Komposit-Bewehrungsstäbe: Schutz zukünftiger Infrastruktur vor Klimastress

Weltweit sind Betonstrukturen wie nie zuvor unter Beschuss. Nicht nur hat der Verkehr auf Straßen, Brücken und Überführungen zugenommen, sondern der Klimawandel hat extreme Wetterereignisse verstärkt, einschließlich gewaltiger Stürme und sintflutartiger Regenfälle, die Sturzfluten und andere zerstörerische Ereignisse verursachen. Unter solchem Stress kann Beton reißen. Dies ermöglicht rasche Verschlechterung in aggressiven Umgebungen durch Exposition gegenüber Elementen wie Salzwasser, das für Stahlbewehrung korrosiv ist.

"Risse schaffen Pfade für die Aggressoren der aggressiven Umgebungen, um die Bewehrungs- und/oder Vorspannstahl zu erreichen und den korrosiven Oxidationsprozess zu beginnen", erklärt die Website der Florida Dept. of Transportation (FDOT, Tallahassee, Florida, USA) Structures Innovation. "Ein innovativer Ansatz, um dieses große Problem zu bekämpfen, ist der Ersatz traditioneller Stahlstäbe und -litzenbewehrung durch faserverstärkte Polymere (FRP)." FDOT war ein Vorreiter in FRP-Bewehrungsstab-Nutzung und -Test sowie Entwicklung von Design- und Nutzungsstandards, wie sie vom American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, USA) herausgegeben werden. Obwohl Kompositbewehrungsstäbe primär mit Glasfaser (GFRP oder GRP) hergestellt werden, wurden auch Produkte mit Basalt (BFRP) oder Carbonfaser (CFRP) entwickelt.

"Mit einer langen und kostspieligen Korrosionsgeschichte weltweit wird Stahl nicht mehr als kosteneffektive Option in aggressiven Umgebungen gesehen", sagt Nick Crofts, CEO von GFRP-Bewehrungsstab-Hersteller Mateenbar (Dubai, VAE und Concord, NC, USA), Hauptlieferant für das größte GFRP-Bewehrungsstab-Projekt der Welt. Dieses Projekt ist der 23 Kilometer lange und bis 80 Meter breite Flutminderungskanal in Jizan, Saudi-Arabien. Obwohl GFRP-Bewehrungsstäbe seit 30-40 Jahren existieren, sagt Crofts, bringen Schlüsselprojekte wie der Jizan Flood Channel sie jetzt in die Mainstream-Infrastruktur. Dieses Wachstum rechtfertigt bereits Mateenbars neue Fabriken in Saudi-Arabien und den USA.

Pionierarbeit in GFRP-Bewehrungsstab-Technologie

Mateenbar GFRP-Bewehrungsstäbe wurden von Pultron Composites (Gisborne, Neuseeland) entwickelt, einem Pionier und Spezialisten in Pultrusionstechnologie und Produktinnovation. Mateenbar adressiert die einzigartigen Herausforderungen des Bewehrungsstabmarkts, der nicht nur hohes Volumen und niedrige Preise verlangt, sondern auch erfordert, dass das Produkt von Projektarchitekten und/oder Ingenieuren spezifiziert wird. Daher wurde Mateenbars erste Fabrik 2008 in der Nähe potenzieller Kunden und Projekt-Ingenieurbüros in Dubai, VAE, gebaut – einer Region, bekannt für große Infrastrukturprojekte und pionierhaften Einsatz von Kompositen im Bauwesen. Pultron bleibt ein strategischer Partner für Mateenbar und ein Schlüsselzulieferer für maßgeschneiderte Technologie und Produktentwicklung.

Fertigungsschritte

Mateenbars Fabrik nutzt Pultrons fortschrittliche Technologie, um sehr konsistente pultrudierte Bewehrungsstäbe bei hohem Durchsatz ohne flüchtige organische Verbindungen (VOC) Emissionen herzustellen. "Wir injizieren Harz und härten innen im konstruierten Stahl-Pultrusionswerkzeug aus", sagt Crofts.

"Dieser Bewehrungsstab ist ein konstruiertes Produkt mit dimensionsmäßiger Performance besser als ±1%", fügt er hinzu. "Es gibt keine Entschuldigung, Harz auf dem Boden oder Staub in der Luft zu sehen. Die verwendete Faser ist korrosionsbeständiges ECR-Glas von Owens Corning (Toledo, Ohio, USA) und das Harz ist unsere eigene Variante eines Epoxid-rückgratigen Vinylesters. Es maximiert Zähigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit und ist weit überlegen gegenüber einem Polyester-Rückgrat mit Epoxid-Endgruppen."

