Sachsen

CARBONBETON – EIN FASZINIERENDER BAUSTOFF

Aus dem nicht nur Häuser gebaut werden

Der Baustoff Beton eignet sich hervorragend zur Aufnahme von Druckkräften. Zudem lässt er sich in nahezu jede beliebige Form bringen und ist besonders robust und dauerhaft. Um das Material optimal zu nutzen, errichteten die historischen Baumeister bis Mitte des 19. Jahrhunderts vor allem druckbeanspruchte Konstruktionen wie Fundamente, Mauern und Gewölbe.1

 

Beyer-Bau der TU Dresden. Foto: © Stefan Gröschel

Mit der Weiterentwicklung des Baustoffs erkannte man den Vorteil von Bewehrungseinlagen zur Aufnahme von Zugkräften. Im 20. Jahrhundert entstand mit zunehmender Industrialisierung und rasantem Innovationsdrang die heute bekannte Stahlbetonbauweise, die aufgrund ihrer technischen Eigenschaften und herstellungsbedingten Vorteile zum weltweit bedeutendsten Baustoff avancierte.2 Gleichzeitig ist Beton jedoch für erheblichen Ressourcenverbrauch und CO2-Emissionen verantwortlich. Jährlich werden für die Herstellung weltweit ca. 4,2 Milliarden Tonnen Zement, 28 Milliarden Tonnen Gesteinskörnung (Sand und Kies) und 2,8 Milliarden Tonnen Wasser benötigt.3 Alleine für die Zementherstellung entspricht dies sieben bis acht Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes. Um die Klimaziele zu erreichen, muss trotz des zunehmenden Bedarfs an Wohnraum und Infrastruktur der Anteil des umweltschädlichen Betons im Bauwesen stark reduziert werden. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde dafür eine praxistaugliche Alternative zum Stahlbeton erforscht und zur Anwendungsreife entwickelt: der Carbonbeton. Die Hochleistungsbewehrung aus Carbon weist im Vergleich zum Stahl eine in etwa sechsmal höhere Zugfestigkeit bei gleichzeitig einer um den Faktor vier verringerten Dichte auf. Unter Ausnutzung dieser verbesserten Eigenschaften sind je nach Konstruktion Materialeinsparungen an Beton von 50 bis 80 % möglich.4 Somit ist der Carbonbeton ökologisch betrachtet ein deutlich vernünftigerer Baustoff gegenüber dem Stahlbeton.

Hinzu kommt, dass der Betonstahl korrodieren kann. Die Folge können massive Bauschäden sein, die wiederum umfangreiche Instandsetzungsmaßnahmen mit hohem finanziellem Aufwand nach sich ziehen. Um die Bewehrung im alkalischen Milieu des Betons vor Korrosion zu schützen, ist daher eine hohe Betondeckung erforderlich. Im Allgemeinen wird von einer Lebensdauer von Gebäuden aus Stahlbeton von ca. 80 Jahren ausgegangen.5 An die inerte Carbonbewehrung müssen hingegen keine Anforderungen hinsichtlich des Korrosionsschutzes gestellt werden, sodass die Betondeckung auf das statisch notwendige Minimum weniger Millimeter reduziert werden kann und eine deutlich verlängerte Lebensdauer erreicht wird. Darüber hinaus ist beim Carbonbeton kein hoher pH-Wert zum Schutz der Bewehrung erforderlich, sodass der Anteil des Zementklinkers im Bindemittel reduziert werden kann und auch alternativ zum Zement völlig neue, ökologischere Bindemittelkonzepte möglich sind.6

Mit der Kombination der im Vergleich zum Stahlbeton deutlich höheren Leistungsfähigkeit des Carbonbetons mit gleichzeitig stark reduzierter Betondeckung werden dünnere und filigranere Bauteilstrukturen ermöglicht. Hinsichtlich des Materialaufwands liegt eine deutlich ressourceneffizientere Bauweise vor und es kann im Hinblick auf den Umweltschutz überproportional viel CO2 eingespart werden.

In der Materialbezeichnung Carbonbeton sind die wichtigsten Bestandteile des Baustoffs bereits enthalten: Carbon und Beton. Als Ausgangsmaterial für den Werkstoff Carbon kommen aktuell organische bzw. kohlenstoffhaltige Rohstoffe auf Erdölbasis zum Einsatz. Durch die Aufbereitung des Erdöls wird Polyacrylnitril (PAN) gewonnen und zu Carbonfasern weiterverarbeitet. Seit einigen Jahren wird die Forschung zur Eignung alternativer Rohstoffe ohne den Einsatz des fossilen Erdöls vorangetrieben. Dazu gehört das natürliche Biopolymer Lignin aus nachwachsendem Holz, das beispielsweise in Papierfabriken als Abfallprodukt anfällt und in Carbonfasern umgewandelt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Carbonfasern mit aus der Luft gewonnenem CO2 herzustellen. Blaualgen ernähren sich von diesem CO2 und liefern den Ausgangsstoff PAN7.

