Monika Helm

Stahlfaserbetone in der Praxis
Herstellung, Verarbeitung,
Überwachung

©      by Verlag Bau+Technik GmbH
Gesamtproduktion: Verlag Bau+Technik GmbH,
Postfach 12 01 10, 40601 Düsseldorf
www.verlagbt.de

Druck: B.o.s.s Druck und Medien GmbH, 47561 Goch

Monika Helm

Stahlfaserbetone in der Praxis

Herstellung, Verarbeitung, Überwachung

Die Inhalte und Lösungsvorschläge in diesem Buch sind nach bestem Wissen zusammengestellt. Hinsichtlich der Anwendung der Inhalte kann vom Autor jedoch keine Gewähr übernommen werden. Das Buch ersetzt nicht die projektbezogene Planungsleistung. Sie entbindet nicht von der Pflicht zur Prüfung der Normvorgaben und ihrer Gültigkeit für den jeweiligen Anwendungsfall. Die Anwendung der Inhalte und Lösungsvorschläge berechtigt zu keinerlei Regressansprüchen gegenüber dem Autor.

Inhaltsverzeichnis

Die wichtigsten verwendeten Formelzeichen

1    Einleitung

2    Einleitung zur DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“

2.1    Allgemeines

2.2    Aufbau der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“

2.3    Anwendungsbereiche

3    Geschichtlicher Abriss

4    Anwendungsgebiete

5    Übersicht der verwendbaren Fasern

5.1    Allgemeines

5.2    Faserarten

5.3    Normative Grundlagen

5.3.1   Systeme der Konformitätsbescheinigung

5.3.2   Übereinstimmungszeichen

5.4    Stahlfasern

5.4.1   Formen

5.4.2   Wirkung der Fasern im Beton

5.4.3   Prüfungen der Fasern

5.4.4   Kennzeichnung der Stahlfaser

5.4.5   Werkseigene Produktionskontrolle für Stahlfasern beim Hersteller

5.5    Kunststofffasern

6    Stahlfaserbeton

6.1    Eigenschaften (Expositionsklassen, Korrosion, Rissbildung)

6.2    Ausgangsstoffe

6.3    Leistungsfähigkeit der Stahlfaserbetone

6.4    Festlegung des Betons

6.4.1   Beton nach Eigenschaften

6.4.2   Beton nach Zusammensetzung

6.4.3   Beton mit Stahlfasern

6.5    Festlegungen bei Stahlfaserbeton

7    Prüfungen bei Faserbetonen

7.1    Prüfung des Fasergehalts

7.2    Prüfung des Fasergehalts am Frischbeton

7.2.1   Auswaschversuch nach DAfStb-Richtlinie

7.2.2   Induktives Verfahren gemäß DAfStb-Richtlinie [15], [16]

7.2.3   Fasergehaltsbestimmung nach DIN EN 14721

7.2.4   Fasergehalt gemäß Richtlinie „Faserbeton“ der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik e.V. [62]

7.2.5   Fasergehalt am Festbeton gemäß SIA 162/6 „Stahlfaserbeton“ des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten-Vereins [76]

7.2.6   Fasergehaltsbestimmung bei faserverstärkten Spritzbetonen nach DIN EN 14488-

7.2.7   Weitere Verfahren zur Ermittlung des Fasergehalts

7.2.8   Zusammenfassung zur Fasergehaltsbestimmung bei Frischbeton

7.3    Prüfungen des Fasergehalts am Festbeton

7.3.1   Induktives Prüfverfahren zur Fasergehaltsbestimmung am Festbetonen

7.3.2   Fasergehalt im Festbeton gemäß DIN EN 14721

7.3.3   Fasergehalt gemäß Richtlinie „Faserbeton“ der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik e.V. [62]

7.3.4   Fasergehalt am Festbeton gemäß SIA 162/6 „Stahlfaserbeton“ des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten-Vereins [76]

