Zugtragverhalten von Betonbauteilen mit Textilbewehrung aus Naturfasern

Im Rahmen eines DBU-Forschungsprojekts wird das Tragverhalten von Betonbauteilen, die mit Textilien aus Flachsfasern bewehrt sind, unter einachsiger Zug- und Biegebeanspruchung untersucht. Es werden die Ergebnisse der Dehnkörperversuche mit zwei- und dreilagiger Bewehrung (ungetränkte Drehergewebe) und variierter Feinheit der Schussfäden vorgestellt. Die Kraft-Weg-Diagramme zeigen, dass die Kurven in drei Hauptbereiche unterteilt werden können: Zustand I (ungerissenes Bauteil), Zustand IIa (fortschreitende Rissbildung) und Zustand IIb (abgeschlossenes Rissbild). Diese Unterteilung ist mit zunehmendem Bewehrungsgrad ausgeprägter. Außerdem konnte bei den höher bewehrten Dehnkörpern eine deutliche Laststeigerung im Vergleich zu Zugversuchen an unbewehrten oder nur gering bewehrten Prüfkörpern erreicht und ein gleichmäßig verteiltes Rissbild beobachtet werden.

1 Stand der Wissenschaft

Nachhaltigere Bauweisen und der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen spielen eine immer zentralere Rolle. So haben u. a. nichtmetallische Bewehrungen stark an Relevanz gewonnen, da dadurch schlanke und leichte Konstruktionen möglich sind. Das Tragverhalten solcher Betonbauteile, die beispielsweise mit einer textilen Bewehrung aus AR- Glas- oder Carbonfasern bewehrt sind, wurde national im Rahmen zweier Sonderforschungsbereiche (SFB 528 und SFB 532) grundlegend untersucht [1]-[6]. In anschließenden Transferprojekten konnten zunehmend aufwändigere Anwendungen realisiert werden [7]-[12]. Im seit 2014 laufenden und kurz vor dem Abschluss stehenden C³-Projekt (Carbon Concrete Composite) wird unter anderem das Ziel verfolgt, die Carbonbetonbauweise im Bauwesen stärker zu etablieren [13] und eine Richtlinie zur Bemessung von textilbewehrten Bauteilen zu erstellen, um zukünftig die aufwändigen experimentellen Untersuchungen zum Nachweis der Tragfähigkeit durch einen rechnerischen Nachweis analog zur Stahlbetonbauweise ersetzen zu können [14]-[19]. In dieser Richtlinie sollen Textilien aus Naturfasern vorerst keine Berücksichtigung finden. Dennoch rücken international auch naturfaserverstärkte Betonbauteile immer mehr in den Fokus der Forschung [20]-[23]. Neben Untersuchungen an meist ebenen 2D-Strukturen aus nachwachsenden Fasern von Pflanzen, die im (sub-)tropischen Raum angebaut werden können (z. B. Sisal, Jute, Kokos) [24]‑[27], gibt es erste Forschungen, die z. B. die mechanischen Eigenschaften von Flachsfasertextilien in zementbasierten Verbundbaustoffen untersuchen [28]. Tragmodelle oder gar Bemessungsregeln für naturfaserbewehrten Textilbeton, wie sie im Rahmen des aktuellen DBU-Projektes entwickelt werden sollen, sind den Autoren, soweit diese die Literatur überblicken, nicht bekannt.

Ein allgemeiner Vorteil der Textilbewehrung ist die nicht vorhandene bzw. deutlich reduzierte Korrodierbarkeit bei gleicher oder höherer Zugfestigkeit im Vergleich zu Betonstahl. Dadurch kann das notwendige Nennmaß der Betonüberdeckung minimiert und Zement eingespart werden, was einen wesentlichen Beitrag zur Umweltentlastung leistet. Zudem ergeben sich durch die Verwendung von nachwachsenden Fasern im Vergleich zu synthetischen Fasern weitere Vorteile, beispielsweise im Hinblick auf den CO₂-Ausstoß bei der Herstellung, einen nachhaltigeren Stoffkreislauf [29] oder durch die geringeren Auflagen beim Arbeits- und Gesundheitsschutz [30].

Die nachfolgend vorgestellten Untersuchungen sind Teil des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsprojektes „Untersuchung nachhaltiger Bewehrungen aus Naturfasern für Textilbetonbauteile (Laborphase)“. Neben Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit des neuartigen Verbundbaustoffs ist ein Ziel des Projektes, Aussagen zum Verbund- und Zugtragverhalten sowie zum einaxialen Biegetragverhalten von Betonbauteilen mit einer Textilbewehrung aus Flachsfasern treffen zu können. Im Rahmen dieses Artikels werden die Ergebnisse der bisherigen experimentellen Untersuchungen zum Verbund- und Zugtragverhalten an mehrlagig bewehrten Dehnkörpern mit variierender Gewebekonstruktion vorgestellt.

