Nachhaltige Naturfaserbewehrung für Textilbetonbauteile

Nichtmetallische Bewehrungen von Betonkörpern werden derzeit häufig aus unterschiedlichen, synthetisch erzeugten Fasern hergestellt – zum Beispiel aus Glas- oder Carbonfasern. Eine ökologische Alternative zu den synthetischen Fasern stellen Flachs- oder andere Naturfasern dar. Diese sind vielerorts verfügbar und nachhaltiger, unter anderem aufgrund ihrer nachwachsenden Rohstoffbasis, den Vorteilen im Recycling und dem geringeren Energiebedarf in der Herstellung. Hier setzten die Forschenden des Fraunhofer WKI und der Hochschule Biberach gemeinsam mit einem Industriepartner an. Ihr Ziel war, nachzuweisen, dass sich Bewehrungen aus Textilfasern für den Einsatz im Bau ebenso eignen wie synthetische Fasern.

»Wir haben am Fraunhofer WKI mit einer Webmaschine Drehergewebe aus Flachsfasergarn hergestellt. Um die Nachhaltigkeit zu erhöhen, haben wir eine Behandlung der Flachsgarne zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verbundhaftung erprobt, die im Vergleich zu petrobasierten Behandlungen ökologisch vorteilhafter ist«, erläutert Jana Winkelmann, Projektleiterin am Fraunhofer WKI. Im Beschichtungsverfahren konnte ein gängiges petrobasiertes Epoxidharz erfolgreich durch eine zum Teil biobasierte Tränkung ersetzt werden. Ein großer Anteil (56%) der molekularen Struktur des verwendeten Epoxidharzes besteht aus Kohlenwasserstoffen pflanzlichen Ursprungs und kann somit die CO2-Bilanz verbessern.

Textile Bewehrungen haben grundsätzlich eine Reihe von Vorteilen. So weisen sie eine deutlich reduzierte Korrodierbarkeit bei gleicher oder höherer Zugfestigkeit als Stahl auf, so dass das notwendige Nennmaß der Betonüberdeckung reduziert werden kann. Dies führt bei gleicher Tragfähigkeit häufig zu geringeren erforderlichen Querschnitten. Bisher wurde das Tragverhalten von textilen Bewehrungen aus Naturfasern in Betonbauteilen allerdings noch nicht systematisch untersucht.

An der Hochschule Biberach testeten die Forschenden das Verbund- und Zugtragverhalten sowie das einachsige Biegetragverhalten von Betonbauteilen mit textiler Bewehrung aus Flachsfasern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, dass sich die naturfaserbasierten Textilbetonbauteile mit einer biobasierten Tränkung grundsätzlich eignen. Die Eignung zeigte sich sowohl durch eine signifikante Erhöhung der Bruchlast im Vergleich zu unbewehrten und unterbewehrten Betonbauteilen als auch durch fein verteilte Rissbilder. Die Kurven der Spannungs­Dehnungs­Diagramme konnten in drei für bewehrte Dehnkörper typische Bereiche unterteilt werden (Zustand I – ungerissen, Zustand IIa – Erstrissbildung und Zustand IIb – abgeschlossenes Rissbild). Die Abgrenzung der Bereiche ist mit zunehmendem Bewehrungsgrad deutlicher.

Insgesamt tragen regional oder europaweit verfügbare, nachwachsende Naturfasern und eine zum Teil biobasierte Beschichtung zu einer Verbesserung des CO2-Fußabdrucks der Bauindustrie bei. Damit eröffnet sich für die energie- und rohstoffintensive Bauindustrie eine weitere Möglichkeit, zunehmend strengere Umwelt- und Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen. »Textilbetone ermöglichen leichtere und schlankere Konstruktionen und bieten daher architektonische Spielräume. An den zahlreichen Einsatzmöglichkeiten von naturfaserbewehrten Textilbetonen möchten wir gern weiterforschen«, sagt Christina Haxter, Mitarbeiterin am Fraunhofer WKI.

Förderung:

Das Projekt, mit einer Laufzeit vom 9. Dezember 2020 bis zum 31. Dezember 2022 wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördert.

Nachhaltigkeit durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe steht seit über 75 Jahren im Fokus des Fraunhofer WKI. Das Institut mit Standorten in Braunschweig, Hannover und Wolfsburg ist spezialisiert auf Verfahrenstechnik, Naturfaser-Verbundkunststoffe, Bindemittel und Beschichtungen, Holz- und Emissionsschutz, Qualitätssicherung von Holzprodukten, Werkstoff- und Produktprüfungen, Recyclingverfahren sowie den Einsatz von organischen Baustoffen und Holz im Bau. Nahezu alle Verfahren und Werkstoffe, die aus der Forschungstätigkeit hervorgehen, werden industriell genutzt.