Beton wird seit langem als Baumaterial für seine hohe Druckfestigkeit, gute Haltbarkeit und geringen Kosten verwendet. Die bekannte Achillesferse ist jedoch die Sprödigkeit und die begrenzte Zugfestigkeit. Dies wurde vor etwa einem Jahrhundert recht einfach gelöst, indem Bewehrungsstäbe (Bewehrungsstäbe) aus Stahl auf der Spannungsseite von Betonkonstruktionen verwendet wurden. Stahlbewehrung ist funktional effizient und relativ kostengünstig, daher leistet sie in den meisten Fällen gute Arbeit. Stahlbewehrungsstäbe haben jedoch ihre eigene Schwäche: Korrosionsanfälligkeit (Oxidation), wenn sie Salzen, aggressiven Chemikalien und Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Während der Korrosion quillt die Stahlbewehrung auf und erhöht die Zugbelastung des Betons, die zu reißen und abzuplatzen beginnt, wodurch Öffnungen entstehen, die zu einer weiteren und schnelleren Verschlechterung von Stahl und Beton führen. Dies erfordert kostspielige Reparaturen und Wartungen und kann die Integrität der Struktur beeinträchtigen, wenn sie weit genug fortgeschritten ist. Im Laufe der Jahrzehnte wurden zahlreiche Beschichtungen und Eindringmittel eingeführt, um die Feuchtigkeit von Beton abzudichten, und die Bewehrung selbst wurde mit Epoxidbeschichtungen oder der Verwendung von Edelstahl aufgerüstet. Es ist jedoch nicht immer möglich, Korrosion langfristig zu verhindern. Darüber hinaus macht die Neigung von Stahlbewehrungsstäben, elektrische und magnetische Felder zu leiten, sie in Beton unerwünscht, der für bestimmte Stromerzeugungs-, medizinische / wissenschaftliche Bildgebungs-, nukleare und elektrische / elektronische Anwendungen spezifiziert ist.
FRP-Wertversprechen
Es gibt viele Gründe, warum Bewehrungsstäbe aus faserverstärktem Polymer (FRP) in einigen Betonkonstruktionen sinnvoll sind. Für den Anfang rostet oder korrodiert Verbundbewehrung nicht, daher ist sie ideal für periodisches oder langfristiges Eintauchen in frisches Wasser oder Salzlösung in Anwendungen wie Stützmauern, Pfeilern, Stegen, Kais, Senkkästen, Decks, Pfählen, Schotten, Kanälen, Offshore-Plattformen, Schwimmbäder und Aquarien. Es ist auch immun gegen Streusalz und andere Enteisungschemikalien, was es zu einer haltbareren und weniger wartungsintensiven Wahl für Straßen und Brücken, Parkstrukturen, Landebahnen, Jersey-Barrieren, Stützmauern und Fundamente, Bordsteine, Brüstungen und Platten auf Gefälle macht. Darüber hinaus bietet es eine breite Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl anderer Chemikalien, die in Kläranlagen, Mülldeponien, petrochemischen Anlagen, Zellstoff- und Papierfabriken, Rohrleitungen, Tanks, Kühltürmen und Kaminen sowie der alkalischen Umgebung von Beton selbst vorkommen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Zugfestigkeit von GFK-Bewehrungsstäben typischerweise 1,5- bis 2-mal höher ist als die von Stahl, was ein gutes Gegengewicht zur hohen Druckfestigkeit von Beton darstellt. Es bietet auch eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit und ist daher für zyklische Belastungssituationen (z. B. auf Straßen und Brücken) geeignet. Darüber hinaus ist Verbundbewehrung ein Viertel des Gewichts von Stahl mit vergleichbarer Leistung. Hier gibt es eine Reihe von praktischen Vorteilen. Bauarbeiter, die es tragen und installieren müssen, sind weniger abgenutzt und benötigen weniger Kräne und andere Schwerlastgeräte. Es lässt sich leicht mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen schneiden, ohne die Sägeblätter zu beschädigen. Pro LKW-Ladung können mehr Bewehrungsstäbe gezogen werden, ohne die gesetzlichen Ladegrenzen zu überschreiten. Bei Brücken und ähnlichen Strukturen bietet das höhere Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entweder eine größere Tragfähigkeit für eine bestimmte Struktur oder mögliche Möglichkeiten zur Reduzierung der Größe und des Gewichts der gesamten Struktur. Verbundbewehrungsstäbe eignen sich auch für gewichtsempfindliche Anwendungen, bei denen Böden schlechte Tragfähigkeit aufweisen, an seismisch aktiven Orten oder in umweltsensiblen Bereichen, in denen das Bewegen schwerer Geräte unerwünscht ist.
Für elektromagnetisch empfindliche Anwendungen sind sowohl Glas (die am häufigsten verwendete Bewehrungsstahlverstärkung aus Verbundwerkstoffen) als auch Polymer von Natur aus nicht leitend, sodass sie keinen Strom übertragen, Blitzeinschläge anziehen oder den Betrieb von elektrischen Geräten in der Nähe beeinträchtigen. Dies macht es zu einer sichereren Wahl in Aluminium- und Kupferschmelzanlagen, Kernkraftwerken, spezialisierten Militärstrukturen, Flughafentürmen, Elektro- und Telefonübertragungstürmen, Schächten mit Elektro- oder Telefongeräten, Krankenhäusern mit Magnetresonanztomographie (MRT) und Mautstraßen Sensorarrays und Sammelkabinen. Da glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff bei der Wärmeübertragung gleichermaßen schlecht ist, kann er für die Aufrechterhaltung der Klimatisierung in Gebäuden, Terrassendecks und Kellern hilfreich sein.
