Stahlfaserbeton, ein Verbundwerkstoff bestehend aus dem Grundstoff Beton und ergänzt durch Stahlfasern, ist ein vielseitig einsetzbarer Baustoff. Er kann Druck-, Zug- und Biegebelastungen standhalten und eignet sich daher für diverse Bauformen und Belastungsszenarien.
Inhaltsverzeichnis
Definition Stahlfaserbeton
Stahlfaserbeton wird seit den 1970er Jahren für verschiedene Bauverfahren eingesetzt. Durch die Zugabe von Stahlfasern werden verschiedene positive Eigenschaften des Betons verbessert, wie zum Beispiel die Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit. Zudem wird die Rissbildung reduziert und seine Dauerhaftigkeit erhöht.
Stahlfaserbeton ist eine Mischung aus Beton und kleinen Stahlfasern, die als Mikrobewehrung wirken und dem Beton während des Mischprozesses zugefügt werden. Die Verteilung der Fasern ist ein kritischer Faktor, der die Qualität und Leistungsfähigkeit des Endprodukts beeinflusst. Um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten, erfolgt der Mischprozess in spezialisierten Anlagen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Betonen bietet Stahlfaserbeton eine erhöhte Beständigkeit gegenüber dynamischen Belastungen sowie eine verbesserte Schutzwirkung gegen Ermüdungsrissbildung. Insgesamt ist er eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Betonarten für Anwendungen, die eine erhöhte Festigkeit und Rissbeständigkeit erfordern.
Stahlfasertypen und Verarbeitung
Es gibt verschiedene Stahlfasertypen, die je nach ihrer Form, Größe und Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen aufweisen. Für die optimale Leistung von Stahlfaserbeton in unterschiedlichen Bauprojekten sind die korrekte Auswahl des Stahlfasertyps sowie eine fachgerechte Verarbeitung ausschlaggebend. Durch das Zusammenspiel von Stahlfaserbeton und konventionellem Bewehrungsstahl können beispielsweise Konstruktionen realisiert werden, die sich durch eine gesteigerte Druck- und Biegezugfestigkeit auszeichnen.
Für Beton nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 dürfen folgende Stahlfasern nach DIN EN 14889-1 verwendet werden:
- lose Stahlfasern
- bündelweise verklebte Stahlfasern mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung
- Stahlfasern in Dosierverpackung mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung
Gebräuchlich sind folgende Stahlfaserarten:
- Stahldrahtfasern mit glatter Oberfläche und Endhaken
- Stahldrahtfasern mit profilierter Oberfläche und Endhaken
- Stahldrahtfasern in gewellter Form
- Gefräste Spanfasern: sichelförmiger Querschnitt, in der Längsachse tordiert
- Drahtfasern: gebogen und geschnitten oder gestanzt, bessere Verankerung in der Betonmatrix, Endhaken und gelegentlich zusätzliche Prägung
- Profilierte Blechfasern: aus Blechen geschnitten und dabei verformt, z. T. mit Prägungen zur Verbesserung des Verbunds
Der Einfluss von Stahlfasern auf die Betoneigenschaften
Je nach Fasergehalt steigt der Effekt von Stahlfasern. Jedoch führt dies zu einer komplizierteren Verarbeitung des frischen Betons, da sich die Pumpbarkeit verschlechtert und es die ‘Igelbildung’ erschwert. Die Igelbildung entsteht, wenn sich die Stahlfasern während des Mischens klumpen, nicht gleichmäßig verteilen und zu stacheligen Strukturen im Beton führen. Dieses Phänomen kann die strukturelle Integrität des Betons beeinträchtigen, da es zu Bereichen mit unterschiedlicher Faserkonzentration und folglich ungleichmäßiger Festigkeit und Dichte führt.