7.3.5   Fasergehalt bei faserverstärkten Spritzbetonen nach DIN EN 14488-7

7.3.6   Zusammenfassung zur Ermittlung des Fasergehalts am Festbeton

7.4    Prüfungen zur Faserorientierung

7.5    Nachrissbiegezugfestigkeit

7.5.1   Nachrissbiegezugfestigkeitsprüfung nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [15], [16]

7.5.2   Äquivalente Biegezugfestigkeit und Biegezugfestigkeit nach Richtlinie „Faserbeton“ der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik e.V. [62]

7.5.3   Belastungsversuche nach SIA 162/6 „Stahlfaserbeton“ des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten-Vereins [76]

7.5.4   Biegefestigkeiten nach DIN EN 14488-3 bei Spritzbetonen

7.5.5   Zusammenfassung zur Ermittlung nach Biegezugfestigkeiten

7.5.6   Fehlerquellen bei der Auswertung der Kurvenverläufe

8    Erstprüfung für Stahlfaserbetone

8.1    Allgemeine Hinweise

8.2    Mischungsberechnung

8.3    Umfang der Erstprüfung

8.3.1   Frischbetoneigenschaften bei der Erstprüfung

8.3.2   Festbetoneigenschaften bei der Erstprüfung

8.4    Festlegung der Leistungsklassen

8.5    Interpolation und Extrapolation zur Ermittlung von Erstprüfergebnissen

8.6    Zusammenfassung „Erstprüfung“

9    Herstellung von Stahlfaserbeton

9.1    Ausstattung einer Mischanlage

9.1.1   Lagerung der Ausgangsstoffe

9.1.2   Mischer

9.1.3   Dosiereinrichtungen

9.2    Werkseigene Produktionskontrolle

9.3    Konformitätskontrolle

9.4    Preislisten

10   Verwendung

10.1  Bestellung

10.2  Lieferung

10.3  Verarbeitung auf der Baustelle

10.4  Qualitätssicherung

11   Anwendungen

11.1  Vergleich der Regelungen in Deutschland, Österreich und der Schweiz

11.2  Stahlfaserbeton mit besonderen betontechnologischen Anforderungen

11.3  Einsatzmöglichkeiten bei Betonen im Geltungsbereich des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG)

11.4  Fertigteile nach Norm

11.5  Beton nach den ZTV's

11.6  Stahlfaserspritzbeton

11.7  Weitere Anwendungen

Anhang A
Beispiel für eine Leistungserklärung

Anhang B
Bestimmung der Leistungsklassen mit sechs Biegebalken bei L2/L1 < 0,7 (Beispiel 1)

Anhang C
Bestimmung der Leistungsklassen mit neun Biegebalken bei L2/L1 < 0,7 (Beispiel 2)

Anhang D
Bestimmung der Leistungsklassen mit neun Biegebalken bei L2/L1 > 0,7 (Beispiel 3)

Anhang E
Bestimmung der Leistungsklassen mit sechs Biegebalken bei L2/L1 > 1,0 (Beispiel 4)

Anhang F
Interpolation bei gleichem Beton und unterschiedlicher Fasermenge

Literaturverzeichnis

Verwendete Normen

Quellennachweis der Bilder

Die wichtigsten verwendeten Formelzeichen

1    Einleitung

Aus dem ursprünglichen Drei-Stoff-System des Betons mit Gesteinskörnungen, Zement und Wasser ist durch Hinzukommen von Zusatzmittel und Zusatzstoffen ein Fünf-Stoff-System geworden.

Legt man Bewehrungsstahl in den Beton, wird aus dem unbewehrten Beton bewehrter Beton bzw. Stahlbeton. Heute können dies Stahlfasern bei einer Reihe von Anwendungen sein, d.h. eine „Stahleinlage“ kann direkt in den Betonmischer oder Fahrmischer gegeben werden, sodass die Bewehrung mit dem Fahrmischer auf die Baustelle kommt. Eine geniale Idee, die aber noch nicht in vollem Umfang genutzt wird, im Vergleich zu anderen Betonen. Für den Hausbauer werden die Vorteile von Stahlfaserbeton als „fertig armierter Beton“ u.a. in [57] beschrieben.

