Stahlfaserbeton (SFRC) ist ein neuartiger Verbundwerkstoff, der durch Zugabe einer geeigneten Menge kurzer Stahlfasern zu herkömmlichem Beton gegossen oder gespritzt werden kann. Er hat sich in den letzten Jahren im In- und Ausland rasant entwickelt. SFRC überwindet die Nachteile von Beton wie geringe Zugfestigkeit, niedrige Bruchdehnung und Sprödigkeit. Er zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Scherfestigkeit, Rissbeständigkeit, Dauerfestigkeit und hohe Zähigkeit aus. SFRC findet Anwendung im Wasserbau, Straßen- und Brückenbau, Hochbau und anderen Ingenieurdisziplinen.
1. Entwicklung von stahlfaserverstärktem Beton
Faserverstärkter Beton (FRC) ist die Abkürzung für faserverstärkten Beton. Es handelt sich in der Regel um einen zementbasierten Verbundwerkstoff aus Zementleim, Mörtel oder Beton und Metall-, anorganischen oder organischen Fasern. Dieser neue Baustoff entsteht durch die gleichmäßige Verteilung kurzer, feiner Fasern mit hoher Zugfestigkeit, hoher Bruchdehnung und hoher Alkalibeständigkeit in der Betonmatrix. Fasern im Beton können die Entstehung von Frührissen und deren Ausbreitung unter äußerer Krafteinwirkung begrenzen, die dem Beton inhärenten Nachteile wie geringe Zugfestigkeit, Rissneigung und mangelnde Dauerfestigkeit wirksam beheben und die Eigenschaften hinsichtlich Wasserdichtheit, Frostbeständigkeit und Bewehrungsschutz deutlich verbessern. Faserverstärkter Beton, insbesondere stahlfaserverstärkter Beton, hat aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften in Wissenschaft und Praxis zunehmend an Bedeutung gewonnen. Bereits 1907 begann der sowjetische Experte B. P. Hekpocab, metallfaserverstärkten Beton einzusetzen. 1910 veröffentlichte H. F. Porter einen Forschungsbericht über kurzfaserverstärkten Beton und schlug vor, kurze Stahlfasern gleichmäßig im Beton zu verteilen, um die Matrix zu verstärken. 1911 fügte Graham aus den USA Stahlfasern zu normalem Beton hinzu, um dessen Festigkeit und Stabilität zu verbessern. In den 1940er Jahren forschten die USA, Großbritannien, Frankreich, Deutschland, Japan und andere Länder intensiv an der Verwendung von Stahlfasern zur Verbesserung der Verschleiß- und Rissbeständigkeit von Beton, an der Herstellungstechnologie von Stahlfaserbeton und an der Optimierung der Stahlfaserform zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Faser und Betonmatrix. 1963 veröffentlichten J. P. Romualdi und G. B. Batson eine Arbeit über den Rissbildungsmechanismus von stahlfaserummanteltem Beton und kamen zu dem Schluss, dass die Rissfestigkeit von Stahlfaserbeton durch den mittleren Abstand der Stahlfasern bestimmt wird, der eine entscheidende Rolle bei der Zugspannung spielt (Faserabstandstheorie). Damit begann die praktische Entwicklungsphase dieses neuen Verbundwerkstoffs. Bis heute gibt es aufgrund der unterschiedlichen Faserverteilung im Beton und der damit einhergehenden Popularisierung und Anwendung von Stahlfaserbeton hauptsächlich vier Arten: Stahlfaserbeton, Hybridfaserbeton, geschichteter Stahlfaserbeton und geschichteter Hybridfaserbeton.
2. Verstärkungsmechanismus von stahlfaserverstärktem Beton
(1) Theorie der Verbundwerkstoffmechanik. Die Theorie der Verbundwerkstoffmechanik basiert auf der Theorie von Endlosfaserverbundwerkstoffen und kombiniert diese mit den Verteilungseigenschaften von Stahlfasern in Beton. In dieser Theorie werden Verbundwerkstoffe als Zweiphasenverbunde betrachtet, wobei die Faser die eine und die Matrix die andere Phase bildet.