2 Experimentelle Untersuchungen

2.1 Verwendete Materialien

Da übliche Betonmischungen nach DIN EN 206 [31] aufgrund der begrenzten Öffnungsweite der verwendeten Textilien für dieses Projekt nicht verwendet werden konnten, wurde ein optimierter Beton bzw. Mörtel entwickelt [32]. Der entwickelte Mörtelbeton C5 erfüllt sowohl die Anforderungen an eine zufriedenstellende Verarbeitbarkeit (z. B. Fließfähigkeit, Durchdringung des Gewebes) als auch an die mechanischen Eigenschaften (z. B. Zugfestigkeit, Druckfestigkeit). Die Zusammensetzung sowie die wesentlichen Festigkeiten der Mischung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die zentrische Zugfestigkeit wurde dabei nach dem fib Model Code for Concrete Structures 2010 [33] aus der experimentell ermittelten Biegezugfestigkeit berechnet.

Zusammen mit den Probekörpern wurden aus derselben Betoncharge jeweils sechs Prismen l × d × h = 160 mm × 40 mm × 40 mm gemäß DIN EN 196-1 [34] hergestellt, um die Biegezug- und Druckfestigkeit des Betons am Tag des Versuches zu bestimmen. Die Prüfkörper wurden am Tag nach dem Betonieren ausgeschalt und bis zum 14. Tag im Wasserbad gelagert. Danach wurden die Probekörper unter konstanten Bedingungen (20 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit) gelagert und am 28. Tag geprüft.

In Textilbetonbauteilen wird die textile Bewehrung primär auf Zug beansprucht, daher ist die Analyse des Zugtragverhaltens für die Charakterisierung und materialgerechte Anwendung des Verbundbaustoffes entscheidend. Die Charakterisierung der verwendeten Schussfäden aus Flachsfasern erfolgt durch Garnzugversuche nach ASTM D 2256 [35]/DIN EN ISO 2062 [36].

Die als Drehergewebe mit einer Doppelgreifer-Webmaschine mit Jacquard-Aufsatz am Fraunhofer WKI hergestellten Textilien bestehen aus Flachsfasergarnen. Bei einem Drehergewebe werden in Kettrichtung (Maschinenrichtung) zwei Fäden miteinander verdreht. Hierbei handelt es sich um den Stehfaden, der rechtwinklig zum Schussfaden verläuft, sowie um den Dreherfaden, der sich nach jedem Schussfaden um 180° um den Stehfaden dreht und diesen somit umschließt (siehe Abb. 1 (a)).

Diese Verdrehung entsteht durch spezielle Litzen, die sogenannten Dreherlitzen, durch die das Kettmaterial hindurchgeführt wird. Dabei befindet sich der Stehfaden in dem Auge der Metallhalblitze und der Dreherfaden sitzt darüber in der Führungseinheit der gesamten Dreherlitze, welche aus Kunststoff besteht (Abb. 1 (b)). Durch Auf- und Abbewegung der Litze entsteht ein Hub, der den Dreherfaden nach rechts und links bewegt und so die Drehung erzeugt. Durch die Verdrehung sind Drehergewebe deutlich verschiebefester als andere konventionelle 2D-Gewebe wie beispielsweise Gewebe mit einer Leinwandbindung, sofern solch große Garnabstände wie in diesem Projekt realisiert werden müssen. Weiterhin wird bei dieser Gewebeart die Ondulation der Schussfäden minimiert, so dass sich die Schädigung der Garne beim Webvorgang verringert [37].

Die untersuchten Gewebe bestehen aus Schussfäden mit 1000 tex, 1200 tex bzw. 1500 tex und den Steh- und Dreherfäden in Kettrichtung mit je 500 tex. Außerdem weisen die Textilien eine Öffnungsweite von 8 mm in Schussrichtung und von 10 mm in Kettrichtung auf, woraus sich Bewehrungsflächen von 89,3 mm²/m, 107,1 mm²/m und 133,9 mm²/m ergeben. Im Rahmen der vorgestellten Versuche wurden ungetränkte Textilien (Abb. 2) verwendet, deren Zugfestigkeit etwa 300 MPa betrug (siehe Tabelle 2).