Die DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [16] hat lange auf sich warten lassen, ist seit dem Jahre 2011 bauaufsichtlich eingeführt und kann angewendet werden. Die Anforderungen, die sich für den Betonhersteller und den Verwender von Stahlfaserbeton ergeben, werden in den folgenden Ausführungen zusammengefasst und erläutert.

Die Ausführungen sollen Herstellern und Verwendern Hinweise geben und zeigen, welche Schritte unternommen werden müssen, um einen Stahlfaserbeton nach DAfStb-Richtlinie anbieten und einsetzen zu können.

Auch der Planende erhält Informationen darüber, wie beim Stahlfaserbeton Betonhersteller und Anwender arbeiten und welche Informationen der Betonhersteller benötigt, sodass ein Stahlfaserbeton nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ hergestellt, geliefert und eingebaut werden kann. Denn bereits in der Planungsphase werden Entscheidungen getroffen, die wichtige Grundlagen für den Einsatz eines Stahlfaserbetons nach DAfStb-Richtlinie sind.

Dargestellt und erläutert wird die Schnittstelle zwischen allen Beteiligten: Planer, Betonlieferant und Bauunternehmen. So sollte es mithilfe des vorliegenden Buchs möglich werden, dass Betonlieferanten – wenn Stahlfaserbetone unter Angabe von Leistungsklassen ausgeschrieben sind – Beton mit den entsprechenden Eigenschaften anbieten können, ohne den Ausschreibenden nach den Stahlfasermengen zu fragen, die dem Beton zuzugeben sind.

Die Ausarbeitungen in diesem Buch basieren auf der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ Ausgabe 03/2010. Berücksichtigt wurde ebenfalls der Entwurf der Überarbeitung der Richtlinie mit Stand 07/2012 [15]. Dieser Entwurf ist im Bemessungsteil dem Eurocode 2 (DIN EN 1992-1-1 NA) angepasst und die Teile 2 und 3 sind in einigen Details korrigiert worden, die sich aus der praktischen Umsetzung der Richtlinie des Jahres 2010 ergeben haben und auch den Bearbeitungsstand der Überarbeitung der EN 206 (02/2012) berücksichtigen.

2    Einleitung zur DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“

2.1   Allgemeines

Die Normenwerke für Beton wie die DIN EN 1992-1-1, die DIN EN 206-1, die DIN EN 13670 sowie die entsprechenden nationalen Anwendungsnormen der DIN 1045 ff und die weiterführenden Richtlinien des Betonbaus beziehen sich auf die Entwicklung der letzten Jahrzehnte in der Betontechnik. So begann die nennenswerte Zugabe von Zusatzstoffen erst in den sechziger Jahren, doch durch findige Ideen und dann folgende intensive Forschungstätigkeit wurden die Möglichkeiten – u.a. Flugasche dem Beton zuzugeben – deutlich ausgeweitet. Zunächst waren dazu allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen sowohl für die Flugasche als auch für die Betonzusammensetzung erforderlich. Heute gehört der Einsatz von Betonzusatzstoffen zum Alltag in der Betontechnologie und bedarf nur noch in Ausnahmefällen bauaufsichtlicher Zulassungen, da viele Erfahrungen aus der Praxis in die Normung des Betonbaus eingeflossen sind, z.B. in DIN EN 450 ff.

Eine ähnliche Entwicklung vollzog bzw. vollzieht sich bei den Fasern. Aus den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen ist eine Stoffnorm für Fasern in mehreren Teilen entstanden, die DIN EN 14889ff. In dieser Norm sind im Teil 1 Begriffe, Festlegungen und Konformität zu Stahlfasern geregelt und im Teil 2 Begriffe, Festlegungen und Konformität zu Kunststofffasern.

