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Carbonbeton : Rostfraß wird es nicht mehr geben

  • -Aktualisiert am

Neuer Schwung: Textilbetonbrücke in Kempten im Allgäu Bild: TU Dresden

Carbonbeton ist ein neuer Baustoff, der in Zukunft Stahlbeton ersetzen soll. Er wird die Bauweisen und die Architektursprache verändern.

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          Dutzende zu einem Bollwerk aufgetürmte Reifen spritzen förmlich auseinander. Sekundenbruchteile zuvor war in die so „gepolsterte“ Streckenbegrenzung mit knapp dreihundert Sachen ein Formel-1-Bolide eingeschlagen. Dass dessen Lenker nach dem Crash weitgehend unverletzt aus dem havarierten Fahrzeug klettert, verdankt er wesentlich dem Werkstoff Carbon: Eine Wanne, zusammengebacken aus CFK-Fasern (carbonfaserverstärktem Kunststoff), bietet diese große Widerstandsfähigkeit und damit guten Schutz – und ist, ein weiterer Vorteil, extrem leicht.

          Vorzüge, von denen seit zwei Jahren auch Serienfahrzeuge profitieren. So verkauft BMW seinen „Elektro-Dreier“ mit einem Carbon-Monocoque. Auch Fahrradrahmen, Tennisschläger, Angelruten und die Flügel von Windkraftanlagen werden aus Carbon gefertigt. Stets aus dem gleichen Grund. Leicht und belastbar ist der Stoff. Eigenschaften, die so kein anderes Material bietet.

          Was liegt also näher, als auch Beton, dem nach Wasser am meisten verwendeten Material, mit Hilfe von Carbon auf die Sprünge zu helfen. Beton hat einen schlechten Ruf, was mehrere Ursachen hat. So sind Baubiologen nicht davon abzubringen, dass es sich bei Beton um einen unnatürlichen Baustoff handele, der zudem nass sei und nur langsam trockne. Die aus ihm gefertigten Decken und Wände seien nicht atmungsaktiv, so dass es in den Gebäuden zu ungesunden Luftschadstoffkonzentrationen komme.

          Vor allem werden dem Beton jedoch die unschönen Abplatzungen angelastet, die an älteren Betonbauten und damit auch an Hunderten in den sechziger und siebziger Jahren errichteten Brücken fast die Regel sind. Die Ursache: Man hat die Auswirkungen der Salzmengen unterschätzt, die im Winter zur Verbesserung der Verkehrssicherheit auf die Fahrbahnen gekippt werden.

          „Gerissene Bauweise“

          Und man hat die äußeren Betonschichten zu dünn und zu porös gewählt, so dass Feuchtigkeit und Kohlendioxid bis zu den Stahleinlagen vordringen können und einen Prozess in Gang setzen, den Fachleute als Karbonatisierung bezeichnen: Das beim Abbinden von Beton entstehende und den Armierungsstahl schützende alkalische Kalziumhydroxid wird in Karbonat umgesetzt. Das Gestein verliert so seine alkalischen Eigenschaften. Dringt der Sauerstoff aus der Luft bis zu den Stahleinlagen vor, beginnen die zu rosten, ihr Volumen vergrößert sich, und die Betonüberdeckung platzt auf.

          Und auch das muss man in diesem Zusammenhang wissen: Die von dem französischen Gärtner Joseph Monier vor rund 150 Jahren gemachte Entdeckung, dass man die Festigkeit von Beton merklich steigern kann, wenn man (zunächst Eisendraht und heute) Stahlmatten oder -stangen in den Beton einfügt, hat damit zu tun, dass Beton zwar gut auf Druck belastet werden kann, aber Zug- und Biegekräfte nur schlecht verträgt. Diesen Nachteil kompensieren die Stahleinlagen, die man immer noch gern auch als Moniereisen bezeichnet.

          Ein mit Stahlstäben angereicherter Beton hat demnach eine viel höhere Zugfestigkeit als ein unbewehrter. Doch belastet man ein entsprechend „gestähltes“ Betonteil auf Zug – oder „biegt“ es, entstehen feinste Risse. Nach den Vorgaben des gängigen Regelwerks sind das jedoch weder Mängel noch Schäden. Stahlbeton darf und muss reißen. Denn erst wenn er gerissen ist, kann der Stahl die ihm zugedachte Aufgabe übernehmen – und Zugkräfte aufnehmen. Gern spricht man von der „gerissenen Bauweise“. Das klingt kompliziert und ist es auch.

