Cluster-Treff/Basaltfaser-Forum

Basalt und Bau - Dimensionierung, Planung, Einsatz von Verstärkungsfasern

13. November 2014, CG TEC GmbH, Spalt

 

Bericht

Zum Einstieg ein Rückblick: Im Februar 2013 diskutierten Entwickler und Anwender im Rahmen des ersten Cluster-Treffs des Clusters Neue Werkstoffe bei der CG Tec GmbH die Potenziale und Herausforderungen bei der Anwendung von Basaltfasern als Alternative zu Glasfasern oder Carbonfasern in Faserverbundwerkstoffen. Kernthema war insbesondere die Industrialisierung der Basalttechnologie, bei der der Spagat zwischen Grundlagen-forschung und Anwendungsentwicklung zu schaffen ist. Hier können Bewehrungsstrukturen wie Rebars aus dem kontinuierlichen Pultrusionsprozess beispielsweise für die Herstellung von Masten ein hohes Einsatzpotential besitzen. Es zeigte sich aber auch, dass gerade Schwankung der technischen Eigenschaften und in Bezug auf die textile Verarbeitung von Basalt, die kleinstufige Struktur der Textilbranche, Herausforderung für eine Marktakzeptanz sind.

Seit diesem ersten Treff ist viel passiert. Was seitdem im Bereich der Produktentwicklungen geschah und welche neuen Erkenntnisse zur Verarbeitung und Verwendung von basaltfaserverstärkten Werkstoffen im Baubereich erarbeitet wurden und werden, dies stand nun im Fokus des zweiten Cluster-Treffs „Basalt und Bau“ am 13. November 2014 wiederum bei der CG Tec GmbH in Spalt.

Der Bericht ist in folgende Bereiche gegliedert:

Projektarbeit als Basis für die Produktentwicklung

Die CG Tec, Gastgeber des Cluster-Treffs, ist Spezialist für die Herstellung von Rund- und Flachprofilen aus faserverstärkten Materialien, sei es carbonfaser-, glasfaser- oder auch basaltfaserverstärkte Kunststoffe. Gerade den Bereich der basaltfaserverstärkten Werkstoffe hat das Unternehmen für sich als Alleinstellungsmerkmal entdeckt und schon früh mit der Forschungs- und Entwicklungsarbeit hier begonnen, wie mit dem ZIM-Kooperationsprojekt HoRoBaKu (Hochleistungsrohre aus basaltfaserverstärktem Kunststoff). Schon früh wurden  so die Potenziale von Basaltfasern für den Einsatz in Bauanwendungen gesehen. Ein Beispiel sind die als Alternative für Stahl-Armierungen von der CG Tec entwickelten Basaltfaser-Rebars, welche in einem kontinuierlichen Pultrusionsprozess herstellbar sind. Diese Verstärkungsstäbe können in Durchmessern von 6 bis 20 mm produziert werden und sind nun in der Zertifizierung. Ein weiteres Produkt, welches auf dem Weg in die Anwendung ist, sind basaltfaserverstärkte Tropfschalen für den Frachtraum des Airbus A380. Bisher werden diese Bauteile aus Stahl gefertigt, sollten jedoch aus Gewichtsgründen durch CFK-Teile ersetzt werde. Ein Vergleich mit basaltfaserverstärkten Materialien zeigte vergleichbare Eigenschaften bei deutlich geringerem Preis. Dies führte dazu, dass noch im Prozess eine Änderung des Werkstoffs zugunsten des Basaltfaser-verstärkten Materials durchgeführt wurde, wie Franz Weissgerber von iii-carbon berichtete.

Durch die intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeit auf dem Gebiet der basaltfaserverstärkten Materialien konnten aber auch Produkte bereits erfolgreich am Markt etabliert werden, wie beispielsweise basaltfaserverstärkte Einzieh- und Schiebekabel für Leitungen und Kamerakabel für die Kanalinspektion.

Potenziale der Basaltfaser in der Baubranche

Neben den ersten am Markt eingeführten Produkten wird gerade dem Baubereich ein hohes Potenzial für den Einsatz von basaltfaserverstärkten Materialien bescheinigt. Welche Potenziale das sind und wie sie in faserverstärkte Bauteile umgesetzt werden können, das ist ein Schwerpunkt im Fachbereich „Leichtbau im Bauwesen“ der TU Chemnitz.  Basaltfasern besitzen gute mechanische, chemische und physikalische Eigenschaften, sind als Endlos-, Lang- und Kurzfasern verfügbar, gut zu Halbzeugen zu verarbeiten und nicht  gesundheits- und umweltgefährdend. Hervorzuheben sind zudem die hohe Faserzugfestigkeit mit mehr als 2.000 N/mm² und eine Temperaturbeständigkeit bis über 500 °C. Des Weiteren sind sie auch wirtschaftlich interessant, da sie preislich zwischen Glas- und Kohlenstofffasern liegen. Allgemein sind im Baubereich faserverstärkte Werkstoffe von Bedeutung, wenn beispielsweise Gewichts- und Materialeinsparungen angestrebt werden, bei gleichzeitig hohen Anforderungen an Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder beispielsweise eine geringe Temperatur- oder elektrische Leitfähigkeit. In diesen Bereich kommen die Vorteile der Basaltfaser im Vergleich um Standardbauwerkstoff Stahl zum Tragen.

