Könnte Basaltbewehrung Stahl im Infrastrukturbau ersetzen?

Stahl ist seit langem das Rückgrat des Bauwesens, aber angesichts steigender Preise und drängender CO2-Ziele könnte Basaltbewehrung eine Alternative werden.

Basaltbewehrung als alternative Betonbewehrung zu Stahl oder Glasfaser ist keine neue Technologie. Einige Länder auf der ganzen Welt, insbesondere die Vereinigten Staaten, nutzen es seit Jahrzehnten. Im Vereinigten Königreich handelt es sich immer noch um eine aufstrebende Option, die jedoch mit zunehmenden Dekarbonisierungsbemühungen immer wichtiger wird.

Anwendungen auf High Speed ​​2 (HS2) und ein Großprojekt auf der M42 tragen dazu bei, den Bekanntheitsgrad von Basaltbewehrungsstäben zu steigern und ihr Potenzial hervorzuheben.

Die Verstärkung besteht aus sogenanntem basaltfaserverstärktem Polymer (BFRP). Zur Herstellung der Fasern wird vulkanisches Basaltgestein gesammelt, in kleine Stücke zerkleinert und bei 1.400 °C geschmolzen. Die bei seiner Bildung entstehenden Silikate ermöglichen es dem geschmolzenen Basalt, eine Flüssigkeit zu werden, die durch die Schwerkraft durch eine spezielle Platte gedehnt werden kann, um lange Filamentstränge zu bilden. Diese Filamente können Tausende von Metern lang sein und können aufgewickelt werden, bis sie für die Formung zu einer Verstärkung bereit sind.

Die Umwandlung der Bewehrungsstäbe erfolgt durch Pultrusion, wobei die Fasern unter Spannung gezogen und dann in flüssiges Epoxidharz getaucht werden. Das Harz ist eine Polymerbindung, die durch Erhitzen flüssig wird und in die die Fäden eingetaucht werden. Anschließend härtet es innerhalb weniger Minuten zum fertigen Riegel aus.

In den Führungswänden für den Schlitzwandbau auf HS2 wurde Basaltbewehrungsstahl verwendet

Laut Malcolm Newton, einem Direktor des Basaltbewehrungsherstellers Bastech, gibt es zahlreiche Vorteile von BFRP gegenüber Stahl. Es ist beim Bau einfacher zu verarbeiten, da es im Vergleich zu Stahl 4,5-mal leichter und 2,5-mal zugfester ist.

Als inertes Material ist Basalt beständig gegen Laugen und Säuren und eignet sich daher ideal für Bauwerke, die nassen Bedingungen ausgesetzt sind, da es nicht korrodiert.

Seine Korrosionsbeständigkeit trägt zu einem geringeren CO2-Fußabdruck des Stahlbetons bei. Da das Eindringen von Wasser kein Problem darstellt, erfordern Basaltbewehrungsstäbe laut Newton im Vergleich zu Stahlstäben eine 20 % geringere Betonüberdeckung in einer Platte.

Auch der CO2-Fußabdruck von Basaltbewehrungsstäben ist deutlich geringer als der von Stahl. Dies mag kontraintuitiv erscheinen, da das Gestein aus den Vereinigten Staaten importiert werden muss und auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Aber Newton sagt, dass eine Lebenszyklusanalyse der Universität Kingston gezeigt hat, dass während des Produktionsprozesses mindestens 70 % weniger Kohlenstoff verbraucht wird als Stahlbewehrung und 22 % weniger als recycelter Stahl.

Es gibt Bereiche, in denen Basalt nicht mit Stahl mithalten kann. Es lässt sich nicht wie Stahl biegen und weist trotz höherer Zugfestigkeit eine geringere Elastizität auf. Aufgrund dieser Faktoren ist es unwahrscheinlich, dass Bauunternehmer es in hohen vertikalen Strukturen einsetzen werden.

Newton glaubt, dass der Preis der Hauptgrund für die langsame Einführung von BFRP im Vereinigten Königreich war, er geht jedoch davon aus, dass dieser Wert sinken wird, wenn mehr produziert wird. Während die Stahlpreise steigen, sind die Preise für Basalt so stabil geblieben, dass sie mittlerweile fast mit denen von Stahl vergleichbar sind.

„Lange Zeit hat niemand darüber nachgedacht, Alternativen zu Stahl zu verwenden, weil dieser billig, einfach zu verwenden und einfach in der Berufshaftpflichtversicherung abschließbar ist“, sagt Newton.

Es gibt auch keinen Eurocode für faserverstärkte Polymere jeglicher Art, einschließlich Basaltbewehrungsstäben, da nur begrenzte Prüfkenntnisse vorhanden sind und die Branche laut Newton „per Definition konservativ“ ist. Aus diesem Grund zögern Ingenieure, dies zu spezifizieren.