          Carbon: Viermal leichter und sechsmal tragfähiger

          Doch verwendet man die richtigen Rezepturen, baut man den Stahl ordnungsgemäß ein und sorgt für eine ausreichende Überdeckung, dann sind aus Stahlbeton gefertigte Tunnel, Brücken, Hochhäuser und Staumauern extrem solide Bauwerke, die über Jahrzehnte zuverlässig ihren Zweck erfüllen. Dennoch sind Bauingenieure dabei, über andere Möglichkeiten nachzudenken. Vor allem stören sie sich am hohen Material- und damit Ressourcen- und Energieverbrauch, den die opulente, schützende Überdeckung der Stahleinlagen verursacht.

          Damit kommt Carbon als Stahlersatz ins Spiel. Der Beton wird mit gitterartigen oder stabförmigen Bewehrungen aus nichtrostendem Carbon bewehrt. Im Vergleich zu Stahl eine attraktive Lösung, ist Carbon doch rund viermal leichter und dabei sechsmal tragfähiger – was Vorteile bei Transport und Einbau der Bewehrung bedeutet. Und ganz entscheidend: Die schützende Betonschicht oberhalb der Carboneinlage muss nur wenige Millimeter stark sein. Das ergibt neue Möglichkeiten bei der Konstruktion und Gestaltung von Bauwerken. Schon schwärmen die Protagonisten der neuen Technik davon, dass mit Carbonbeton ein Paradigmenwechsel in der Architektur und bei der Konstruktion von Gebäuden möglich wird.

          Carbonbeton in der als eher schwerfällig und träge eingeschätzten Bauindustrie zu einer allseits akzeptierten und mit Normen und Vorschriften abgesicherten Bauweise zu machen wird noch Jahre dauern. Von 2020 an, so sieht es der Zeitrahmen des zurzeit größten deutschen Bauforschungsprojekts (C3 – Carbon Concrete Composite) vor, soll nicht nur Carbonbeton zu einem „relevanten, ökologisch sinnvollen und wirtschaftlich bedeutsamen Baustoff entwickelt werden“ – vielmehr will man bis dahin auch eine neue Bauweise, die C3-Bauweise, etabliert haben, in der Großprojekte wie Brücken verwirklicht werden können.

          Kein Vorspannen mit Stahlspanngliedern nötig

          Bei der von aktuell 132 Partnern aus Forschung und Industrie getragenen Entwicklung des Carbonbetons muss man keineswegs bei null beginnen, hat man mit „Textilbeton“ in den zurückliegenden Jahren doch bereits Erfahrungen sammeln können. Das Tauschen der Stahlbewehrung gegen nichtrostende Materialien (Glasfasern und Carbonfasern) hat man erstmals 1994 in Dresden erprobt. Seit 1999 wurde die Entwicklung dieser neuen Werkstoffe in zwei Sonderforschungsbereichen in Dresden und Aachen vorangetrieben – wobei man zwei Ziele verfolgte: die Instandsetzung und Verstärkung betagter Massivbauten und den Einsatz von Textilbeton für neue Bauteile.

          Die gemachten Erfahrungen werden als rundum zufriedenstellend bezeichnet. Vor allem für dünne Fassadenplatten und für Deckenverstärkungen hat sich das Material bewährt. Dort wird es schon in großem Umfang eingesetzt. Auch einige wenige Fußgängerbrücken (in Oschatz, Kempten und Albstadt) hat man aus Textilbeton gebaut, wobei hier das Material an Grenzen stieß. Alle diese „Textilbrücken“ mussten mit Stahlspanngliedern vorgespannt werden.

          „Carbonpflaster“ für marode Brücken

          Das soll bei Carbonbeton nicht mehr erforderlich sein, dank deutlich dickerer Carbongarne, aus denen man hochtragfähige Bewehrungsgitter zusammensetzen will. Zudem wird man aus Carbon Stabbewehrungen herstellen, wie man sie beim Stahlbeton kennt. Auch Anker und Aufhängungssysteme aus Carbon müssen entwickelt werden. Erst wenn dieser Baukasten vorliegt, wird man komplette Bauwerke bis hin zu großen Talbrücken aus Carbonbeton bauen können.

          Auch an „Carbonpflastern“ wird gearbeitet, mit denen man etwa marode Brücken ertüchtigen will. Ohne Fahrbahnen sperren zu müssen, sollen die Pflaster eingebaut werden. Mehrere Brückensanierungen sind im Gespräch. So soll in den nächsten Monaten eine Bogenbrücke in Naila mit Hilfe von Carbonbeton verstärkt werden. Die dazu notwendigen Antrags- und Genehmigungsunterlagen werden momentan erstellt.

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