Außerdem bedingt der geringere Fließgrad von Stahlfaserbeton einen gesteigerten Verdichtungsaufwand. Wird die Verdichtung nicht korrekt ausgeführt, können Qualitätseinbußen des ausgehärteten Betons aufgrund ungenügend verdichteter Bereiche entstehen. Folgende Faktoren verbessern die Eigenschaften des Festbetons:
Druckfestigkeit
Bei einer gebräuchlichen Dosierung, die sich problemlos verarbeiten lässt, wird durch Zugabe von bis zu 1 Vol.-% Stahlfasern die Druckfestigkeit um bis zu 7 % gesteigert. Stahlfaserbeton wird daher auch als hochfester Beton oder Schwerbeton bezeichnet, da er über eine erhöhte Belastbarkeit verfügt.
Biegezug- und Schubfestigkeit, Riss- und Verformungsverhalten
Die Beimischung von Stahlfasern trägt dazu bei, die Rissbildung sowohl im frischen als auch im erhärteten Beton zu verhindern. In frischem Beton entstehen oft Mikrorisse im Übergangsbereich zwischen dem Mörtel und den Gesteinskörnungen, die sich weiter in den Zementstein ausdehnen können. Diese Stahlfasern fangen die entstehenden Spannungen ab und hemmen dadurch die Rissbildung. Ebenso wird die Bildung von Schwindrissen reduziert. Selbst nachdem Risse entstanden sind, spielen Stahlfasern eine stabilisierende Rolle, indem sie eine Kraftübertragung über die Rissstellen hinweg ermöglichen und so zu einer signifikanten Verbesserung der Verzahnung an den Rissflanken beitragen.
Höhere Belastbarkeit / Schlagfestigkeit
Stahlfasern im Beton dienen als Verstärkungselemente und erhöhen die Energieaufnahme- und Widerstandsfähigkeit des Betons bei Schlag- und Stoßbelastungen. Dies führt zu einer höheren Schlagfestigkeit des Betons, was insbesondere in Anwendungen mit hoher Beanspruchung wie in Industrie- und Verkehrsbauwerkenvon Vorteil ist. Stahlfaserbeton ist bis zu 20 Mal schlagfester als Normalbeton.
Verschleißwiderstand und Wärmeleitfähigkeit
Durch Hinzufügen von Stahlfasern zu Beton weist dieser eine erhöhte Verschleißfestigkeit sowie Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Zugabe von Stahlfasern hilft, Abnutzungserscheinungen zu verringern. Studien haben gezeigt, dass bereits eine Dosierung von 1,0 Vol.-% Stahlfasern die Abnutzung um bis zu 25 % reduzieren kann. Auch die Verteilung von Wärme erfolgt gleichmäßiger und schneller, was vornehmlich bei Heizestrichen und beheizten Industrieböden von Vorteil ist.
Folgende Vor- und Nachteile bietet Stahlfaserbeton:
| Vorteile | Nachteile |
| Erhöhte Zugfestigkeit: Verbesserte Zug- und Biegefestigkeit verglichen mit herkömmlichem Beton | Kosten: Die Kosten für Stahlfaserbeton sind höher als für herkömmlichen Beton, hauptsächlich aufgrund der Preise für Stahlfasern. |
| Langlebigkeit: Höhere Widerstandsfähigkeit gegen Risse und Ermüdungserscheinungen | Verarbeitung: Die gleichmäßige Verteilung der Fasern ist eine Herausforderung und erfordert spezielle Mischtechniken. |
| Vielseitigkeit: Anwendbar in einer Vielzahl von Bauprojekten. | Korrosion: Stahlfasern können unter bestimmten Bedingungen korrodieren, was die Langlebigkeit des Betons beeinträchtigen kann. |
| Wirtschaftlichkeit: Langfristige Kosteneinsparungen durch geringere Wartungs- und Reparaturkosten | |
| Geringer Zeitaufwand: Wird in einem Arbeitsgang hergestellt |
Anwendung von Stahlfaserbeton
Stahlfaserbeton wird aufgrund seiner hohen Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit vielseitig eingesetzt: In Industrieböden verbessert er die Belastbarkeit und Beständigkeit gegen schwere Maschinen, in Betonstraßen erhöht er die Rissbeständigkeit und Langlebigkeit. Im Tunnelbau bietet er eine zuverlässige Lösung dank seiner Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit. Im Wohnungsbau wird er für Bodenplatten, Fundamente und Kellerwände verwendet, um Tragfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse zu sichern. Stahlfaserbeton trägt insgesamt zu langlebigen und widerstandsfähigen Bauwerken in verschiedenen Anwendungsbereichen bei.