Die pultrudierten Rundstäbe werden dann bearbeitet, um ein Spiralprofil zu erzeugen, das tragfähige Haftung im Beton ermöglicht. "Das ist auch ein geschlossener Prozess", merkt Crofts an, "mit Bearbeitungskabinen, ausgestattet mit Donaldson (Bloomington, Minnesota, USA) Luftfiltersystemen. Dann tragen wir einen Harzfilm außen auf, um die Handhabung zu verbessern." Mateenbars Bewehrungsstäbe werden in Längen bis 80 Fuß produziert, auf Maß geschnitten. "Typisch sind 40-Fuß-Längen für die meisten Infrastruktur- und Bauprojekte", sagt Crofts.

"Unser durchschnittlicher gerader Bewehrungsstab hat 0,75 Zoll Durchmesser, mit einem Zugmodul von 8.700 ksi (60 GPa) aus 11.600-ksi (80 GPa) Glasfaser; somit ist der Faseranteil sehr hoch – über 80 % nach Gewicht. Es gibt keine Möglichkeit, dies zu biegen, so dass unser gebogener GFRP-Bewehrungsstab mit einem anderen Prozess und Harz, mit proprietärer Technologie, hergestellt wird."

Weltweit größtes GFRP-Bewehrungsstab-Projekt

Jizan (auch Jazan geschrieben) ist die Hauptstadt der Jizan-Region, die im Südwesten Saudi-Arabiens liegt, nördlich der Grenze zum Jemen. Katastrophale Sturzfluten treten bei periodischen Starkregen durch Abfluss aus nahegelegenen Bergen auf. Der 23 Kilometer lange, armierte Beton-Sturmwasserableitungskanal wurde gebaut, um eine große Industriezone zu schützen, die eine Öraffinerie für Saudi Aramco (Dhahran, Saudi-Arabien) umfasst.

Bis zur COVID-19-Pandemie war Saudi Aramco das weltweit größte Unternehmen nach Umsatz. Es verwaltet das gesamte Öl- und Derivate-Geschäft des Königreichs und macht auch 10 % des gesamten Baus in Saudi-Arabien aus. "Saudi Aramco realisierte, dass ein großer Prozentsatz seines Jahresbudgets für den Ersatz von Betonstrukturen ausgegeben wurde", sagt Crofts. "Die hohe Salinität im Sand der Region und der hohe Temperaturdelta von Tag zu Nacht verursachen schnelleres Rissbildung im Beton. Saudi Aramco begann nach alternativen Technologien zu suchen und nahm als ACI-Mitglieder ihre Strategie aus den FRP-Bewehrungsstab-Standards, die sie weiter anpassten und verfeinerten als Saudi Aramco Standards. Das Unternehmen schrieb dann die Verwendung von GFRP-Bewehrungsstäben in bestimmten hochkorrosiven Umgebungen vor."

Saudi Aramco bat um Angebote für das Jizan-Flutkanalprojekt und wählte dann drei GFRP-Bewehrungsstab-Lieferanten. Mateenbar erhielt 50 % des Auftrags. "Wir warteten mehrere Monate, während das Projekt anlief", erinnert sich Crofts, "und dann wurden plötzlich alle Materialien sofort benötigt. Die Dubai-Fabrik ging innerhalb einer Woche auf Volllast und produzierte fast 6.000 Kilometer GFRP-Bewehrungsstäbe über sieben Monate."

Nach der Lieferung wurde der Bewehrungsstab vom Projektauftragnehmer Al Yamama Group (Dammam, Saudi-Arabien) installiert. "Wir dachten, wir müssten während der Installation viel Unterstützung leisten, aber es war nicht nötig", sagt Crofts. "Sie fanden es viel schneller zu installieren als Stahlbewehrung." Mit einem Gewicht von 25 % von Stahlbewehrung ermöglicht GFRP-Bewehrung das Handling längerer Längen mit weniger Leuten und ist einfacher zu bewegen und zu positionieren. "Es werden auch weniger Positionierrohre benötigt", fügt er hinzu. "Diese runden Rohrabschnitte dienen dazu, den Bewehrungsstab in der richtigen Höhenposition im Beton zu halten."

Nach dem Verlegen, Verbinden mit Edelstahldrähten und Inspektion ist der Bewehrungsstab bereit für den Betonguss. Das Verlegeteam bewegte sich so schnell, merkt Crofts an, dass es tatsächlich einen Kilometer den 40- bis 80-Meter-breiten Kanal hinunter war, bevor es merkte, dass die Betongießarbeiten nicht mithalten konnten. "Also stoppten sie und ließen den Beton aufholen", fügt er hinzu. "Das ist wichtig, weil bei Starkregen die Flutung den Kanal mit Sand füllt. Das passierte ein paar Mal, verursachte Verzögerungen, aber unterstrich auch die Wichtigkeit dieses Entwässerungskanals."

Nach dem Betonguss verdichtet und komprimiert das Installationsteam den Beton, um Luftblasen zu entfernen, und er härtet über die folgenden Tage und Wochen aus. "Es gibt keinen Unterschied zwischen GFRP und Stahlbewehrung für diese Schritte", sagt Crofts. "Wir beendeten die Bewehrungsstablieferung im Januar 2020, und der Kanal wurde gerade fertiggestellt."