Die Stahlfasern können nach den Festlegungen der Norm als Betonausgangsstoff eingesetzt werden. Für den Einsatz von Fasern nach Teil 2 sind in Deutschland noch bauaufsichtliche Zulassungen für die Verwendung im statisch relevanten Bereich erforderlich.

Im derzeitigen Regelwerk der DIN EN 206-1/DIN 1045-2 ist nur das Zumischen von Fasern, die DIN EN 14889ff entsprechen, möglich. Die Fasern werden heute nicht mehr zu den Zusatzstoffen gezählt, sondern werden als eigener Betonausgangsstoff geführt. Damit ist der Beton von einem „Drei-Stoff-System“ über ein „Fünf-Stoff-System“ zu einem „Sechs-Stoff-System“ geworden.

Die Bemessung und Qualitätssicherung bei der Herstellung und Anwendung im Betonbau sind im weitesten Sinne nicht in einer Anwendungsnorm für Stahlfaserbeton geregelt. Die DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ greift dies auf und beschreibt für eine Vielzahl von statisch relevanten Bauteilen die Anwendungsregeln. Hierbei werden die Eigenschaften genutzt, die durch die Stahlfasern im Beton erreicht werden können. Im Bild 2.1 ist anschaulich dargestellt, wie der Belastungsdehnungsverlauf von einem Beton, Stahlbeton und einem Stahlfaserbeton im Allgemeinen aussehen kann.

Ausführlich werden die Anwendungen und Grundlagen in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Auf der Grundlage des DBV-Merkblatts „Stahlfaserbeton“ des Jahres 2001 [22] und den Erfahrungen aus den Bauteilzulassungen wurde die DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [16] erarbeitet. Die Bauteilzulassungen wurden bis zum Erscheinen der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ auf der Grundlage des erwähnten DBV-Merkblatts [22] erstellt. Zum besseren Verständnis und für Auslegungsfragen wurde im Jahre 2004 noch eine Beispielsammlung für Stahlfaserbetonbauteile erarbeitet [19]. In der genannten Beispielsammlung wurden Anwendungsfälle, u.a. für Einfeldbalken, Durchlaufträger, Deckenplatte, Bodenplatte, querkraftbeanspruchter Plattenbalken, Tunnelinnenschale, Kellersohlplatte sowie Kelleraußenwände ausführlich beschrieben und Festlegungen für die Stahlfaserbetone nach DBV-Merkblatt aufgeführt und erläutert.

Die erarbeiteten Bauteilzulassungen lagen zu diesem Zeitpunkt für Bodenplatten, Wände, Fertiggaragen und vorgespannte Balken und Träger vor. Die bauaufsichtliche Einführung der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ im Jahre 2011ermöglicht nun, dass die Anwendung in Bodenplatten und Wänden nicht mehr in Zulassungen geregelt sein müssen. In [16] wird auf die Erfahrungen aus den Bauteilzulassungen eingegangen.

Die technischen Regeln zum Stahlfaserbeton erschließen diesem Baustoff weite Anwendungsfelder. Die Umsetzung in die Praxis wird lediglich durch Unsicherheiten vieler planender und bemessender Ingenieure gehemmt.

2.2   Aufbau der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“

Die Mehrzahl der Richtlinien des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) sind so aufgebaut, dass die Änderungen und Ergänzungen gegenüber den derzeit gültigen Regelwerken DIN EN 1992-1-1 (DIN 1045-1), DIN EN 206-1/DIN 1045-2 sowie DIN EN 13670/DIN 1045-3 in einer Dreiteilung von Bemessung, Herstellung und Bauausführung zusammengefasst werden.