Zur Verwendung von Carbonfasern im Bauwesen müssen die einzelnen Carbonfilamentgarne zu Bewehrungen verarbeitet werden. Prinzipiell kann in Stabbewehrung, Mattenbewehrung und Formbewehrung unterschieden werden.

Für die Herstellung von Stabbewehrungen wird eine bestimmte Anzahl von Carbongarnen zusammengeführt und mittels Pultrusionsverfahren zu einem Stab verarbeitet. Für den Verbund innerhalb und außerhalb der Garne werden die Carbongarne während des Pultrusionsprozesses8 mit einer niedrigviskosen Kunststoffmatrix getränkt. Im Anschluss an die Tränkung wird der pultrudierte Stab durch das geometriegebende Werkzeug geführt.9

Die Herstellung von Bewehrungsmatten bzw. Bewehrungsgitter kann mittels vorgefertigter Stäbe, textiler Flächenbildungsprozesse oder direkter Garnablage erfolgen. Die Herstellung von Matten mittels zuvor hergestellter Stäbe ist der Mattenherstellung im Stahlbetonbau ähnlich.

Bei der Herstellung von Gittern mit textilen Flächenbildungsprozessen (vgl. Abbildung 1) kommen Verfahren aus der Textilindustrie zum Einsatz. Dies kann beispielsweise Weben oder Kettenwirken sein. Bei dem Kettenwirkverfahren werden ungetränkte Garne quer zur eigentlichen Produktionsrichtung (Schussrichtung) im gewünschten Abstand und Winkel abgelegt. Parallel zur Produktionsrichtung (Kettrichtung) werden mehrere Garne gleichzeitig auf die Schussfäden abgelegt und in Richtung Wirkstelle transportiert und vernäht. Das Ergebnis des Prozesses ist ein Gitter bzw. Gelege, welches noch getränkt werden muss.10

Abbildung 1: Bewehrungsgitter (Gelege) aus Carbonfasern. Foto: © Stefan Gröschel

Bei der Mattenherstellung durch die direkte Garnablage wird ein noch ungetränktes Garn direkt von der Spule zu der Tränkungseinheit geführt und getränkt. Anschließend wird das Garn auf den Spannrahmen abgelegt.11, 12 Die Herstellung von Formbewehrungen ähneln der direkten Garnablage.13, 14

Die aus Carbon hergestellte, flächige Bewehrung kommt in Kombination mit Beton als tragfähiger und flexibler Baustoff sowohl im Neubau als auch bei Verstärkungsmaßnahmen von Bauteilen zum Einsatz. Im Gegensatz zum Stahlbeton stellt Carbonbeton einen ökologisch nachhaltigeren Baustoff dar. Durch die sehr gute Recycelbarkeit ist der Wertstoffkreislauf von Carbon beginnend mit Herstellung, Nutzung und Wiederverwertung vollständig geschlossen.

Rückblickend wird Beton mit Bewehrung aus textilen Gelegen seit mehr als 20 Jahren an der Technischen Universität Dresden erforscht. Die Grundlagenforschung erfolgte vor allem in zwei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichen (SFB) in Aachen und Dresden in den Jahren 1999 bis 2011.15 Der Forschungsschwerpunkt lag zunächst auf alkaliresistentem Glas (AR), entwickelte sich aber aufgrund der besseren mechanischen Eigenschaften in Richtung Carbonfasern. Im Jahr 2014 wurde schließlich das Großforschungsprojekt „Zwanzig20 – C3 – Carbon Concrete Composite“ mit zeitweise über 170 Partnern gestartet und 2022 erfolgreich beendet.16 Die Übertragung der umfangreichen Forschungsergebnisse in die Praxis wurde bereits an einer Vielzahl von Bauwerken realisiert, von denen einige der wichtigsten im Folgenden näher beschrieben werden.