Ein Beispiel für die Verbesserung von Produkteigenschaften durch den Einsatz  von faserverstärkten Werkstoffen sind Aussteifungsprofile für Kunststofffenster. Diese werden konventionell aus Stahl gefertigt, was sich hinsichtlich Gewicht und Isolationseigenschaften negativ auswirkt. Hier war der Ansatz, Stahl durch BFK zu ersetzen und hierdurch auch eine Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten von 1,3 W/m²K auf 0,9 W/m²K zu verwirklichen, um die Einhaltung der Grenzwerte der EnEV 2009 zu gewährleisten. Über umfangreiche Analysen, Entwicklung optimierter Geometrien und deren Überprüfung mittels FEM wurden faserverstärkte Varianten des Profils realisiert und in Musterprofile umgesetzt. Es zeigte sich, dass die Tragfähigkeit der basaltfaserverstärkten Kunststoffprofile denen der Stahlprofile entspricht und es zu keiner Verdrillung bei Belastung kommt. Die Herstellung der Profile erfolgt im Pultrusionsverfahren, was eine hohe Produktivität und damit  gute Wirtschaftlichkeit bietet.

Ein weiterer interessanter Einsatzbereich ist die Integration textiler Flächengebilde in asphaltbasierte Belagsysteme. Hiermit soll eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt werden, beispielsweise in dünnschichtigen textilarmierten Gussasphaltplatten, die als Bodenbeläge im Innenraum wie auch als temporäre Beläge im Außenbereich Verwendung finden können. Zudem können solche Systeme mehrfach verwendet werden, was sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile mit sich bringt. Im Innenbereich können diese eine gute Alternative zum Estrich darstellen, da sie gleich nach der Verlegung voll belastbar sind, aufgrund des geringen Gewichtes eine Entlastung des Bauwerkes bedeuten sowie in der Nutzung beispielsweise eine gute Trittschalldämmung bieten. In der Entwicklung der Platten wurden unterschiedliche Faser-Bitumen-Kombinationen getestet. Verwendet werden die Fasern als biaxiales Kettengewirk oder ein Drehergewebe. Für den Außeneinsatz – z. B. für Verkehrsanlagen wie Zufahrten, Parkplätze oder flexible Baustraßen als  Bodenbefestigung für Veranstaltungen oder temporär zu nutzende Ausstellungshallen -  zeigen die schichtig aufgebauten, mit Basaltfasern verstärkten Asphaltplatten im Vergleich mit glasfaser- und carbonfaserverstärktem Material die besten Eigenschaften. Ein Ansatz, um die gute Performance des basaltfaserverstärkten Materials zu klären, liegt in der Ausbildung chemischer oder elektrostatischer Bindungen zwischen Faser und Matrix, die zu einem festen Verbund führen.

Durch die textile Bewehrung kann beim Einsatz im Straßenbau eine geringe Spurtiefe und hohe Zugfestigkeit gewährleistet werden. Dies konnte in einem bereits über 3 Jahre laufenden Feldversuch verifiziert werden, bei dem die Versuchsplatten zur Befestigung eines Parkplatzes verwendet werden, auf dem sowohl Pkw als auch Nutzfahrzeuge, wie Müllfahrzeuge, fahren, parken und wenden.

Faser, Matrix und Beton – Dreiklang für einen erfolgreichen Einsatz

Eine Fragestellung, die im Zusammenhang mit basaltfaserverstärkten Material und Beton immer wieder auftaucht, ist die der Beständigkeit des silikatischen Grundgerüsts der Basaltfaser im alkalischen Milieu. Beim Angriff von Hydroxidionen auf die silikatischen Bindungen der Basaltfasern kommt es zu Eigenschaftsänderungen, die dazu führen, dass die Grenzschicht instabil wird und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Faser und dem umgebenden Material nicht mehr gegeben ist. Dies führt zu einer Abnahme der Festigkeit. Dieser Frage und möglichen Lösungsansätzen geht das Institut für Textilmaschinen und Hochleistungswerkstofftechnik der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden nach. Ausgangspunkt der Forschung ist die Betrachtung der verschiedenen Grenzflächen im Textilbeton. Keine der Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Materialien darf versagen, da andernfalls die Eigenschaften und insbesondere die geforderte Festigkeit des Gesamtmaterials nicht mehr gegeben sind. Von zentraler Bedeutung für den Einsatz von Basaltfasern als textile Verstärkung im Beton ist daher die Beständigkeit der Schlichte sowie der Beschichtung im hochalkalischen Milieu des Betons, das i. d. R. einen pH-Wert zwischen 12 und 14 aufweist. Hier ist auch die Art des Schlichteauftrags von Bedeutung, die ein- oder zweistufig erfolgen kann.