Im Hinblick auf die Umsetzung des europäischen Normenwerks (Bild 2.2) zum Betonbau ist eine Anpassung der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ an diese Normen bereits in Vorbereitung [15]. Die Dreiteilung in der Richtlinie [16] bleibt dabei, aufbauend auf DIN EN 1992-1-1 NA, DIN EN 206 sowie DIN EN 13670, erhalten. Die Regelungen aus den bisher vorliegenden und bauaufsichtlich eingeführten europäischen Normen (DIN EN 1992-1-1 NA) sind bereits in dem neuen Entwurf zur Überarbeitung der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [15] berücksichtigt.

2.3   Anwendungsbereiche

In der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ wird der Anwendungsbereich in den Einleitungen zu den Teilen 1 und 2 angegeben. In der Richtlinie geregelt sind die Bemessung und Konstruktion von Tragwerken des Hoch- und Ingenieurbaus mit Stahlfaserbeton sowie die Kombinationsmöglichkeiten von Stahlfaserbewehrung und Betonstahlbewehrung.

Die Richtlinie kann auch angewendet werden für nichttragende Bauteile, wenn dies vertraglich vereinbart wird. Dazu können auch die Industrieböden zählen [52], die heute in der Mehrzahl der Anwendungen nach der TR 34 [12] bemessen werden.

Die Richtlinie schließt ihre Anwendung aus für Bauteile aus:

-   vorgespanntem Stahlfaserbeton,

-   gefügedichtem und haufwerksporigem Leichtbeton,

-   hochfestem Beton der Druckfestigkeitsklassen ab C55/67,

-   Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung in den Expositionsklassen XS2, XD2, XS3 und XD3, bei denen die Stahlfasern rechnerisch in Ansatz gebracht werden,

-   selbstverdichtendem Beton,

-   Beton nach Zusammensetzung,

-   Standardbeton sowie

-   Stahlfaserspritzbeton.

Einige Bauteile, die auch über die DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ abgedeckt wären, sind noch in Zulassungen (Tafel 2.1) geregelt, die diesen Bauteilen teilweise über den von der Richtlinie abgedeckten Bereich hinausgehende Anwendungen ermöglicht.

Für vorgespannte Bauteile aus Stahlfaserbeton existieren im Moment mehrere Zulassungen, die in der folgenden Tabelle Tafel 2.2 zusammengefasst sind.

Tafel 2.1: Zulassungen – Wände aus Stahlfaserbeton (Stand: März 2013)

Tafel 2.2: Zulassungen – Vorgespannte Bauteile aus Stahlfaserbeton (Stand: März 2013)

Für die Verwendung von selbstverdichtenden Betonen mit Stahlfasern sind Anwendungen bereits bekannt. Die entsprechenden Zulassungen sind ebenfalls in Tafel 2.2 zum Teil enthalten, so z.B. bei Spannbetonbindern.

Ein Grund dafür, dass selbstverdichtender Beton als Stahlfaserbeton nicht in den Geltungsbereich der Richtline aufgenommen wurde, ist u.a. in der Ausrichtung der Fasern zu suchen. Bei Untersuchungen nach [64] wurde festgestellt, dass bei sehr weichen Betonen, etwa bei Ausbreitmaßen = Konsistenzklasse F4, sich die Stahlfasern ausrichten, damit eine homogene Verteilung nicht mehr gewährleistet ist (Bild 2.3) und dadurch die Wirkung der Fasern im Beton abnimmt. Dies trifft auch für die selbstverdichtenden Betone mit Setzfließmaßen > 700 mm [14] zu.

Der Stahlfaserspritzbeton fällt ebenfalls nicht in den Anwendungsbereich der DAfStb-Richtlinie, gleichwohl sind viele Anwendungen als Spritzbeton bekannt, insbesondere im Tunnelbau. Der Spritzbeton ist generell in DIN EN 14487 Teile 1 und 2 geregelt. Im Kapitel 11 „Anwendungen“ dieses Werks wird darauf ausführlich eingegangen.