ANWENDUNGEN CARBONBETON

CUBE

Das Carbonbetonhaus CUBE ist im Jahr 2022 als das weltweit erste Gebäude, bei dem ausschließlich nichtmetallische Bewehrungen – vor allem aus Carbonfasern – für die Betonbauteile zum Einsatz kamen, fertiggestellt worden. Dabei ist das Bauwerk ein Großdemonstrator, der im Rahmen des Forschungsvorhabens „Zwanzig20 – C3 – Carbon Concrete Composite“ von 2013 bis 2022 geplant und entwickelt wurde und als Ergebnishaus eine Vielzahl der Projektergebnisse zusammenführt.17 Auf einer Bruttogrundfläche von 220 m² stellt der Experimentalbau die Praxistauglichkeit des Baustoffs Carbonbeton sichtbar und für die Öffentlichkeit zugänglich dar. So kann unter üblichen Bedingungen der gesamte Lebenszyklus des Gebäudes unter Berücksichtigung von Planung, Genehmigung, Vergabe, Materialbeschaffung und Bauausführung bis zur Inbetriebnahme und Nutzung abgebildet werden. Der CUBE ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: C3-Ergebnishaus CUBE. Foto: © Stefan Gröschel

Carbonbeton für übliche, ebene Decken und Wände auf. Die hohe Leistungsfähigkeit der Carbonbewehrung in Kombination mit dünnen, maßhaltigen Fertigteilen ermöglicht hinsichtlich der Materialeinsparung eine ressourceneffiziente Bauweise. Die dynamische Gestaltgebung des Gebäudes erfolgt durch die beiden in sich und zueinander verdreht angeordneten TWIST-Elemente. Sie demonstrieren die freie Formbarkeit und geometrisch vielfältige Anwendbarkeit von Carbonbeton. Die Elemente bilden gemeinsam mit einem Lichtband die Dachfläche und durch ihre Verwindung Teile der Außenwände, die optisch über den Gebäudegrundriss als Flügel hinausragen.


BEYER-BAU

Der Werkstoff Carbonbeton eignet sich jedoch nicht nur für Neubauprojekte. Die größtmögliche Nachhaltigkeit im Bauwesen besteht darin, eine maximale Lebensdauer von Gebäuden zu erzielen. Im Rahmen der Nutzungsdauer kann es beispielsweise durch Umwelteinwirkungen zu Schäden und damit Instandsetzungsmaßnahmen kommen. Dafür ist eine Verstärkung oder Sanierung mit Carbonbeton hervorragend geeignet, wie das nachfolgende Beispiel verdeutlicht.

Der Beyer-Bau ist ein Universitätsgebäude, das vom deutschen Architekten Martin Dülfer entworfen und 1913 eingeweiht wurde. Es befindet sich im Zentrum des Campus und beherbergt traditionell die Bauingenieure. Das fünfgeschossige Gebäude ist mit dem markanten Turm des Lohrmann-Observatoriums eines der Wahrzeichen der Universität. Das Haupttragwerk einschließlich der Geschossdecken und des Dachstuhls wurde als eines der ersten Bauwerke in Dresden in Eisenbetonbauweise ausgeführt.

Abbildung 3: Beyer-Bau der TU Dresden. Foto: © Stefan Gröschel

Die Deckensysteme sind als Plattenbalkenkonstruktionen mit Spannweiten der Unterzüge von bis zu 11 m bei Abständen von 2 bis 3 m ausgeführt. Auf der Grundlage durchgeführter Bauteiluntersuchungen wurden eine mangelnde Betondruckfestigkeit und unzureichende Bewehrungsgehalte in den Bauteilen festgestellt. Die statische Nachrechnung ergab für diese Bauteile erhebliche rechnerische Tragfähigkeitsdefizite,18 obwohl der Beyer-Bau seit über 100 Jahren rissfrei genutzt wird.

Die Decken und Unterzüge wurden entsprechend der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung19 mit einer unidirektionalen Bewehrung verstärkt. Für die Decken erwies sich aufgrund der Biegetragfähigkeitsnachweise eine 10 mm dicke Carbonbetonschicht als ausreichend. Bei den Unterzügen wurden je nach statischen Erfordernissen eine oder zwei Lagen Bewehrung mit einer Betondicke von 10 bis 15 mm auf der Stegunterseite angeordnet, wobei die Haupttragrichtung der Bewehrung in Bauteillängsrichtung verläuft.


HYPARSCHALE MAGDEBURG

Hyparschalen sind mehrfach gekrümmte Tragwerke in Form eines hyperbolischen Paraboloids. In Magdeburg wurde im Jahr 1969 eine der in Deutschland größten Stahlbetonschalen dieser Art errichtet. Sie wurde vom deutschen Bauingenieur Ulrich Müther geplant und lange Zeit als Mehrzweckhalle für Messen, Konzerte und ähnliche Veranstaltungen genutzt. Seit 1990 steht sie unter Denkmalschutz. Auch hier konnte ein Wahrzeichen der Stadt durch eine Carbonbetonverstärkung gerettet werden.