2.2 Versuchsdurchführung

Die Dehnkörperversuche wurden mit knochenförmigen Prüfkörpern durchgeführt, die bereits in vergleichbaren Versuchen mit synthetischen Fasern Anwendung fanden [2], [6], [38]-[40]. Da die ungetränkte textile Bewehrung aus Naturfasern eine größere Querschnittsfläche als vergleichbare Textilien aus synthetischen Fasern besitzt, wurde eine Stegdicke von 15 mm in der freien Dehnlänge verwendet. Die Geometrie der Versuchskörper ist in Abb. 3 dargestellt. Die Messlänge für die Ermittlung der Dehnung wurde auf 580 mm festgelegt.

 In den Probekörpern wurden je nach Feinheit der Schussfäden zwei oder drei Lagen Textilien als Bewehrung vorgesehen. Dementsprechend ergaben sich sechs Versuchsserien à vier Dehnkörper, welche in Tabelle 3 aufgelistet sind.

Vor der Betonage wurden die Textilien in ihren Endbereichen auf Lochbleche (Blechstärke 2 mm) aufgeklebt, um die Bewehrungslagen zentrisch und orthogonal zur erwarteten Rissrichtung einbauen zu können. Da die verwendeten ungetränkten Textilien weitaus weniger formstabil sind als getränkte, wurde die Bewehrung vor der Betonage in der Schalung leicht vorgespannt. Dadurch konnte verhindert werden, dass sich die einzelnen Fäden erst während des Versuchs vollständig in Zugrichtung ausrichten und strecken. Die ungetränkten Textilien können durch dieses Spannen besser aktiviert werden und Zugspannungen abtragen.

In Abb. 4 ist ein in die verwendete elektromechanische Universalprüfmaschine (ZwickRoell, Typ UPM, maximale Zugkraft 200 kN) eingebauter Dehnkörper vor dem Versuch zu sehen. Um eine axiale Lasteinleitung sicherzustellen, wurden Kardangelenke verwendet. Während der Versuche wurden die Kraft und die Verformungen mit einer Kraftmessdose und zwei seitlich am Dehnkörper angebrachten induktiven Wegaufnehmern (LVDT, siehe Abb. 4) kontinuierlich mit 5 Hz aufgezeichnet.

3 Versuchsergebnisse

3.1 Kraft-Weg-Diagramme

Für die Auswertung der Dehnkörperversuche wurde die gemessene Kraft über die gemittelten Werte der beiden Wegaufnehmer aufgetragen. Die Kraft-Weg-Diagramme der zweilagig bewehrten Dehnkörper sind in Abb. 5 (a), (c) und (e) und die der dreilagig bewehrten Prüfkörper in Abb. 5 (b), (d) und (f) jeweils getrennt für die verwendeten Feinheiten der Schussfäden dargestellt. In den Diagrammen ist zusätzlich die an 12 unbewehrten Referenzdehnkörpern bestimmte mittlere Bruchlast eines unbewehrten Dehnkörpers von etwa 2,67 kN eingezeichnet (hellgrüne Linie).

3.2 Diskussion der Ergebnisse

Aus den Diagrammen lassen sich drei wesentliche Aussagen ableiten:

Zum einen ergab sich bei den Einzelversuchen einer Serie jeweils ein ähnlicher Verlauf der Last-Verformungs-Kurve, wobei ähnliche Bruchlasten und maximale Verformungen erreicht wurden.

Zum anderen konnte die Bruchlast der höher bewehrten Dehnkörper (ab ca. A_t = 26,8 mm²) im Vergleich zum Mittelwert der unbewehrten Referenzdehnkörper um bis zu Faktor 3 (vgl. Abb. 5 (f)) gesteigert werden. Ebenso konnte das Bruchlastniveau der höher bewehrten Dehnkörper gegenüber den schwach bewehrten Dehnkörpern deutlich (Faktor 1,8-3) gesteigert werden (vgl. Abb. 5 (c), (f)). Dabei ist der Einfluss der Feinheit der Schussfäden größer als der der Anzahl der Bewehrungslagen. Die Dehnkörper OT-8/10-1000-3-x und OT-8/10-1500-2-x haben denselben Bewehrungsquerschnitt von 26,79 mm², jedoch ist die Laststeigerung bei zwei Lagen und einer größeren Schussfadenfeinheit (Abb. 5 (e)) ausgeprägter als bei drei Lagen und einer kleineren Feinheit (Abb. 5 (b)). Weiterhin kann die Versagenslast der dreilagig bewehrten Dehnkörper um etwa 50 % bezogen auf die zweilagige Bewehrung gesteigert werden, was etwa einer zum vorhandenen Bewehrungsquerschnitt proportionalen Laststeigerung entspricht. Ähnliches lässt sich bei den unterschiedlichen Feinheiten festhalten: Die Last kann um 30-40 % bezogen auf den geringeren Fadenquerschnitt erhöht werden.

