Verbundbewehrung für zukünftige Infrastruktur

Weltweit werden Betonbauten angegriffen wie nie zuvor. Nicht nur der Verkehr auf Straßen, Brücken und Überführungen hat zugenommen, sondern der Klimawandel hat auch extreme Wetterereignisse wie heftige Stürme und sintflutartige Regenfälle, die zu Sturzfluten und anderen zerstörerischen Ereignissen führen, verstärkt. Bei einer solchen Belastung kann Beton reißen. Dies ermöglicht eine schnelle Verschlechterung in aggressiven Umgebungen durch Einwirkung von Elementen wie Salzwasser, das für Bewehrungsstahl korrosiv ist.

„Risse schaffen Pfade für die Aggressoren der aggressiven Umgebung, um den Bewehrungs- und/oder Spannstahl zu erreichen und den korrosiven Oxidationsprozess zu beginnen“, erklärt die Innovationswebsite des Florida Dept. of Transportation (FDOT, Tallahassee, Florida, U.S.). „Ein innovativer Ansatz zur Bekämpfung dieses großen Problems besteht darin, die herkömmliche Stabstahl- und Litzenverstärkung durch faserverstärktes Polymer (FRP) zu ersetzen.“ FDOT ist führend in der Verwendung und Prüfung von FRP-Bewehrungsstäben sowie in der Entwicklung von Konstruktions- und Verwendungsstandards, wie sie vom American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, USA) herausgegeben wurden. Obwohl Verbundbewehrungsstäbe hauptsächlich aus Glasfasern (GFK oder GFK) hergestellt werden, wurden auch Produkte aus Basalt (BFRP) oder Kohlefaser (CFK) entwickelt.

„Mit einer langen und kostspieligen weltweiten Korrosionsgeschichte wird Stahl in aggressiven Umgebungen nicht mehr als kostengünstige Option angesehen“, sagt Nick Crofts, CEO des GFK-Bewehrungsstahlherstellers Mateenbar (Dubai, VAE und Concord, NC, USA), Lead Lieferant für das größte GFK-Bewehrungsprojekt der Welt. Bei diesem Projekt handelt es sich um den 23 Kilometer langen und bis zu 80 Meter breiten Hochwasserschutzkanal in Jizan, Saudi-Arabien. Obwohl es GFK-Bewehrungsstäbe seit 30-40 Jahren gibt, sagt Crofts, treiben Schlüsselprojekte wie der Jizan Flood Channel es jetzt in die Mainstream-Infrastruktur vor. Dieses Wachstum rechtfertigt bereits jetzt die neuen Fabriken von Mateenbar in Saudi-Arabien und den USA.

Wegweisende GFK-Bewehrungstechnologie

Mateenbar GFK-Bewehrungsstahl wurde von Pultron Composites (Gisborne, Neuseeland) entwickelt, einem Pionier und Spezialisten für Pultrusionstechnologie und Produktinnovation. Mateenbar adressiert die einzigartigen Herausforderungen des Bewehrungsmarktes, der nicht nur hohe Stückzahlen und niedrige Preise verlangt, sondern auch erfordert auch, dass das Produkt von Projektarchitekten und/oder Ingenieuren spezifiziert wird. So entstand 2008 die erste Fabrik von Mateenbar in der Nähe potenzieller Kunden und Projektierungsfirmen in Dubai, Vereinigte Arabische Emirate, einer Region, die für große Infrastrukturprojekte und den bahnbrechenden Einsatz von Verbundwerkstoffen im Bauwesen bekannt ist. Pultron bleibt ein strategischer Partner von Mateenbar und ein wichtiger Lieferant von maßgeschneiderter Technologie und Produktentwicklung.

Fertigungsschritte

Die Fabrik von Mattenbar verwendet die fortschrittliche Technologie von Pultron, um sehr konsistente pultrudierte Bewehrungsstäbe mit hohem Durchsatz ohne Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) herzustellen. „Wir spritzen Harz ein und härten innen aus das Pultrusionswerkzeug aus konstruiertem Stahl“, sagt Crofts.

„Dieser Bewehrungsstab ist ein technisches Produkt mit einer Dimensionsleistung von besser als ±1 %“, fügt er hinzu. „Es gibt keine Entschuldigung dafür, 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 Epoxy-Backbone-Vinylesters. Es maximiert Zähigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit und ist einem Polyester-Rückgrat mit Epoxid-Endverschlüssen weit überlegen.“

Die pultrudierten Rundstäbe werden anschließend zu einem spiralförmigen Profil bearbeitet, das eine tragende Haftung im Beton ermöglicht. „Auch das ist ein geschlossener Vorgang“, betont Crofts, „der Bearbeitungskabinen verwendet, die mit Luftfiltersystemen von Donaldson (Bloomington, Minnesota, USA) ausgestattet sind. Anschließend bringen wir außen einen Harzfilm an, um das Handling zu verbessern.“ Der Bewehrungsstab von Mateenbar wird in Längen von bis zu 80 Fuß hergestellt und nach Bedarf auf Länge geschnitten. „Für die meisten Infrastruktur- und Bauprojekte sind Längen von 12 m typisch“, sagt Crofts.