Abbildung 4: Verstärkungsarbeiten mit Carbonbeton an der Hyparschale in Magdeburg. Foto: © M. Bredt

Die Dachkonstruktion besteht aus vier zusammengesetzten hyperbolischen Paraboloiden aus Stahlbeton, die zusammen eine Grundfläche von 48 m x 48 m stützenfrei überspannen und jeweils nur 7 cm dick sind.20 Infolge von Baumängeln bei der Errichtung sowie Witterungseinflüssen während der Nutzung kam es zu zahlreichen Schäden am Bauwerk, insbesondere an den Bauwerksabdichtungen, den Stützen und der dünnen Schalenkonstruktion, sodass 1997 eine Sperrung vorgenommen wurde. Ein Abbruch des Bauwerks konnte vermieden werden, konventionelle Instandsetzungsmethoden wie z. B. eine Spritzbetonverstärkung kamen vor allem wegen des damit verbundenen hohen Eigengewichts nicht infrage. Als Lösung zur Rettung des Bauwerks wurde 2017 die Verstärkung mit Carbonbeton beschlossen.21 Auf der Ober- und Unterseite der Schale ist jeweils eine 1 cm dicke Verstärkungsschicht aus Feinbeton mit einem Carbongelege aufgebracht worden. Die Sanierungsarbeiten begannen im Februar 2020 und wurden im Juli 2022 abgeschlossen.


VERSTÄRKUNG DER HISTORISCHEN BOGENBRÜCKE THAINBURG

Der Einsatz von Carbonbeton ist nicht auf den Hochbau beschränkt, sondern bietet auch im Brückenbau ein großes Potenzial. Ein Beispiel ist eine der ältesten erhaltenen Stahlbetonbrücken Deutschlands, die 1893 erbaute Thainburger Fußgängerbrücke in Naumburg (Abbildung 5). Aufgrund von Korrosionsschäden musste die Brücke saniert werden.22 Dabei war es wichtig, das schlanke Erscheinungsbild der denkmalgeschützten Brücke zu erhalten, was mit konventionellen Verstärkungsmethoden nicht möglich gewesen wäre. Die aus diesem Grund bereits vorliegende Abbruchgenehmigung für das Bauwerk konnte mithilfe einer Verstärkung aus Carbonbeton abgewandt werden. Einfach und doppelt bewehrte Carbonbetonschichten mit einer Stärke von nur 6 bis 9 mm sorgten dafür, dass sowohl optisch als auch aus statischer Sicht nur geringfügig in die bestehende Struktur eingriffen werden musste und die Brücke als bauhistorisches Zeitzeugnis erhalten blieb.

Abbildung 5: Ansicht der historischen Bogenbrücke Thainburg; oben: vor der Verstärkung; unten: nach der Verstärkung mit Carbonbeton. Fotos: © CARBOCON GMBH


VERSTÄRKUNG DER EHEMALIGEN BAHNBRÜCKE NAILA

In größeren Dimensionen wurde die Carbonbetonbewehrung unter anderem bei einer weiteren historischen Bogenbrücke vor den Toren der Stadt Naila in Bayern eingesetzt.23 Das um 1910 errichtete Baudenkmal war bis 1973 Teil der Bahnlinie Naila-Schwarzenberg und seither ungenutzt. Im Zuge der geplanten Reaktivierung der Brücke als Radweg wurden verschiedene Sanierungskonzepte geprüft. Dabei erwies sich nicht nur der zur Herstellung verwendete unbewehrte Stampfbeton mit seinen stark schwankenden Materialeigenschaften als problematisch, sondern auch die Vielfalt der Schadensbilder erforderte eine eingehende Prüfung der Instandsetzungssysteme. Neben verschiedenen einwirkungs- und herstellungsbedingten Rissbildern kam es zu einer Durchfeuchtung des Bauwerkes aufgrund mangelhafter Abdichtungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Oberflächenschutzsystemen war die rein mineralische Zusammensetzung des Feinbetons diffusionsoffener, was eine Austrocknung des Bauwerks ermöglichte. Gleichzeitig war der Carbonbeton in der Lage, größere Zugkräfte aufzunehmen, ohne korrosionsanfällig zu sein. Darüber hinaus konnte sich der Carbonbeton gegenüber dem herkömmlich bewehrten Spritzbeton durch gute Verbundeigenschaften in Verbindung mit engen Maschenweiten und den damit verbundenen sehr guten rissüberbrückenden und rissverteilenden Eigenschaften profilieren.