Getestet werden in dem Zusammenhang neue Basaltschlichten mit Polymerbeschichtungen. Wichtig ist dabei auch, dass Heavy Tows aus Basaltfaser in reproduzierbarer Qualität mit gleichmäßigem Schlichteauftrag für eine optimale textiltechnische Verarbeitbarkeit und Alkalibeständigkeit realisiert werden können, um Basaltfilamentgarne als Heavy Tows zu Gitterstrukturen auf Textilmaschinen verarbeiten zu können. Die bisher eingesetzten Schlichten auf Basis von Silanverbindungen bieten kaum Schutz vor Alkaliangriff auf die Fasern und sind zudem nicht dauerhaft beständig, wie sich in Alterungsversuchen zeigte. Neue Systeme, die getestet werden sind Schlichten auf der Basis von Polyurethanen, die hinsichtlich der Härte gut einstellbar sind und Möglichkeiten für eine maßgeschneiderte Rezeptur für die Schlichte bieten. Ähnlich ist es beim Expoxidharz, dessen Struktur aber dispergierbar gemacht werden muss, um einen homogenen Auftrag der Schlichte sicherstellen zu können. Ein aus der Textilveredelung stammender Ansatz ist die Verwendung von Stärke, die ebenfalls alkaliresistent ist, eine hohe Oberflächenenergie aufweist und stark polar ist, wodurch starke Wechselwirkungen ausbildbar sind. Aktuelle Herausforderungen sind hierbei, Amylose oder Amylopeptin hinsichtlich der Vernetzungseigenschaften zu optimieren und die Hydrophilie zu vermindern.

Risse und Fasern – Einsatzmöglichkeiten für Basaltkurzfasern

Fragestellungen im Bereich des faserverstärkten Betons drehen sich aber nicht ausschließlich um die Fasern und den Verbund mit der Betonmatrix, sondern auch um die Optimierung der Eigenschaften der Betonmatrix selbst und des Gesamtsystems. Eine wichtige Fragestellung ist die der Rissbildung im Beton. Hier stehen die genaue Klärung der Vorgänge der Rissbildung für verschiedene Zementsysteme und Ansätze zur Verringerung im Vordergrund des Interesses. So entstehen in der frühen Phase (10 bis 48 h) Risse durch plastisches Schwinden: Im Flüssig-Feststoff-Gemisch kommt es durch die Gravitation zum Absetzen von Partikeln und zur Bildung eines Wasserfilms an der Oberfläche. Im Zuge der Verdunstung des Wassers bilden sich Menisken zwischen den Partikeln und der Kapillardruck steigt an. Die Menisken ziehen sich mit steigender Verdunstung immer stärker zusammen, bis der Kapillardruck dann plötzlich dramatisch sinkt. Dies ist der Punkt an dem es zum Riss kommt. Gerade im Bereich der Bewehrung setzt sich das System unterschiedlich stark. Hier kann es zu tiefen Risse kommen, die später zu weiterreichenden Schäden führen können.

In einer späteren Phase steht die Rissbildung im Zusammenhang mit abfließender Hydratation, autogenem und Trockenschwinden, Eigenspannungen und unterschiedlichen äußeren Einwirkungen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu wissen, wie weit Risse tolerierbar sind und wann sie kritisch werden. Ziel ist es daher, die Rissbildung zu minimieren und unterhalb einer kritischen Grenze zu halten. Untersucht wurde im Zusammenhang mit diesen Fragestellungen vom Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH der Einfluss der Zugabe unterschiedlicher Fasern (Stahlfasern, Glasfasern,  Basaltfasern) zum Betonzement. Festgestellt wurde, dass die Zugabe von Kurzfasern einen positiven Effekt auf die Biegezugfestigkeit hat. Die Wirkungsweise der Fasern liegt darin, dass im Kontaktbereich zwischen den Fasern und der Matrix ein poröses System existiert, wodurch zunächst der Kapillardruck verringert wird und entsprechend der Abfall nicht so dramatisch ist, wie beim System ohne Fasern, wodurch die Rissbildung in der Frühphase reduziert wird. Dünnschliffuntersuchungen zeigen, dass zementbasierte Werkstoffe schon im unbelasteten Zustand Mikrorisse aufweisen, deren Bildung die Fasen entgegenwirken. Die verringerte Mikrorissbildung führt zu einer Reduzierung der kapillaren Wasseraufnahme, was sich positiv auswirkt. Insbesondere die Basaltfasern zeigen in den experimentellen Versuchen eine gute Wirkung, auch hinsichtlich der Rissbildung in der Spätphase, da durch die Fasern die Duktilität des Betons verbessert wird. Sicherzustellen ist wiederum, dass die Basaltfasern langzeitbeständig im alkalischen Milieu sind, wobei neben der Optimierung der Schlichte und der Beschichtungen auch an der Zusammensetzung des Zements gearbeitet werden kann.