- Industrieböden: Aufgrund seiner hohen Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit ist er ideal für Industrieböden, Lagerhallen und Parkhäuser.
- Tunnelbau: Seine Fähigkeit, hohen Druck und Schlagbelastungen standzuhalten, macht ihn zu einer bevorzugten Wahl im Tunnelbau.
- Betonfertigteile: Er wird oft in der Herstellung von Betonfertigteilen verwendet, um deren strukturelle Integrität zu verbessern.
- Straßenbau: Im Straßenbau wird Stahlfaserbeton für die Herstellung von Fahrbahnplatten verwendet.
Richtlinie zur Nutzung
Die neue Fassung der DAfStb-Richtlinie (2021) „Stahlfaserbeton – Ergänzungen und Änderungen zu DIN EN 1992-1-1 in Verbindung mit DIN EN 1992-1-1/NA, DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2 und DIN EN 13670 in Verbindung mit DIN 1045-3“ besteht aus drei Teilen. Diese Richtlinie bietet klare Anleitungen für die Verwendung von Stahlfaserbeton in verschiedenen Bauprojekten und dient als Orientierungshilfe für Ingenieure und Bauprofis. Diese neue Fassung der Richtlinie wurde jedoch noch nicht bauaufsichtlich eingeführt und daher gelten bislang die Regelungen der Ausgabe von November 2012. Dennoch bietet die Richtlinie wertvolle Informationen zur Bemessung und Konstruktion von Stahlfaserbeton und gibt Aufschluss über die Anwendungsbereiche dieser Baustoffart.
Umweltaspekte und Zukunftsperspektiven
Stahlfaserbeton bietet sowohl umweltfreundliche als auch nachhaltige Aspekte. Seine Verwendung kann die Notwendigkeit von herkömmlichen Stahlbewehrungen reduzieren, was zu einer Verringerung des CO₂-Fußabdrucks beiträgt. Allerdings ist die Produktion von Stahlfasern energieintensiv und kann zu einer Erhöhung der Treibhausgasemissionen führen.
Die Forschung im Bereich Stahlfaserbeton konzentriert sich zunehmend auf die Verbesserung der Materialeigenschaften und die Entwicklung kosteneffizienter Herstellungsverfahren. Um die Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit weiter zu verbessern, konzentrieren sich aktuelle Forschungsschwerpunkte auf die Integration von recycelten Materialien und die Optimierung der Fasergeometrie.
Häufig gestellte Fragen
Was unterscheidet Stahlfaserbeton von herkömmlichem Beton?
Stahlfaserbeton unterscheidet sich von herkömmlichem Beton durch die Zugabe von Stahlfasern, die seine strukturellen Eigenschaften verbessern, insbesondere im Hinblick auf Zug- und Biegefestigkeit sowie Schlagfestigkeit.
Ist Stahlfaserbeton umweltfreundlich?
Stahlfaserbeton kann umweltfreundlicher sein als herkömmlicher Beton, da er die Notwendigkeit von traditioneller Bewehrung reduziert. Allerdings ist die Produktion von Stahlfasern energieintensiv, was die Umweltbilanz beeinflusst.
Wo wird Stahlfaserbeton hauptsächlich eingesetzt?
Er wird in Bereichen eingesetzt, die hohe Belastungen erfordern, wie Industrieböden, Tunnelbau und bei der Herstellung von Betonfertigteilen.