Design, Kosten und GFRP-Zukunft

Crofts weist darauf hin, dass GFRP-Bewehrungsstab kein direkter Ersatz für Stahl ist. "GFRP-Bewehrungsstab hat andere Eigenschaften als Stahlbewehrung. Diese Unterschiede müssen im Design berücksichtigt. So würde Beton, der mit Stahl bewehrt ist, typischerweise nach ACI 318 designed, was für GFRP-Bewehrung nicht geeignet wäre, die sich auf den ACI 440 Design Guide stützt. Als Beispiel: GFRP-Bewehrung hat höhere Zugfestigkeit als Stahl, aber niedrigeren Zugmodul. Sie ist auch bis zum Versagen elastisch." Crofts merkt an, dass in einem Stahl-Design die Bewehrungsmenge typischerweise durch die Zugfestigkeit bestimmt würde. Für GFRP ist jedoch typischerweise der Modul der Faktor, der die Bewehrungsmenge bestimmt. Die Erfüllung dieser Anforderung resultiert typischerweise in einer Struktur, die die ultimativen Festigkeitsanforderungen übertrifft. Es sichert auch einen wünschenswerten Versagensmodus im GFRP-bewehrten Bauwerk.

Eine weitere Überlegung ist die Herstellung von Biegungen und Formen. Crofts merkt an, dass das Verhältnis von gebogenen zu geraden Bewehrungsstäben in Projekten im Durchschnitt ca. 30 % beträgt. Bei Stahlbewehrung wird diese Fertigung oft vor Ort durchgeführt. "Mateenbar gebogene Stäbe werden in unserer kontrollierten Umgebungsfabrik produziert und direkt zur Baustelle geliefert, ohne Zwischenschritte", erklärt er. "Das kann aus Lieferperspektive eine Herausforderung sein, da sich Bedürfnisse von Woche zu Woche ändern. Wir haben festgestellt, dass Flexibilität und eine Fabrik in der gleichen Region sehr wichtig sind."

"Die Kosten für GFRP-Bewehrung sind 3-4 mal höher als Stahl, wenn man Dollar pro Pfund rechnet", sagt Crofts, "weil unser Produkt ein Viertel der Dichte hat. Das angemessene Maß ist Dollar pro Fuß, weil Bewehrung tatsächlich als Bruchteil des Betonvolumens spezifiziert und gekauft wird. Wenn man den Kosten nach Volumen misst, ist GFRP-Bewehrung kosteneffektiv mit Stahl."

"Jizan war das erste Megaprojekt, das Stahl nicht zuließ", sagt Crofts. "Sie hatten ein Team, um die erforderlichen Strukturen mit einer Lebensdauer von über 100 Jahren zu designen. Mehrere GFRP-Bewehrungsstab-Hersteller schauen nun nach Saudi-Arabien, da die Nachfrage wächst." Mateenbar baut auch eine neue Fabrik dort, sowie eine in Concord, N.C., USA, um Nordamerika zu bedienen, den zweitgrößten Markt nach dem Nahen Osten. Beide neuen Fabriken sind moderne 100.000-Quadratfuß-Anlagen, die Pultrons fortschrittliche Pultrusionstechnologie nutzen. Für beide wurde die Ausrüstung im Oktober 2020 geliefert, und die Produktion soll Anfang 2021 beginnen.

Während die Nachfrage nach GFRP-Bewehrung im Nahen Osten anzieht, reift der nordamerikanische Markt weiter. "Derzeit sind die größten GFRP-Bewehrungsanwendungen in Nordamerika Seewände und Brücken an der Küste oder wo Straßen stark gesalzen werden", sagt Croft. "Jedoch schauen DOTs und Asset-Owner nun darauf, Kosten über die Lebensdauer von Strukturen zu verbessern, was die Reduzierung von Wartungsbedarf und den Bau langlebiger, nachhaltiger Infrastruktur einschließt. Beratende Ingenieure und Endnutzer erkennen den Wert der GFRP-Bewehrungstechnologie, und GFRP-Bewehrungsstab-Hersteller kooperieren bei Qualitäts- und Leistungsstandards. Es gibt auch führende Nutzer wie FDOT, die die Technologie fördern und anderen DOTs assistieren, was zur Wissensverbreitung beigetragen hat."

Crofts merkt an, dass FDOT kürzlich ein Webinar zu GFRP-bewehrtem Betondesign mit 200 Teilnehmern veranstaltete. In einem anderen Webinar sagte Dr. Antonio Nanni, einer der Schlüsselforscher an der University of Miami (Miami, Florida, USA), der mit FDOT arbeitet: "FRP-Bewehrung ist bereit für den Primetime-Einsatz." Das wurde bewiesen, sagt Crofts. "Die Aufgabe jetzt ist, dass mehr Unternehmen sie spezifizieren und Auftragnehmer sie nutzen."