FASERN IM BETON - SCHWENK · 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

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


� Stahlfaserbeton• Statisch tragende Bauteile

Ersatz oder Teilersatz von Stabstahlbewehrung→ "Kombibewehrung"


• 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


� Kunststofffaserbeton• Frühschwindrissreduzierung (Estriche und Betonböden)• Verbesserung der Brandwiderstands in Tunnelbauwerken

(weniger Betonabplatzungen)• Erhöhung der äquivalenten Biegezugfestigkeit


• 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


- 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


� DIN EN 14889-2:2006-11Fasern für Beton - Teil 2: Polymerfasern - Begriffe, Festlegungen und Konformität

Makro-Stahlfasern

FASERN IM BETONFASERARTEN


Micro-StahlfasernØ ≤ 0,2 mmL ≤ 20 mm


L ≤ 20 mm


AR-Glasfasern(alkaliresistent)


www.dalhoff.de



Glasfasern im alkalischen Milieu


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


� Polyvinylalkohol (PVOH-Fasern) z.B.: Kuralon


Kohlenstofffasern(Verkohlung von Viskose oder

Polyvinylacryl-Fasern)

� Carbonfasern� Graphitfasern



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


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


70%

16%

10%Tiefbau

Fertigteile

Tresorbau

FASERN IM BETONSTAHLFASERN - ARTEN UND EIGENSCHAFTEN

geradeverklebt

Stahlfaserarten


endverankert

gewelltgefräst

FASERN IM BETONSTAHLFASERN

� Länge� Durchmesser

Welche Stahlfaser ist die Richtige ?


� 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


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



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



� 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


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


� 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


5. ausreichend Feinanteile

FASERN IM BETONPRÜFUNG DER ÄQUIVALENTEN BIEGEZUGFESTIGKEIT

20

25

30K

raft

[kN

]


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


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


• 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


• 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


� Rüttelrinne� Förderband� händisch

FASERN IM BETONDOSIERUNG VON STAHLFASERN AUF DER BAUSTELLE


� Förderband� Luftstromförderung

FASERN IM BETON

Probenahme für den Auswaschversuch nach DAfStB-Richtlinie"Stahlfaserbeton"

PRÜFUNG UND NACHWEIS DER STAHLFASERMENGE


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


FASERN IM BETONFASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL BETONKREISVERKEHR

� C30/37, CEM I 42,5 N (sd)� 10 kg/m3 AR-Glasfasern 67/36


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


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


Nullbeton= 210 g/m2

Faserbeton= 500 g/m2

FASERN IM BETONKENNWERTE VON PP-BRANDSCHUTZ-FASERN

Wieviel Einzelfasern enthält


Einzelfasern enthält ein KilogrammPP-Fasern ?

FASERN IM BETONKENNWERTE VON PP-BRANDSCHUTZ-FASERN


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


w/zäq-Wert 0,48

Sand 0/2 mm 649 kg/m³

Kies 2/8 mm 398 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


w/z-Wert 0,49




Kies 16/32 mm 418 kg/m³

BV/FM 1,30 M.-% v. Z.



FASERN IM BETONANWENDUNGSBEISPIEL TÜBBINGE - BRANDSCHUTZBETON


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





Kalksteinsplitt 8/16 mm 471 kg/m³

FM 1,0 M.-% v. Z.



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


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


Basaltfasern

FASERN IM BETONAUSBLICK


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 !!!


Sonstige Fasern• Holz• Sisal + Hanf • Kokos• Bambus• Baumwolle


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


www.Lidl.de

https://labor.beuth-hochschule.de/lfbe/projekte/bauen-mit-stroh-lehm/


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


• 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


Lärmschutzabsorber Mauersteine SchalungssteineHolzspanbeton


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


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

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FASERN IM BETON - SCHWENK · 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