„Unser durchschnittlicher gerader Bewehrungsstab hat einen Durchmesser von 0,75 Zoll und einen Zugmodul von 8.700 ksi (60 GPa) aus 11.600-ksi (80-GPa) Glasfaser; Daher ist der Ballaststoffgehalt sehr hoch – mehr als 80 Gew.-%. Es gibt keine Möglichkeit, dies zu biegen, daher wird unser gebogener GFK-Bewehrungsstab mit einem anderen Verfahren und Harz mit proprietärer Technologie hergestellt.“

Weltgrößtes GFK-Bewehrungsprojekt

Jizan (auch Jazan geschrieben) ist die Hauptstadt der Region Jizan, die im Südwesten Saudi-Arabiens, nördlich der Grenze zum Jemen liegt. Verheerende Sturzfluten treten während periodischer starker Regenfälle aufgrund des Abflusses aus den nahe gelegenen Bergen auf. Die 23 Kilometer lange Regenwasser-Abflussrinne aus Stahlbeton wurde zum Schutz eines großen Industriegebiets gebaut, zu dem auch eine Ölraffinerie für Saudi Aramco (Dhahran, Saudi-Arabien) gehört.

Bis zur COVID-19-Pandemie war Saudi Aramco gemessen am Umsatz das weltweit größte Unternehmen. Es wickelt das gesamte Öl- und Derivategeschäft des Königreichs ab und macht auch 10 % des gesamten Baus in Saudi-Arabien aus. „Saudi Aramco hat erkannt, dass ein großer Teil seines Jahresbudgets für den Ersatz von Betonkonstruktionen ausgegeben wurde“, sagt Crofts. „Der hohe Salzgehalt des Sandes der Region und das hohe Temperaturdelta von Tag zu Nacht führen zu einer schnelleren Rissbildung im Beton. Saudi Aramco begann, nach alternativen Technologien zu suchen, und als Mitglieder von ACI übernahmen sie ihre Strategie aus den entwickelten FRP-Bewehrungsstandards und passten sie weiter an und verfeinerten sie als Saudi Aramco-Standards. Das Unternehmen ordnete dann die Verwendung von GFK-Bewehrungsstäben in bestimmten Umgebungen mit starker Korrosion an.“

Saudi Aramco bat um Ausschreibungen für das Jizan Flutkanalprojekt und wählte dann drei GFK-Bewehrungsstahllieferanten aus. Mateenbar erhielt 50 % des Auftrags. „Wir haben mehrere Monate gewartet, während das Projekt vorbereitet wurde“, erinnert sich Crofts, „und dann wurden plötzlich alle Materialien sofort benötigt. Das Werk in Dubai ging innerhalb einer Woche auf Hochtouren und produzierte in sieben Monaten fast 6.000 Kilometer GFK-Bewehrungsstahl.“

Nach der Lieferung wurde die Bewehrung vom Auftragnehmer des Projekts, der Al Yamama Group (Dammam, Saudi-Arabien), eingebaut. „Wir dachten, wir müssten bei der Installation viel Hilfestellung leisten, aber das war nicht nötig“, sagt Crofts. „Sie fanden es viel schneller zu installieren als Bewehrungsstahl.“ Mit einem Gewicht von 25 % gegenüber Stahlbewehrungsstahl ermöglicht der GRFP-Bewehrungsstab die Handhabung größerer Längen mit weniger Personen und ist einfacher zu bewegen und zu positionieren. „Außerdem sind weniger Positionierungsrohre erforderlich“, fügt er hinzu. „Diese runden Rohrabschnitte werden verwendet, um den Bewehrungsstab in der richtigen Höhenposition im Beton zu stützen.“

Nachdem der Bewehrungsstab platziert, mit Edelstahldrähten zusammengebunden und inspiziert wurde, kann er darauf betoniert werden. Das Montageteam der Bewehrungsstäbe war so schnell vorgegangen, bemerkt Crofts, dass sie tatsächlich einen Kilometer den 40 bis 80 Meter breiten Kanal hinuntergefahren waren, bevor sie merkten, dass die Betonierarbeiten nicht mithalten konnten. „Also hielten sie an und ließen den Beton aufholen“, fügt er hinzu. „Das ist wichtig, denn wenn es zu starken Regenfällen kommt, füllt das Hochwasser den Kanal mit Sand. Dies geschah mehrmals, was zu Verzögerungen führte, aber auch die Bedeutung dieser Entwässerungsrinne hervorhob.“

Nachdem der Beton auf den Bewehrungsstab gegossen wurde, wird er vom Montageteam gestopft und komprimiert, um Luftblasen zu entfernen, und härtet dann in den folgenden Tagen und Wochen aus. „Bei diesen Stufen gibt es keinen Unterschied zwischen GFK- und Bewehrungsstahl“, sagt Crofts. "Wir haben die Lieferung von Bewehrungsstahl im Januar 2020 abgeschlossen und der Kanal wurde gerade fertiggestellt."