(2) Faserabstandstheorie. Die Faserabstandstheorie, auch Risswiderstandstheorie genannt, basiert auf der linear-elastischen Bruchmechanik. Sie besagt, dass die Verstärkungswirkung von Fasern ausschließlich von einem gleichmäßig verteilten Faserabstand (Mindestabstand) abhängt.
3. Analyse des Entwicklungsstands von stahlfaserverstärktem Beton
1. Stahlfaserbeton. Stahlfaserbeton ist ein relativ gleichmäßiger und multidirektionaler Stahlbeton, der durch die Zugabe geringer Mengen an kohlenstoffarmem Stahl, Edelstahl und Faserverbundwerkstoffen (FRP) zu Normalbeton entsteht. Der Stahlfaseranteil beträgt in der Regel 1–2 Vol.-%, während pro Kubikmeter Beton 70–100 kg Stahlfasern beigemischt werden. Die Stahlfasern sollten 25–60 mm lang und 0,25–1,25 mm dick sein, das optimale Längen-Durchmesser-Verhältnis liegt bei 50–700. Im Vergleich zu Normalbeton verbessert Stahlfaserbeton nicht nur die Zug-, Scher-, Biege-, Verschleiß- und Rissfestigkeit, sondern auch die Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit. Zudem erhöht er die Dauerhaftigkeit und die Beständigkeit von Bauwerken erheblich, insbesondere die Zähigkeit kann um das 10- bis 20-Fache gesteigert werden. Die mechanischen Eigenschaften von Stahlfaserbeton und Normalbeton wurden in China verglichen. Bei einem Stahlfaseranteil von 15 % bis 20 % und einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,45 erhöht sich die Zugfestigkeit um 50 % bis 70 %, die Biegefestigkeit um 120 % bis 180 %, die Schlagzähigkeit um das 10- bis 20-Fache, die Dauerschlagzähigkeit um das 15- bis 20-Fache und die Verschleißfestigkeit um das 14- bis 20-Fache. Daher weist stahlfaserverstärkter Beton bessere physikalische und mechanische Eigenschaften als Normalbeton auf.
4. Hybridfaserbeton
Relevante Forschungsdaten zeigen, dass Stahlfasern die Druckfestigkeit von Beton nicht signifikant erhöhen, sondern sie sogar verringern. Im Vergleich zu Normalbeton gibt es hinsichtlich der Wasserundurchlässigkeit, Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit und der Verhinderung von Frühschwindung durch Stahlfaserbeton gemischte Ergebnisse (sowohl positive als auch negative bzw. negative oder intermediäre Werte). Darüber hinaus weist Stahlfaserbeton einige Nachteile auf, wie z. B. den hohen Materialeinsatz, den hohen Preis, die Rostanfälligkeit und die geringe Feuerbeständigkeit, was seine Anwendung in unterschiedlichem Maße einschränkt. In den letzten Jahren haben sich einige in- und ausländische Wissenschaftler verstärkt mit Hybridfaserbeton (HFRC) befasst. Sie versuchen, Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen zu mischen, voneinander zu lernen und den „positiven Hybrideffekt“ auf verschiedenen Ebenen und in unterschiedlichen Belastungsphasen zu nutzen, um verschiedene Betoneigenschaften zu verbessern und so den Anforderungen verschiedener Bauprojekte gerecht zu werden. Hinsichtlich seiner verschiedenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere seiner Ermüdungsverformung und -schädigung, des Verformungsentwicklungsgesetzes und der Schädigungsmerkmale unter statischen und dynamischen Lasten sowie unter zyklischen Lasten mit konstanter oder variabler Amplitude, der optimalen Mischungsmenge und des Mischungsverhältnisses der Fasern, der Beziehung zwischen den Komponenten von Verbundwerkstoffen, der Verstärkungswirkung und des Verstärkungsmechanismus, der Ermüdungsbeständigkeit, des Versagensmechanismus und der Verarbeitungstechnologie, müssen die Probleme der Mischungsverhältnisgestaltung jedoch weiter untersucht werden.