Die Anwendung der Richtlinie ist auch bei nichttragenden Bauteilen möglich, muss dann jedoch vertraglich vereinbart werden. Darunter würden die Industrieböden fallen, die ansonsten auch über Regelwerke des Betonbaus nicht genormt sind. Häufig werden diese Bauteile durch Angabe der Leistungsklassen auch nach der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ ausgeführt, jedoch mit Abstrichen in der Qualitätssicherung gegenüber den Anforderungen in der Richtlinie.

Das DBV-Merkblatt „Industrieböden aus Beton für Frei- und Hallenflächen“ [20] geht ebenfalls auf die Verwendung von Faserbetonen ein. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird dieses Merkblatt in einem entsprechenden Arbeitskreis beim DBV überarbeitet. In dem neuen Merkblatt wird die Bemessung der Industrieböden dann über Leistungsklassen enthalten sein [21].

Auf europäischer Ebene werden Anstrengungen unternommen, einheitliche Regelungen für die Anwendung von Stahlfaserbetonen einzuführen. Ein Leitfaden des Europäischen Transportbetonverbands ERMCO zu Faserbetonen ist ein Schritt in diese Richtung [32]. In diesem Leitfaden wurden zunächst alle Regelungen der einzelnen europäischen Länder zusammengestellt.

3    Geschichtlicher Abriss

Schon die Römer setzten Beton als Opus Caementitium ein und schufen so Bauwerke, die die Jahrhunderte überdauerten und noch heute faszinieren, wie z.B. das Pantheon in Rom. In Einzelfällen konnte sogar die Verwendung von Eisen als Zugbewehrung nachgewiesen werden.

Heute ist der auf Zement basierende Beton unverzichtbar in der Baubranche. Er zeichnet sich durch hohe Tragfähigkeit und – richtig geplant, ausgeführt und gewartet – große Dauerhaftigkeit aus. Das hat ihm den Weg zum meist genutzten Baustoff mit einem sehr breiten Anwendungsgebiet geebnet.

Ein großer Vorteil des Baustoffs „Beton“ ist, dass sowohl Betonbauteile im Werk witte-rungsunabhängig vorgefertigt oder auf der Baustelle in Form gegossen werden können. Beton kann vielfältige und ausgefallene Formen und Farben annehmen, wie das geneigte Betondach im Bild 3.1 zeigt. Wären bei diesem Bauwerk Fasern im Beton verwendet wurden, hätte der hohe Bewehrungsgrad reduziert werden können. Skeptiker hätten sicher befürchtet bei diesem Sichtbeton eine störende Sichtbarkeit der Fasern an der Oberfläche.

Beton ist für zahlreiche Einsatzbereiche hervorragend geeignet. Bei bestimmten Bauprojekten kann nur Beton eingesetzt werden, da bei ihnen z.B. Holz wegen seines anisotropen Belastungsverhalten, Stahl wegen seines kaum angekündigten Baustoffversagens oder Mauerwerk aufgrund seines schwachen Verbunds zwischen Fugenmaterial und Mauerstein nicht zu verwenden sind. Beton ist einfach zu produzieren und gut zu verarbeiten.

Aber auch Beton hat Schwachpunkte: die vergleichsweise kleine Zugfestigkeit und die niedrige Duktilität. Diese Schwächen lassen sich jedoch einfach im Verbund mit anderen Baustoffen beheben. Die Idee dazu entwickelten Menschen schon vor Jahrtausenden, als sie versuchten getrocknetem, sprödem Lehm durch die Zugabe von Stroh ein besseres Gefüge zu verleihen und so Risse zu verhindern. Auch heute wird dies noch praktiziert (Bild 3.2). Dem Beton wurden ursprünglich natürlichen Rohstoffe wie Tierhaare (Wolle), Schilf und Stroh beigemischt. Diese Materialien beeinflussten tatsächlich maßgebliche Betoneigenschaften positiv.