Nicht zuletzt spielte aber auch bei diesem Bauwerk die Erhaltung des optischen Erscheinungsbildes eine wichtige Rolle, weshalb die deutlich geringeren Schichtdicken des Carbonbetons die Entscheidungsfindung maßgeblich beeinflussten. Schlussendlich ergaben erste Kostenberechnungen trotz höherer Materialkosten Einsparpotenziale bei der Instandsetzung der Untersicht von bis zu 20 %. Damit wurde der Einsatz von Carbonbeton zur bevorzugten Lösung gegenüber den bewährten Verfahren.

Abbildung 6: Historische Betonbogenbrücke in Naila nach der Verstärkung mit Carbonbeton. Foto: © Stefan Gröschel


VERSTÄRKUNG EINER AUTOBAHNBRÜCKE ÜBER DIE NIDDA

Neben Fußgänger- und Radbrücken konnten auch bereits deutlich stärker belastete Straßenbrücken mit Carbonbeton saniert werden. Das prominenteste Beispiel sind drei 70 m lange Brücken der Autobahn A648 über die Nidda bei Frankfurt (Abbildung 7). Die 1971 errichteten Spannbetonbrücken waren aufgrund der Anfälligkeit des verwendeten Sigma-Oval-Spannstahls für Spannungsrisskorrosion versagensgefährdet. Insbesondere die Versagensankündigung beim Eintreten der Spannungsrisskorrosion war hier nicht gegeben. Um die Lebensdauer der Bauwerke zu verlängern, wurde Carbonbeton mit fünf Bewehrungslagen im oberen und sechs Lagen im unteren Bereich der Brücke eingesetzt. Mithilfe dieser Maßnahme konnte eine Versagensankündigung beim Spanndrahtausfall sichergestellt werden, wobei weder das Lichtraumprofil der Nidda noch die stark frequentierten Rad- und Fußwege unterhalb der Randfelder beeinträchtigt wurden. Da die lichte Höhe schon vor der Verstärkung nur rund 1,75 m betrug, war dies besonders anspruchsvoll. Auch auf der Oberseite führte die relativ geringe Schichtdicke dazu, dass die Verstärkungsschicht in den Fahrbahnaufbau integriert und eine Anpassung der Gradiente vermieden werden konnte. Für weitere Informationen siehe24, 25 und 26.

Abbildung 7: Autobahnbrücke über die Nidda bei Frankfurt am Main, Deutschland. Foto: © Oliver Steinbock


VERSTÄRKUNG DER BRÜCKE DONAUWÖRTH

Ein weiteres Beispiel carbonbetonverstärkter Straßenbrücken ist die Spannbetonhohlkastenbrücke der Bundesstraße 2 bei Donauwörth in Bayern. Das um 1968 errichtete Bauwerk besteht aus zwei Überbauten, die jeweils mit zwei Feldern über die Donau spannen. Seit 2023 wird das Bauwerk mit dem Ziel saniert, die Restnutzungsdauer für mindestens 20 weitere Jahre sicherzustellen. Die statischen Defizite dieser Brücke beziehen sich nicht nur auf die Biegetragfähigkeit, für deren Verstärkung bis zu sechs Lagen Carbonbewehrung auf der Hohlkastenunterseite angeordnet wurden, auch die Torsionslängsbewehrung war für die heutigen Anforderungen unzureichend. Mittels einer dreilagig bewehrten, 2 cm starken Verstärkungsschicht aus Carbonbeton der im GZT in der Zugzone liegenden Bereiche der Hohlkästen konnte im Rahmen der Zulassung im Einzelfall ein ausreichender Torsionswiderstand nachgewiesen werden. Es handelt sich dabei um die erste umgesetzte Torsionsverstärkung mit Carbonbeton.

Abbildung 8: Brücke Donauwörth. Foto: © StBA Augsburg

 

PILOTPROJEKTE IM BRÜCKENNEUBAU

Auch der Neubau von Brücken mit nichtmetallischer Bewehrung gewinnt zunehmend an Bedeutung, so wurden beispielsweise 2006 in Oschatz/Sachsen und 2007 in Kempten/Allgäu erste Fertigteilbrücken aus textilbewehrtem Beton für den Fußgänger- und Radverkehr fertiggestellt.27, 28 Die erste ausschließlich aus Carbonbeton hergestellte Brücke wurde 2015 in Albstadt-Ebingen ebenfalls als Fertigteilbrücke für den Fußgänger- und Radverkehr errichtet, wobei eine Nutzlast von 10 t für den gelegentlichen Betrieb von Räum- und Streufahrzeugen sichergestellt wurde.29