Design, Kosten und GFK-Zukunft

Crofts weist darauf hin, dass GFK-Bewehrungsstäbe kein direkter Ersatz für Stahl sind. „GFK-Bewehrungsstahl hat andere Eigenschaften als Stahlbewehrungsstahl. Diese Unterschiede müssen im Design berücksichtigt werden. Während also mit Stahl bewehrter Beton normalerweise nach ACI 318 ausgelegt wäre, wäre dies nicht für GFK-Bewehrungsstäbe geeignet, die sich stattdessen auf den ACI 440-Konstruktionsleitfaden stützen. Beispielsweise hat GFK-Bewehrungsstab eine höhere Zugfestigkeit als Stahl, aber einen niedrigeren Zugmodul. Es ist auch bis zum Versagen elastisch.“ Crofts merkt an, dass bei einer Stahlkonstruktion die Bewehrungsmenge normalerweise durch die Zugfestigkeit bestimmt wird. Bei GFK ist der Modul jedoch typischerweise der Faktor, der die benötigte Bewehrungsmenge bestimmt. Das Erfüllen dieser Anforderung führt normalerweise zu einer Struktur, die die Anforderungen an die endgültige Festigkeit übertrifft. Es gewährleistet auch einen wünschenswerten Fehlermodus in der GFK-Bewehrungsstruktur.

Ein weiterer Aspekt ist die Herstellung von Biegungen und Formen. Crofts stellt fest, dass das Verhältnis von gebogenem zu geradem Bewehrungsstab in Projekten im Durchschnitt etwa 30 % beträgt. Bei Bewehrungsstahl wird diese Fertigung oft vor Ort abgeschlossen. „Die gebogenen Mateenbar-Stäbe werden in unserer Fabrik mit kontrollierter Umgebung hergestellt und ohne Zwischenschritte in der Fertigung direkt an die Baustelle geliefert“, erklärt er. „Dies kann aus Versorgungssicht eine Herausforderung sein, da sich der Bedarf von einer Woche zur nächsten ändert. Wir haben festgestellt, dass Flexibilität und eine Fabrik in der gleichen Region sehr wichtig sind.“

„Die Kosten für GFK-Bewehrungsstäbe sind 3-4 mal höher als für Stahl, wenn sie in Dollar pro Pfund berechnet werden“, sagt Crofts, „weil unser Produkt ein Viertel der Dichte hat. Das geeignete Maß sind Dollar pro Fuß, da Betonstahl tatsächlich als Bruchteil des Betonvolumens angegeben und gekauft wird. Wenn man die Kosten nach Volumen misst, ist GFK-Bewehrungsstahl konkurrenzfähig mit Stahl.“

„Jizan war das erste Megaprojekt, bei dem kein Stahl zugelassen wurde“, sagt Crofts. „Sie hatten ein Team, um die erforderlichen Bauwerke mit einer Lebensdauer von mehr als 100 Jahren zu entwerfen. Mehrere Hersteller von GFK-Bewehrungsstäben suchen jetzt nach einer Ansiedlung in Saudi-Arabien, da die Nachfrage wächst.“ Mateenbar baut dort auch eine neue Fabrik 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 Quadratmeter große Anlagen, die die fortschrittliche Pultron-Pultrusionstechnologie verwenden. Für beide wurde die Ausrüstung im Oktober 2020 geliefert und die Produktion soll Anfang 2021 beginnen.

Da die Nachfrage nach GFK-Bewehrungsstäben im Nahen Osten ansteigt, reift der Markt in Nordamerika weiter. „Derzeit sind die größten Anwendungen von GFK-Bewehrungsstäben in Nordamerika Deiche und Brücken entlang der Küste oder wo Straßen stark gesalzen sind“, sagt Croft. „Allerdings versuchen DOTs und Asset Owner jetzt, die Kosten über die Lebensdauer von Strukturen zu verbessern [CW stimmt zu, siehe „Die wachsende Rolle von Verbundwerkstoffen in der Infrastruktur“], was die Reduzierung des Wartungsbedarfs und den Bau einer langlebigen und nachhaltigen Infrastruktur beinhaltet. Beratende Ingenieure und Endverbraucher erkennen den Wert der GFK-Bewehrungsstahltechnologie und die GFK-Bewehrungsstahlhersteller kooperieren bei Qualitäts- und Leistungsstandards. Es gibt auch führende Benutzer wie FDOT, die die Technologie fördern und andere DOTs unterstützen, was zur Verbreitung von Wissen beigetragen hat.“

Crofts stellt fest, dass FDOT kürzlich ein Webinar zum Thema GFK-Stahlbetonkonstruktion mit 200 Teilnehmern veranstaltet hat. In einem anderen Webinar erklärte Dr. Antonio Nanni, einer der wichtigsten Forscher an der University of Miami (Miami, Florida, USA), der mit FDOT zusammenarbeitet:„FRP-Bewehrung ist bereit für die Hauptsendezeit.“ Das sei bewiesen, sagt Crofts. „Die Aufgabe besteht jetzt darin, dass mehr Unternehmen es spezifizieren und Auftragnehmer es verwenden.“