Mit der Zunahme der Einsatzbereiche von Beton im Bauwesen zeigte sich schnell, dass die Nutzung von Naturfasern nicht optimal war. So nehmen Naturfasern z.B. viel Wasser auf und verursachen dadurch starke Schwind- und Quellvorgänge. Auch waren die Naturfasern nicht dauerhaft und zersetzten sich schnell im alkalischen Milieu im Beton oder durch Bakterien [23], [43].

Der Durchbruch gelang erst 1845 dem französischen Gärtner Joseph Monier mit der Idee, mit einbetonierten Eisenkörben dem Betons die fehlende Zugfestigkeit zu verleihen. Der Einsatzbereich: Blumentöpfe.

Bis diese Idee von Monier auch Anwendung in Baukonstruktionen fand, mussten noch einige Hürden genommen werden. Kritiker wiesen auf drei Probleme hin, die ein Zusammenspiel zwischen Beton und Stahl als unmöglich erscheinen ließen:

1.  Der korrosionsanfällige Stahl würde im Beton aufgrund des Oxidationsprozesses schnell seine Festigkeit verlieren.

2.  Beton und Stahl würden sich unter dem Einfluss von Temperaturschwankungen unterschiedlich dehnen und zusammenziehen und dies würde zu inneren Spannungen führen.

3.  Zwischen Beton und Stahl wäre kein richtiger Verbund möglich, da sich der glatte Stahl viel zu einfach aus dem Beton ziehen lassen würde.

Alle drei „Probleme“ erwiesen sich als beherrschbar und stehen heute für Merkmale, die das gute Zusammenwirken von Stahl und Beton beim Stahlbeton beschreiben. Statt den Stahl anzugreifen, bildet der Beton aufgrund seines alkalischen Milieus eine passive Schutzschicht, die den Stahl so vor Korrosion schützt.

Ein Problem unterschiedlichen Temperaturdehnungsverhaltens besteht nicht: Stahl und Beton weisen fast identische Wärmeausdehnungskoeffizienten (α = 10^-5 1/K) auf.

Entgegen der Sorge der damaligen Skeptiker gehen Stahl und Beton sogar einen intensiven Verbund ein, der auf Reibung, Haftung und mechanischer Verzahnung beruht. Die drei aufgeführten Aspekte stehen heute für den vielfältig einsetzbaren Verbundwerkstoff „Stahlbeton“.

Der Einsatz von Stahl im Beton als Stahlbeton ist heute ganz alltäglich. Aber: Das Einbauen von Stahl als Stabstahl oder als Mattenstahl ist arbeits- und zeitaufwendig sowie bei mangelnder Sorgfalt – z.B. bei der erforderlichen Betondeckung – auch anfällig für

Fehler. Metallische Fasern sind in der Lage, diesen Prozess zu vereinfachen und dennoch die Zugfestigkeiten des Stahls in einem Verbundwerkstoff zu nutzen. Aus diesem Grund wurden Stahlfasern immer weiter entwickelt, um ihre Wirkung im Beton weiter zu optimieren.

Stahlfasern bieten noch weitere Vorteile. Zum einen mindern sie negative Auswirkungen der niedrigen Duktilität, indem sie das Aufreißen von Mikrorissen und das Schwinden des Betons minimieren. Weiterhin wird durch Stahlfasern das Nachbruchverhalten des Betons verbessert, in dem die Stahlfasern Kräfte von einem Rissufer zum anderen übertragen und so die Risse „vernähen“ (Bild 3.3). Eine optimierte Faser für den Beton herzustellen ist aufwendig und setzt umfangreiche Versuche im Beton voraus, die auch den letzten Skeptiker überzeugen.