Abbildung 9: Erste Fuß- und Radwegbrücke aus Carbonbeton in Albstadt-Ebingen. Foto: © solidian

In der Folge wurden vor allem Verbundbrücken realisiert, mit Hauptträgern aus Holz oder Stahl und Überbauten aus Carbonbeton, die neben der Lastverteilung einen dauerhaften Wetterschutz des Haupttragsystems ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen gewährleisten.30–33

Weiter wurde bei der Verbreiterung der Brückenkappen der Carolabrücke in Dresden die Wirkung der feingliedrigen Rissverteilung der Carbonbewehrung genutzt.34 Während die Tragfähigkeit der Kappen konventionell durch Stahlbewehrung sichergestellt wird, sollen die Rissbreiten durch oberflächennah eingebrachte Carbongitter minimiert werden. Durch diese Maßnahme wird das Stahlbetontragwerk vor eindringendem Wasser und Frost-TausalzEinwirkungen, wie sie bei Verkehrswegen in hohem Maße auftreten, geschützt und die Dauerhaftigkeit der Bauteile deutlich erhöht.

Abbildung 10: Kappenverbreiterung der Carolabrücke in Dresden. Foto: © Harald Michler

Ein Brückenexponat, das die filigrane Bauweise von Carbonbeton eindrucksvoll demonstriert, ist die 9,5 m lange und 1,2 m breite CarboLight-Brücke, die ab 2022 im Deutschen Museum in München zu sehen ist.35 Die im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ entstandene Brücke besteht aus zwei schlanken, flach geneigten V-förmigen Stützen und einem dreischichtigen Überbau. Das mithilfe einer parametrisierten 3D-Modellierung formoptimierte Tragwerk hat ein Konstruktionsgewicht von nur 2,1 t und soll den Kraftfluss für jeden Betrachter deutlich sichtbar machen. Der dreischichtige Aufbau variiert in der Höhe zwischen 60 mm und 160 mm. Die biaxial gekrümmte Unterseite und die ebene Oberseite bestehen aus einer nur 20 mm dicken Carbonbetonschicht. Dazwischen befindet sich Infraleichtbeton mit einer Dichte von ca. 800 kg/m³, um die Möglichkeiten von Hybridbetonstrukturen aus Carbonbeton und Infraleichtbeton zu verdeutlichen.


BRÜCKENBAU AUF DER S111 BEI WURSCHEN

Im Rahmen des 100-Bauwerke-Programms des Freistaates Sachsen wurde 2021 der vollständig aus Carbonbeton gefertigte Neubau einer Straßenbrücke auf der S111 bei Wurschen in Sachsen realisiert.36 Aufgrund der Nähe zur Autobahn A4 musste der in Ortbetonbauweise errichtete Einfeldträger über das Kuppritzer Wasser in der Lage sein, als Ausweichstrecke Belastungen aus dem Güterverkehr zu bewältigen. Für den 11 m breiten und 6,6 m spannenden Überbau wurden sowohl stab- als auch gitterartige Carbonbewehrungselemente verwendet. Der Eignungsnachweis für die erhöhten Anforderungen des Straßenbetriebs wurde im Rahmen der Zulassung im Einzelfall durch statische und zyklische Belastungsversuche an maßstabsgetreuen „1-m-Streifen“ des Bauteilquerschnitts erbracht. Da es sich um ein Pilotprojekt handelte, wurden darüber hinaus am fertigen Bauwerk jeweils neun statische und dynamische Belastungsversuche durchgeführt. Mithilfe sogenannter „Fiber-In-Metal-Tubes“, die während der Bauphase auf den Carbonstäben angebracht wurden, erfolgte ein Monitoring der realen Dehnungen während der Belastungsversuche. Die Tragfähigkeit konnte dabei problemlos nachgewiesen und die Brücke in den Betrieb genommen werden. Zudem werden über die Bauphase hinaus Erfahrungen zu der erwarteten längeren Nutzungsdauer und den damit verbundenen geringeren Lebenszyklus- und Wartungskosten der Brücke gesammelt. Die Brücke stellt somit einen weiteren wichtigen Meilenstein bei der Etablierung des Werkstoffs in der Baupraxis dar.

Abbildung 11: Ansicht der CarboLight-Brücke im Deutschen Museum in München. Foto: © Ansgar Pudenz

Abbildung 12: Neubau der Brücke S111 bei Wurschen. Foto: © Stefan Gröschel


FAZIT

Das Bauen der Zukunft steht vor zahlreichen Herausforderungen, die eine immer effizientere Bauweise erfordern. Dabei geht es vor allem darum, unsere Infrastruktur oder Gebäude bei mindestens gleicher Leistungsfähigkeit mit weniger Material zu errichten. Vor allem aber wird der Erhalt unserer Bausubstanz unter Berücksichtigung der darin bereits gespeicherten grauen Energie einen sehr wichtigen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen im Bausektor leisten.