5. Mehrschichtiger Stahlfaserbeton
Monolithischer Faserbeton lässt sich nur schwer gleichmäßig mischen, die Fasern neigen zur Agglomeration, der Faserbedarf ist hoch und die Kosten sind relativ groß, was seine breite Anwendung einschränkt. Durch umfangreiche praktische Erfahrungen und theoretische Forschung wurde ein neuer Stahlfaserbetontyp entwickelt: der schichtweise Stahlfaserbeton (LSFRC). Dabei wird eine geringe Menge Stahlfasern gleichmäßig auf der Ober- und Unterseite der Fahrbahnplatte verteilt, während die mittlere Schicht aus unbewehrtem Beton besteht. Die Stahlfasern im LSFRC werden in der Regel manuell oder maschinell eingebracht. Sie sind lang, mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von üblicherweise 70 bis 120, was eine zweidimensionale Verteilung ergibt. Ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, reduziert dieses Material nicht nur die benötigte Stahlfasermenge erheblich, sondern vermeidet auch die Faseragglomeration, die bei der Mischung von monolithischem Faserbeton auftritt. Darüber hinaus hat die Position der Stahlfaserschicht im Beton einen großen Einfluss auf die Biegefestigkeit. Die beste Verstärkungswirkung wird durch eine Stahlfaserschicht an der Unterseite des Betons erzielt. Mit zunehmender Position der Stahlfaserschicht nach oben nimmt die Verstärkungswirkung deutlich ab. Die Biegefestigkeit von LSFRC ist mehr als 35 % höher als die von Normalbeton mit gleicher Mischungszusammensetzung, liegt aber etwas unter der von vollflächig stahlfaserverstärktem Beton. LSFRC bietet jedoch erhebliche Materialeinsparungen und ist einfach zu mischen. Daher ist LSFRC ein neuer Werkstoff mit guten sozioökonomischen Vorteilen und breiten Anwendungsmöglichkeiten, der eine breitere Anwendung im Straßenbau verdient.
6. Geschichteter Hybridfaserbeton
Schichthybridfaserbeton (LHFRC) ist ein Verbundwerkstoff, der durch die Zugabe von 0,1 % Polypropylenfasern zu LSFRC entsteht. Dabei werden zahlreiche feine und kurze Polypropylenfasern mit hoher Zugfestigkeit und hoher Bruchdehnung gleichmäßig in die obere und untere Stahlfaserbetonschicht sowie in die mittlere Betonschicht eingearbeitet. LHFRC gleicht die Schwächen der mittleren LSFRC-Betonschicht aus und beugt potenziellen Sicherheitsrisiken nach dem Verschleiß der Stahlfasern vor. LHFRC erhöht die Biegefestigkeit von Beton signifikant. Im Vergleich zu Normalbeton steigt sie um etwa 20 %, im Vergleich zu LSFRC um 2,6 %. Der Biegeelastizitätsmodul wird hingegen kaum beeinflusst. Er liegt 1,3 % über dem von Normalbeton und 0,3 % unter dem von LSFRC. LHFRC kann die Biegefestigkeit von Beton deutlich erhöhen. Sein Biegefestigkeitsindex ist etwa achtmal so hoch wie der von Normalbeton und 1,3-mal so hoch wie der von LSFRC. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von zwei oder mehr Fasern in LHFRC im Beton kann der positive Hybrideffekt von synthetischen Fasern und Stahlfasern je nach Bedarf genutzt werden, um die Duktilität, Dauerhaftigkeit, Zähigkeit, Rissfestigkeit, Biegefestigkeit und Zugfestigkeit des Materials erheblich zu verbessern, die Materialqualität zu steigern und die Nutzungsdauer zu verlängern.
——Zusammenfassung (Shanxi-Architektur, Bd. 38, Nr. 11, Chen Huiqing)
Veröffentlichungsdatum: 24. August 2022