
Universität Augsburg, Institut für Physik, Prof. Dirk Volkmer
https://www.bam.de/Content/DE/Paper-des-Monats/2018 /2018-10-01-paper-des-monats-infrastruktur.html
Kai FischerDipl.-Ing. (FH)Anwendungstechnik ZementBauberaterTel. +49 731 9341-308Mobil +49 151 1952 2484E-Mail [email protected]://www.schwenk.de
Roland MellwitzDipl.-Ing.Anwendungstechnik ZementBauberaterTel. +49 3471 358-781Mobil +49 171 6234666E-Mail [email protected]://www.schwenk.de