Drittens zeigen die Versuchskörper das typische Verhalten eines bewehrten Dehnkörpers mit verschiedenen Rissbildungsstadien. Diese können besonders bei den höher bewehrten Prüfkörpern eindeutig voneinander abgegrenzt werden: In Zustand I ist der Betonquerschnitt ungerissen und die Zugkraft wird fast ausschließlich vom Beton abgetragen. Die Dehnung im Beton und in der textilen Bewehrung ist gleich groß. Mit der Ausbildung des ersten Risses schließt sich die Phase der Erstrissbildung (Zustand IIa) an. Die ruckartigen Lastabfälle in den Kraft-Weg-Kurven in Zustand IIa zeigen das Entstehen von Rissen an. In den Rissen wird die Last durch das Textil abgetragen. Es gibt in dem Bauteil aber immer noch Bereiche, in denen die Dehnungen des Betons und der textilen Bewehrung gleich sind, so dass in diesen Bereichen mit zunehmender Last die Zugspannungen im Beton weiterhin ansteigen und bei Erreichen der Zugfestigkeit weitere Risse im Beton entstehen können. Nach Abschluss der Rissbildung kann vor allem bei den höher bewehrten Dehnkörpern eine weitere Laststeigerung im Zustand IIb (abgeschlossenes Rissbild) beobachtet werden. Die in den Beton über Verbundkräfte eingeleiteten Kräfte überschreiten jedoch an keiner Stelle mehr die Zugfestigkeit des Betons, so dass keine weiteren Risse mehr entstehen können. Der weitere Anstieg der Dehnungen bei steigender Last führt dann zu einer deutlichen Zunahme der Rissbreiten, ohne dass sich weitere Risse ausbilden. Mit dem plötzlichen Durchreißen des Textils kommt es schließlich zum Versagen des Dehnkörpers, welches sich durch ein entsprechend fein verteiltes Rissbild (vgl. Abb. 6) mit deutlichen Rissbreiten angekündigt hat. Dies ist in den Diagrammen anhand des Lastabfalls nach dem Erreichen der Maximallast zu erkennen. Das Nachbruchverhalten entsteht dadurch, dass die endlich langen Naturfasern der Garne des Textils auseinandergezogen werden bzw. reißen. Es handelt sich dabei analog zum Versuch am reinen Textil um ein sukzessives Versagen der Einzelgarne [32].

4 Fazit und Ausblick

Die vorgestellten Versuche zum einaxialen Zugtragverhalten von Betonbauteilen mit einer mehrlagigen Textilbewehrung aus Flachsfasern bestätigen, dass bereits bei der Verwendung von ungetränkten Geweben ein gutes Verbundverhalten erreicht werden kann. Bei ausreichend großen Bewehrungsquerschnitten stellte sich ein fein verteiltes Rissbild mit geringen Rissabständen (ca. 3 bis 8 cm) ein und es konnte eine deutliche Laststeigerung (bis zu Faktor 3) im Vergleich zu unbewehrten oder schwach bewehrten Dehnkörpern erreicht werden. Außerdem ließen sich die Verläufe der Kraft-Weg-Diagramme in drei wesentliche Zustände (I: ungerissen, IIa: Erstrissbildung, IIb: abgeschlossenes Rissbild) einteilen.

Für die weiteren Versuche an Dehnkörpern mit einer Bewehrung aus getränkten Textilien ist zu erwarten, dass die Laststeigerung nochmals erhöht werden kann, da die Tränkung u. a. eine Zunahme der Textilzugfestigkeit bewirkt. Da außerdem von einem verbesserten Verbundverhalten der getränkten Textilien in der Betonmatrix gegenüber dem der ungetränkten Gewebe ausgegangen werden kann, wird ein nochmals feiner verteiltes Rissbild erwartet.

5 Danksagung

Die vorgestellten Untersuchungen werden durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU, 35830/01-25) gefördert und die Autoren möchten hiermit ihren Dank zum Ausdruck bringen. Außerdem soll den Firmen Sika Deutschland GmbH, sh minerals GmbH sowie a+b Asphalt- und Betonmischwerke GmbH & Co. KG und insbesondere der Firma Schwenk Zement GmbH & Co. KG für die Bereitstellung der Materialien und die fachliche Unterstützung herzlich gedankt werden. Weiterhin gilt der Dank der Autoren neben Herrn Felix Trah, M.Eng., der im Rahmen seiner Masterarbeit intensiv an den präsentierten Untersuchungen mitgearbeitet hat, vor allem auch dem Projektpartner Fabrino Produktionsgesellschaft mbH & Co. KG, der u. a. die Dehnkörper hergestellt hat.

Das Literaturverzeichnis zu diesem Beitrag finden Sie auf der Website der BFT International:
https://www.bft-international.com/