Obwohl die anfänglichen Kosten für Verbundbewehrungsstäbe im Allgemeinen höher sind als für Standardstahlbewehrungsstäbe und in etwa mit epoxidbeschichteten Stahlbewehrungsstäben vergleichbar sind, können sie auf der Grundlage der Lebenszykluskosten (LCC) recht wirtschaftlich sein - insbesondere für Anwendungen mit nicht vorgespanntem Beton Biege-, Scher- und Druckbelastungen, die normalerweise häufig repariert und gewartet werden müssen oder bei denen andere Probleme mit Metall auftreten. Aus all diesen und weiteren Gründen hat der Verbundbewehrungsstab langsam begonnen, Marktanteile im Tiefbau zu gewinnen.
Keine Regs, kein Fortschritt
Composite-Bewehrungsstäbe wurden in den 1980er Jahren in Japan mit Kohlenstoff- und Aramidfaserverstärkungen in duroplastischen Matrizen eingeführt und in den frühen 1990er Jahren langsam auf Projekte in Kanada ausgeweitet, sagt John Busel von der American Composites Manufacturers Assn. (ACMA, Arlington, VA). Aber es hat nicht wirklich angefangen, erinnert er sich, bis Ende der neunziger Jahre Spezifikationen für Verbundbewehrungen entwickelt und veröffentlicht wurden. Busel, Direktor der Composites Growth Initiative von ACMA, war 12 Jahre lang Sekretär und dann Vorsitzender des Ausschusses 440 - FRP Reinforcement des American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan), während dieser Gruppe bahnbrechende Spezifikationen und Designs entwickelte Anleitung für FRP-Bewehrung.
„Produkte zu entwickeln, die nicht durch Tests und Forschung unterstützt werden, funktioniert bei Bauingenieuren einfach nicht“, erklärt Busel. "Es braucht viele Daten, um sie zu überzeugen, und das zu bekommen, braucht Zeit." Angesichts dieser Realität wurde das Komitee 440 Anfang der neunziger Jahre gegründet und es dauerte fast ein Jahrzehnt, bis die erste Ausgabe, die 1999 veröffentlicht und 2006 aktualisiert wurde, entwickelt wurde. Eine weitere Aktualisierung ist für 2012 geplant. „Jetzt haben Sie Standards, die Architekten und Ingenieure haben und Auftragnehmer können ihre Pläne weltweit umsetzen “, sagt Busel und bemerkt, dass„ der ACI 440.1R sich als einer der bekanntesten und am häufigsten verwendeten Spezifikationsleitfäden der Welt erwiesen hat und definitiv die ganze Arbeit wert war. “
„Der ACI 440 war ein äußerst dynamischer und aktiver Verein“, erklärt Doug Gremel, langjähriger Kollege von Busel. „Wir haben weltweit keine Forschung diskriminiert. Wenn wir es nehmen und in unsere Codes aufnehmen können, tun wir es. “ Gremel - der Direktor für nichtmetallische Verstärkung bei Hughes Brothers Inc., einem Direktor der Hughes-TochterAslan Pacific Ltd.(beide aus Seward, Neb.) und Vorsitzender des Verwaltungsausschusses bei Omaha, Neb., Composite Insulated Concrete Systems LLC - fügt hinzu: „Wir sind nicht stolz auf dieses Wissen.“
Trotz dieser wachsenden Zahl von wissenschaftlichen Erkenntnissen und Erfahrungen Mitte bis Ende der neunziger Jahre nahm die Verwendung von GFK-Bewehrungsstäben nur langsam zu. Die erste US-Installation erschien erst 1996 in der McKinleyville / Buffalo Creek-Brücke in Brooks County, West Virginia. Die FRP-Bewehrung gewann schließlich in Nordamerika an Bedeutung, nachdem sie in den kanadischen Straßenbrückencode aufgenommen wurde, wo sie zur Standardlösung für wurde Umgang mit Korrosion durch Kanadas raues Wetter. Dies führte wiederum dazu, dass die American Association of State Highway- und Transportbeamte (AASHTO) daran arbeiteten, Spezifikationen für die Verwendung von Glas-FRP-Betondecks (GFK) und Verkehrsgeländern zu entwickeln. Von diesem Zeitpunkt an hatten die Ingenieure und Spezifizierer des US-Verkehrsministeriums (DoT) einen eigenen Konstruktionsleitfaden für ACI 440. Infolgedessen haben Busel, Kanada und die USA in einigen Aspekten zusammen fast 400 Brücken mit GFK-Bewehrung ihre Konstruktion. Europäische Installationen wachsen, aber langsamer.
Gremel - dessen Arbeitgeber Hughes Brothers ein globaler Lieferant von FRP-Bewehrungsstäben ist - sagt, dass die Standards den objektiven Rahmen für die Qualitätssicherung bilden. „Wir müssen Produktionsloszertifikate vorlegen, um nachzuweisen, dass ein bestimmter Mühlenlauf von Bewehrungsstäben die in den ASTM-Standards festgelegten Eigenschaften erfüllt oder übertrifft“, sagt er. "Wir führen Zugmodul- und Dehnungstests für jedes Los durch, genau wie die Stahl-Jungs."
Der Fortschritt der Tiefbauindustrie in Richtung Komfort mit GFK-Bewehrungsstäben mag langsam sein, hat jedoch nicht davon abgehalten, neue Herangehensweisen an die Herstellung zu verfolgen, die, wie die folgenden Beispiele zeigen, die nächste Generation von Verbundbewehrungsstäben zu einer viel attraktiveren Alternative zu Stahl machen könnten .