„Die Bauingenieure von Bastech sind jedoch in der Lage, durch Tests unterstützte Entwürfe bereitzustellen“, sagt Newton. „Mit einer Kombination aus Tests und Berechnungen, die in unseren Labors durchgeführt werden, können unsere Ingenieure Entwürfe liefern, die den Eurocodes entsprechen, und, was noch wichtiger ist, den Designern eine Berufshaftpflichtversicherung bieten.“

Ein britisches Projekt hat die Vorteile der Verwendung von Basalt aufgezeigt – untermauert durch Langzeitanalysen. Die Fahrbahnplatte der Thompson's Bridge, einer 2011 eröffneten Straßenbrücke in Nordirland, wurde aus BFRP anstelle von Stahlbewehrung gebaut. Das Projekt wurde von einem Team der School of Planning, Architecture & Civil Engineering der Queen's University Belfast geleitet und vom Verkehrsministerium finanziert.

Die Thompson's Bridge in Nordirland war eine der ersten, die Basaltbewehrungsstäbe einsetzte, und liefert Langzeitdaten

Su Taylor, Leiterin der Gruppe für intelligente und nachhaltige Infrastruktur an der Queen's University, sagt, ihr Team habe den Zustand der Brücke mithilfe darin eingebetteter Glasfaserkabel überwacht. Diese wurden zwischen die Faserfäden eingelegt, bevor sie in Harz getaucht wurden – was bei Stahl nicht möglich ist, da die Hitze bei der Herstellung zu hoch ist.

Die Ergebnisse waren besser als erwartet. „Die Belastungswerte im BFRP sind konstant niedrig geblieben“, sagt Taylor. Sie fügt hinzu, dass die gemessenen Belastungen im realen Verkehr auch weitaus geringer sind als diejenigen, die durch aufwändigere statische Belastungstests vorhergesagt werden.

Auch Skanska stellt Basaltbewehrungsstäbe auf die Probe, wenn auch bisher nur bei provisorischen Arbeiten. Es hat mit National Highways an einem Versuch seiner Verwendung in einer temporären Zufahrtsstraße für Arbeiten und als Teil des Skanska Costain Strabag JV an temporären Leitwänden für Schlitzwandarbeiten an HS2 zusammengearbeitet.

Für den National Highways-Test baute Skanska unter Verwendung verschiedener Betonplattenkombinationen eine provisorische Zufahrtsstraße zur Anschlussstelle 6 der M42. Bei dem Versuch wurde BFRP in Kombination mit herkömmlichem Beton und kohlenstoffarmem Beton im Vergleich zu Stahl unter den gleichen Bedingungen getestet.

„Die Kombination von kohlenstoffarmem Beton mit der Basaltfaserverstärkung war eine Innovation, die es zuvor noch nicht gab“, erklärt Skanska-Chefingenieur und Versuchsleiter Paul Cole.

Im Verlauf des Versuchs wurden die verschiedenen Platten der provisorischen Zufahrtsstraße auf Biegefestigkeit, Scherfestigkeit und Auszug überwacht. In allen Fällen übertrafen die BFRP-Platten die Erwartungen und lieferten laut Cole „beeindruckende und vergleichbare Ergebnisse“ neben den stahlverstärkten Platten.

Hinsichtlich der Scherfestigkeit hielten die BFK-Platten einer aufgebrachten Belastung besser stand als die stahlverstärkten Platten. Der BFRP-Stahlbeton erreichte eine maximale Festigkeit von 141,5 kN bei klassischem Beton und 106,1 kN bei kohlenstoffarmem Beton, während Stahlbeton 110,1 kN bzw. 97,5 kN erreichte.

Die Kombination von kohlenstoffarmem Beton mit der Basaltfaserverstärkung war eine Innovation, die es zuvor noch nicht gegeben hatte

Dies war eine Überraschung für Cole, der sagte, dass dies der Bereich sei, der ihn am meisten beunruhige. Er erklärt: „Stahl ist ein homogenes Produkt, Basaltfasern jedoch nicht – alle Stränge sind in einer Richtung ausgerichtet. Es ist doppelt so stark, wenn man versucht, es herauszuziehen, aber es funktioniert weniger gut als Stahl, wenn man versucht, es zu durchschneiden.“ Obwohl die Scherergebnisse „brillant“ sind, würde Cole in diesem Bereich gerne weitere Versuche durchführen.

Der Einsatz an den HS2-Führungswänden zeigte weitere Vorteile. Skanska-Projektleiter Deon Louw erklärt: „Man braucht keine Genehmigung für Heißarbeiten, um es zu schneiden, denn es ist wie das Schneiden von Stein – es gibt keine Funken, die damit einhergehen.“

Laut Louw und Cole gibt es Vorteile für den Bewegungsapparat für die Baustellenarbeiter sowie Geschwindigkeits- und Effizienzgewinne, da die Basaltverstärkung viel leichter ist als vergleichbare Materialien.

Laut Louw waren die Leitwände in der Hälfte der Zeit fertig, da die Stangen von Hand angehoben werden konnten.

Der Einsatz von BFRP bietet enorme potenzielle Vorteile, und das Thompson's Bridge-System hat diese langfristig bewiesen. Dennoch sind weitere Tests erforderlich, damit sich das Material im Vereinigten Königreich genauso durchsetzen kann wie Stahl.

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