Denkbare Anwendungsgebiete für den Einsatz von Basaltfasern als textile Verstärkung im Beton sind zementgebundene Estriche bei denen im Vergleich mit einer Stahlbewehrung Schrumpf- und Frühschwindrissen vermindern lassen, desweiteren Industriefußböden und Putze, bei denen plastische Schwindrisse verringert werden können, ebenso in der Spritzbetontechnik, für Betonfertigteile oder Brandschutzelemente aus Zementsystemen.

Leistungsvermögen und Dauerhaftigkeit – Feld mit besonderem Handlungsbedarf

Die dargestellten Forschungs- und Entwicklungsgebiete zeigen, dass insbesondere das Leistungsvermögen und die Dauerbeständigkeit wichtige Themen für den Einsatz von Basaltfasern sind. Diese sind dementsprechend auch Schwerpunkte an der Fakultät Bauingenieurswesen des Instituts für Baustoffe der TU Dresden. Prinzipiell liegen die Vorteile von Basalt als Alternative zu AR-Glas oder Carbon auf der Hand.

Allerdings kommt es bei zyklischen Belastungen zum Abspleißen  und Versagen der Filamente, was zu einer Reduktion des Garnquerschnittes, einer Reduktion der Festigkeit und zu einer Reduktion des effektiven E-Moduls führt. Die Zugfestigkeit der Basaltfasern verringert sich bei hohen Temperaturen und erreicht nicht mehr ihr volles Potenzial. Schon bei Temperaturen von ca. 400 °C ist ein deutlicher Abfall der Gesamtzugfestigkeit festzustellen.

Die Verbesserung und Optimierung der Basaltfaser erfolgt auch auf diesem Gebiet durch eine maßgeschneiderte Beschichtung der Garne. Eine physikalisch-chemische Abstimmung der Beschichtung auf die Faserschlichte und den Beton ist erforderlich, um ein optimales Eigenschaftsprofil zu erhalten.

Basaltfasern und Produkte – industrielle Aktivitäten

Dass Textilbeton mit Verstärkungen aus Glas-, Carbon- oder Basaltfasern auch von Industrieseite viel Potenzial eingeräumt wird, zeigt die Firma solidian, ein 100% Tochterunternehmen der Groz-Beckert. solidian beschäftigt sich mit textilbewehrtem Beton für verschiedenste Anwendungen, vornehmlich von Bewehrungen und Produkten für die Bauindustrie. Der Einsatz von Textilbeton bietet aus Sicht von solidian ökologische und ökonomische Vorteile, da hier geringere Betondeckungen und schlankere Bauteile möglich sind. Zudem bietet diese Technologie Vorteile bei der Sanierung und dem Schutz von Brücken, da Betonstahl- und Spannbetonkonstruktionen heutzutage vielfach Risse und Betonabplatzungen aufweisen und ausgebessert werden müssen. Neben den klassischen Faserverstärkungen Glas und Carbon beschäftigt sich solidian auch mit der Basaltfaser als Verstärkungsmaterial und ist mit der CG Tec eine strategische Partnerschaft im Bereich der Basaltfaserarmierungen eingegangen. Besonders im Fokus stehen 2D- und 3D-Gitterstrukturen als textile Bewehrung. Diese Gitterstrukturen können eng- und grobmaschig ausgeführt werden. Im Bereich der 3D-Strukturen sind verschiedene Geometrien wie  Winkel, U-Profile, Doppel-T-Profile und zylindrische Querschnitte möglich. So kann das Gewicht einer Fertiggarage durch den Einsatz von textilverstärkten Sandwichbetonmodulen von 16 Tonnen auf 8,5 Tonnen reduziert werden.

Letztendlich hängt der Erfolg der Basaltfaser auch von ihrer Verfügbarkeit ab. Wie sich diese entwickelt zeigte zum Abschluss des Tages die Deutsche Basaltfaser GmbH. Ihre heutige Produktionskapazität liegt bei 250 Tonnen/Jahr. Diese wird in 2015 auf 500 Tonnen/Jahr ausgebaut und soll in einer Endstufe bei bis zu 3.000 Tonnen/Jahr liegen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass „Basalt am Bau“ dabei ist, aus der Nische zu treten und ein zunehmend interessanter Werkstoff für die Bauindustrie wird.

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