Dies war auch ein Grund dafür, dass Stahlfasern erst seit den 1960 ziger Jahren nennenswert im Beton zur Anwendung kamen (Bild 3.4), obwohl die Idee schon Jahre vorher aufgekommen ist. Bild 3.4 zeigt, wann welche Spezialbetone entstanden und Einzug in die Praxis hielten.

Im Zuge der Industrialisierung entstanden erste Patente zu Fasern. Motivation waren Überlegungen zur sinnvollen Verwendung von Stahlabfällen, wie z.B. Spänen. Anfang des 20. Jahrhunderts kamen weitere Patente hinzu, die die Erhöhung der Zugfestigkeit des Betons durch das Zumischen von faserförmigen Metallen in den Beton ermöglichten.

Bild 3.5 zeigt das Originalpatent von 1917 von H. Alfsen. Auch wenn die Stahlfasern damals noch als „Eisenkörpern“ analog zum Eisenbeton bezeichnet wurden, so wurden zu diesem Zeitpunkt schon sehr wesentliche Aspekte unserer heutigen Fasern definiert: Die Oberflächen sollten aufgeraut, die Enden gebogen und die Enden der Fasern als Köpfe ausgebildet werden. Die Beschreibung trifft auch auf die heutigen handelsüblichen Stahlfasern zu.

In der Patentschrift Nr. 76292 für „Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Beton“ werden die Vorteile durch die Verwendung von kleinen „Eisenkörpern“ beschrieben. Der Patentauszug ist im Bild 3.6 dargestellt.

Auch der Gegenstand des Patents von G. Constantinesco aus dem Jahre 1943 beschreibt die Wirkung der Fasern im Beton, Formen von Fasern sowie die Verteilung in einem Körper. Die Figur 1 im Bild 3.7 zeigt die Zugabe der Fasern über eine Mulde in den Körper, die eine gute Verteilung sicherstellt. Die Figuren 2 bis 12 zeigen verschiedene Faserformen. Die Formenkonzepte der Fasern sind bei den heutigen Stahlfasern teilweise wiederzufinden. Einige Stahlfaserformen sind im Abschnitt 5 des genannten Patents abgebildet. Die Figur 13 im Bild 3.7 zeigt eine optimale Verteilung verschiedener Faserformen in einem Betonkörper.

Wie im Bild 3.4 dargestellt, sind die ersten großen Anwendungen erst aus der Zeit nach 1960 bekannt. Viele dieser Anwendungen betrafen den Tunnelbau, wo Stahlfaserbeton zur Verfestigung des Gewölbes auf den vorhandenen Untergrund gespritzt wurde. Seit dieser Zeit hat sich der Stahlfaserbeton kontinuierlich weiterentwickelt, neue Fasern kamen hinzu, Regelwerke entstanden und wurden erweitert, interessante Bauwerke wurden errichtet.

4    Anwendungsgebiete

In zahlreichen Veröffentlichungen u.a. [1], [2], [5], [28], [30], [33], [43], [47], [53], [54], [59], [70], [77] und [78] wird auf die Anwendungsgebiete eingegangen, insbesondere auf Anwendungen im Tunnelbau sowie bei Tübbingen, Baugrubensicherungen, Fundamentplatten, Industrieböden, Verbunddecken sowie bei Instandsetzungen von Parkhäusern und Hallenböden.

Mit Erscheinen des DBV-Merkblatts „Stahlfaserbeton“ [22] war ein vermehrter Einsatz von Stahlfaserbeton in verschiedenen Bereichen festzustellen, ein weiterer Schub im Jahre 2004 infolge des Erscheinens der darauf aufbauenden Beispielsammlung zum Stahlfaserbeton [19] war nicht erkennbar.

Im Merkblatt wurden die Anwendungsgebiete für Stahlfaserbeton, die baurechtliche Relevanz und die erforderlichen Nachweise für Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit zusammengetragen. Im Bild 4.1 sind die Anwendungen nach DBV-Merkblatt [22], [35] und [36] übersichtlich dargestellt.