In nahezu allen Bereichen des Bauwesens steht mit carbonbewehrtem Beton ein Werkstoff zur Verfügung, der eine Lösung für diesen scheinbaren Widerspruch bietet und die Anforderungen an Dauerhaftigkeit, Materialeffizienz und Robustheit erfüllt. Die zahlreichen bereits realisierten Anwendungsbeispiele zeigen das Potenzial des Carbonbetons, sowohl im Neubau als auch in der Instandsetzung von Hoch- und Infrastrukturbauten CO2-effiziente (Carbon-)Betonbauteile herzustellen und damit einen wichtigen Beitrag zu einer klimaneutralen Bauweise zu leisten.

Autoren:
Manfred Curbach, Enrico Baumgärtel, Peter Betz, David Sandmann; Institut für Massivbau, TU Dresden

1 Lieboldt, M. (2023) Einführung zum Carbonbeton in: Beton- und Stahlbetonbau 118, S2, S. 7–10. https://doi.org/10.1002/best.202100100.

2 Curbach, M. et al. (2023) Handbuch Carbonbeton. https://doi.org/10.1002/9783433608661.

3 Curbach, M. (2022) CUBE – Neues Bauen mit Carbonbeton – New Building With Carbon Concrete.

4 Curbach, M. (2022) CUBE – Neues Bauen mit Carbonbeton – New Building With Carbon Concrete.

5 Curbach, M. (2022) CUBE – Neues Bauen mit Carbonbeton – New Building With Carbon Concrete

6 Lieboldt, M. (2023) Einführung zum Carbonbeton in: Beton- und Stahlbetonbau 118, S2, S. 7–10. https://doi.org/10.1002/best.202100100.

7 Lengsfeld, H., Mainka, H., Altstädt, V. (2019) Carbonfasern – Herstellung, Anwendung, Verarbeitung. https://doi.org/10.3139/9783446460805.

8 Curbach, M. (2022) CUBE – Neues Bauen mit Carbonbeton – New Building With Carbon Concrete.

9 AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg., 2013) Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. 4. Aufl. Wiesbaden: Springer Vieweg.

10 Curbach, M. et al. (2023) Handbuch Carbonbeton. https://doi.org/10.1002/9783433608661.

11 Schladitz, F., Rittner, S., Kahnt, A., Tietze, M., Curbach, M. und Lieboldt, M. (2016) Herstellung von Fertigteilen aus Textilbeton. DE 102015100438B3, angemeldet 13.01.2015, erteilt 24.03.2016.

12 Schladitz, F., Curbach, M., Rittner, S., Kahnt, A. und Tietze, M. (2016) Textile Bewehrung und deren Herstellung. DE 102016100455B4, angemeldet 13.01.2016, erteilt 19.11.2020.

13 Curbach, M., Raps, K., Schumann, A. und Schutze, E. (2020) Textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil, Herstellungsverfahren für eine Bewehrungsstruktur, Bauteil und Halbfertigteil. EP 3705657A1, angemeldet 05.03.2020.

14 Mechtcherine, V., Michel, A., Liebscher, M., Schneider, K. und Grosmann, C. (2019) Neue Carbonfaserbewehrung für digitalen automatisierten Betonbau. Beton- und Stahlbetonbau 114 (12), S. 947–955, https://doi.org/10.1002/best.201900058.

15 Curbach, M. et al. (2017) Eine Vision wird Realität: Der Betonbau der Zukunft ist nachhaltig, leicht, flexibel und formbar – dank Carbon – Für Sanierung oder Neubau sind jetzt Decken und Wände, Fuß- und Radwegbrücken, Bögen und Fassaden sein Metier in: Der Prüfingenieur 51, S. 20–35.

16 Curbach, M. (2022) CUBE – Neues Bauen mit Carbonbeton – New Building With Carbon Concrete.

17 Curbach, M. et al. (2023) Handbuch Carbonbeton. https://doi.org/10.1002/9783433608661.

18 Mechtcherine, V., Michel, A., Liebscher, M., Schneider, K. und Grosmann, C. (2019). Neue Carbonfaserbewehrung für digitalen automatisierten Betonbau. Beton- und Stahlbetonbau 114 (12), S. 947–955, https://doi. org/10.1002/best.201900058.

