Spannende Beton-Elemente

An der Empa werden Methoden entwickelt, wie Beton-Elemente schlanker, aber dennoch langlebig und stabil gemacht werden können, so dass der Materialverbrauch sinkt. Eine Forschergruppe rund um Giovanni Terrasi, Pietro Lura und Mateusz Wyrzykowski hat kürzlich ein europäisches und ein US-amerikanisches Patent für eine selbst-vorspannende Betontechnologie erhalten, die hohe Materialeinsparungen verspricht.

Ein Betonelement wird vorgespannt, wenn es sehr grosse Lasten aufnehmen muss – zum Beispiel bei Balken, Brücken oder auskragenden Bauteilen. In einer Spannbettvorrichtung werden die Bewehrungen beziehungsweise Spannglieder – meist aus Stahl – vor dem Einbringen des Betons auf beiden Seiten des Elements verankert, unter Zug gesetzt und nach dem Aushärten des Betons wieder gelöst. Die in den Spanngliedern erzeugten Kräfte setzen den Beton dann unter Druckspannung: Das Element wird durch die vorgespannte Bewehrung in seinem Innern quasi von beiden Seiten zusammengezogen – und damit deutlich stabiler.

Weil der bisher verwendete Stahl rostanfällig ist, muss die Betonschicht rund um den Spannstahl eine bestimmte Mindestdicke aufweisen. Weil carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) im Carbonbeton nicht korrodiert, lassen sich bereits durch Materialsubstitution in der Bewehrung deutlich schlankere Betonbauteile produzieren – mit gleichwertigen statischen Eigenschaften. Zum Vorspannen aber sind sehr teure Spannbettvorrichtungen nötig und die Verankerung von CFK-Stäben ist deutlich komplizierter als diejenige von Spannstahl. Deshalb ist vorgespannter CFK-Hochleistungsbeton noch immer nicht sehr weit verbreitet.

Beton, der sich beim Aushärten ausdehnt

Das Empa-Team hat den Vorgang nun umgekehrt um auf die Verankerungen auf beiden Seiten des Elements verzichten zu können: Dank einer speziellen Rezeptur dehnt sich der Beton beim Aushärten aus. Durch diese Expansion setzt der Beton selbst die CFK-Stäbe in seinem Innern unter Zug und spannt sie dadurch automatisch vor.

In ihren Laborversuchen konnten die Forschenden nachweisen, dass die selbstvorgespannten CFK-Betonelemente vergleichbare Lasten tragen konnten wie jene, die mit grossem Aufwand konventionell vorgespannt wurden – und zwar rund dreimal mehr als ein nicht vorgespanntes CFK-Betonelement.

„Unsere Technologie eröffnet völlig neue Möglichkeiten im Leichtbau. Wir können nicht nur stabiler bauen, sondern brauchen dafür auch erheblich weniger Material. Wir können sehr einfach gleichzeitig in mehrere Richtungen vorspannen, etwa für dünne Betondecken oder filigrane gekrümmte Betonschalen.“
(Dr. Mateusz Wyrzykowski, Beton & Asphalt, EMPA)

Diese neuen Anwendungen werden nun mit Unterstützung des Industriepartners BASF weiterentwickelt.

Bild oben: Ein Träger aus selbstvorgespanntem Beton mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) als Armierung. (Quelle: Empa)

Quelle und weitere Infos: EMPA, Autocad-Magazin