19 Manfred, C., Sebastian, M., Müller, E., Schumann, A., Schütze, E., Wagner, J. (2022). Verstärken mit Carbonbeton. In: Bergmeister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.-D. (Hg.). BetonKalender 2022: Wiley, S. 761–804.

20 Deutsches Institut für Bautechnik (2021) CARBOrefit® – Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton – Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ)/Allgemeine Bauartgenehmigung (aBG) Z-31.10-182.

21 Hentschel, M., Schumann, A., Ulrich, H., Jentzsch, S. (2019). Sanierung der Hyparschale Magdeburg. Bautechnik 96, S. 25–30.

22 Schumann, A., May, S., Kniebel, F.; Geißler, J., Thorwirth, F. (2022). Erhalt einer der ersten „Eisenbeton“-Brücken Deutschlands – dank Carbonbeton!, Beitrag zum 5. Brückenkolloquium, Fachtagung für Beurteilung, Planung, Bau, Instandhaltung und Betrieb von Brücken, 6. + 7. September 2022, Stuttgart.

23 Al-Jamous, A. (2017). Instandsetzung der historischen Betonbogenbrücke in Naila, Beton- und Stahlbetonbau 112 (9), S. 623–628. https://doi.org/10.1002/ best.201700048.

24 Steinbock, O., Bösche, T., Schumann, A. (2021). Carbonbeton – Eine neue Verstärkungsmethode für Massivbrücken – Teil 2: Carbonbeton im Brückenbau und Informationen zur Zustimmung im Einzelfall für das Pilotprojekt „Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648“, Beton- und Stahlbetonbau 116 (2), 109–117. https://doi.org/10.1002/best.202000106.

25 Steinbock, O., Teworte, F., Neis, B. (2021). Carbonbeton – Eine neue Verstärkungsmethode für Massivbrücken – Teil 3: Planung und Umsetzung der Verstärkungsmaßnahme mit Carbonbeton am Pilotprojekt „Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648“, Beton- und Stahlbetonbau 116 (2), 118–126. https://doi.org/10.1002/best.202000107.

26 Steinbock, O., Pelke, E., Ost, O. (2021). Carbonbeton – Eine neue Verstärkungsmethode für Massivbrücken – Teil 1: Grundlagen und Hintergrunde zum Pilotprojekt „Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A648“, Beton- und Stahlbetonbau 116 (2), 101–108. https://doi. org/10.1002/best.202000094.

27 Michler, H. (2016). Verstärken mit Carbonbeton im Brückenbau, in: Tagungsband zum 26. Dresdner Brückenbausymposium.

28 Michler, H. (2013). Segmentbrücke aus textilbewehrtem Beton – Rottachsteg Kempten im Allgäu. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 5, S. 325–334, https://doi.org/10.1002/best.201300023.

29 Michler, H. (14.03.2016) Verstärken mit Carbonbeton im Brückenbau, S. 235–247.

30 Rempel, S. (2017). Erste Straßenbrücke aus Carbonbeton, in: C3 – Carbon Concrete Composite e. V. (Hrsg. TUDALIT e. V.), Tagungsband der 9. Carbon- und Textilbetontage. Michler, H. (14.03.2016) Verstärken mit Carbonbeton im Brückenbau, S. 235–247.

31 Helbig, T. (2019). The Integral Stuttgart Timber Bridge, Structure 3 (5), S. 54–58.

32 Bielak, J. et al. (2020). Zwei Praxisbeispiele zur Querkrafttragfähigkeit von Brückenplatten aus Carbonbeton, Bautechnik 97 (7), S. 499–507. https://doi.org/10.1002/bate.202000037

33 Rempel, S., Kanschin, E. (2021). Reduzierte Bauzeit bei Ersatzneubauten von Straßenbrücken durch Carbonbeton, In: Tagungsband zum 30. Dresdner Brückenbausymposium, Dresden. S. 165–176.

34 Michler, H. (2021). Nichtmetallische Bewehrung im Großbrückenbau – Kappenverbreiterung Carolabrücke Dresden, in: Ergänzungsband zum 30. Dresdner Brückenbausymposium, Dresden. S. 63–78.

35 Koschemann, M., Curbach, M., Vakaliuk, I. (2022). An ultra-light carbon concrete bridge: from design to realisation, Proceedings of the fib congress 2022, June 2022, Oslo.

36 May, S., Schumann, A., Lorenz, E. (2022). Erste Straßenbrücke aus Carbonbeton – Erfahrungen und Erkenntnisse aus Planung und Bau, Beitrag zum 5. Brückenkolloquium, Fachtagung für Beurteilung, Planung, Bau, Instandhaltung und Betrieb von Brücken, 6. + 7. September 2022, Stuttgart.