Stark wie Stein mit Basaltfasern

Mineralischer Stoff für Entwässerungsrinnen und nachhaltiges Bauen

Deutsches Ingenieurblatt 12/2021
Baustoffe

In der Entwässerungstechnik beginnt mit dem Rinnenwerkstoff Beton eine neue Ära. Das liegt an dem neuen mit Fasern bewehrten Beton, der als durchweg mineralischer Baustoff Entwässerungsrinnen nicht nur erheblich zu stabilisieren vermag, sondern auch die CO2-Bilanz in seiner Herstellung deutlich senkt. Basalt ist also nicht nur ein jahrtausendealter Naturstein, sondern auch ein Meilenstein unserer Zeit – in der Entwicklung hin zu einem nachhaltigeren Bauen. Planer und Ingenieure erleben in Entwässerungsprodukten aus basaltfasermodifiziertem Beton einen höchst beständigen Werkstoff, der deutlich langsamer abwittert und langfristig eine sorgenfreie Funktion und Sicherheit der Bauprodukte gewährleistet.

In vielen Bereichen des öffentlichen Lebens werden die Eigenschaften von Basalt bereits geschätzt. Auf Straßen und Schienen, als Gleisschotter, im Bauwesen, selbst in biegsamer und dennoch hoch belastbarer „Soft-Form“ bei Brandschutztextilien oder sogar im Leichtbau der Raumfahrt: Überall da, wo mit schweren und schwersten Belastungen umzugehen ist, ist der nachwachsende Rohstoff gefragt. Ob Zug, Druck, Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Chemikalien: Basalt kommt mit allen heftigen und wechselnden Einwirkungen dieser Art gut klar. Damit ist das Ergussgestein auch für die Ingenieurforschung in der Entwässerungstechnologie anziehend. Die jahrelangen Fragestellungen zu seiner gewinnbringenden Integration in den Werkstoff Beton haben zu der neuen Basaltfaserrezeptur geführt.

Von den Römern bis heute
Wie macht man aus Steinen Beton? Diese Frage ist wohl fast so alt wie die Menschheit, wird aber zurecht immer wieder neu gestellt und beantwortet. Denn von den spezifischen Einstellungen der Anlage und der jeweiligen Rezeptur mit dem Bindemittel Zement und den anderen Bestandteilen hängen die Veränderungen einer Betonqualität und ihrer speziellen Eigenschaften maßgeblich ab. Schon die alten Römer kannten mit ihrem opus caementicium, einem betonähnlichen Werkstoff, deren Vorzüge. Heute ist der künstliche Stein aus dem modernen Hoch- und Tiefbau nicht mehr wegzudenken. Auch eine Faserbewehrung in Beton ist nicht neu; diese macht den Werkstoff widerstandsfähiger sowohl gegen Einwirkung durch die Witterung als auch gegen das Einwirken hoher dynamischer Belastung. Gerade Frostwechsel, Nässe, Streusalzungen etc. sind Faktoren, die in der Materialforschung für die moderne Entwässerungstechnologie eine besondere Rolle spielen. Und da bringt die neuartige Rezeptur mit natürlichem Basalt nun die Leistungsfähigkeit einen großen Schritt voran.

Faserbewehrung – bekanntes Thema neu gedacht
Beton kann hohe Druckspannungen, aber nur geringe Zugspannungen aufnehmen. Über die Jahrhunderte wurde er deshalb immer weiter optimiert. Im sogenannten Stahlbeton übernehmen Stahleinlagen (Bewehrung) in den Zugzonen die Spannungsaufnahme. Das Beimischen von mineralischen oder textilen Fasern dagegen erhöht beispielsweise die Grünstands- und Kantenfestigkeit oder den Risswiderstand. In der Entwässerung ist vor allem Letzteres von großer Bedeutung: Denn je höher der Risswiderstand, desto robuster und langlebiger ist das Produkt. Das ist gerade für Bauteile besonders wichtig, die erheblichen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Dies ist etwa bei Rinnen der Fall, die zum Teil mit hohen Geschwindigkeiten von Fahrzeugen befahren oder regelmäßig durch Schwerstlasten beansprucht werden. Sie müssen ein sehr festes und stabiles stoffliches Gefüge aufweisen. Dafür sorgt der Einsatz von Fasern. Er bewirkt, dass keine Mikrorisse und keine Risse im Außenbereich entstehen. Schon kleine Mengen von Fasern reichen aus, um eine beachtliche Minderung von Rissbildungen dieser Art herbeizuführen. Kunststoff- oder Glasfasern haben diese Aufgabe erfolgreich erfüllt und ihre praxis-taugliche Verwendung bewiesen. Um die Eigenschaften des faserbewehrten Betons den Herausforderungen unserer Zeit anzupassen, wurde die Materialauswahl neu gedacht.

Fortschritt mit Basaltfasern: natürlich, emissionsfrei, nachhaltiger
Die Betonproduktion gewinnt durch die Alternative Basaltfasern: Durch das Beimischen von Basaltfasern wird nicht nur ein langlebiger Baustoff kreiert, sondern auch ein zu 100 Prozent natürlicher. Die Basis, Basaltgestein, gibt es überall auf der Welt. Es ist in großer Menge verfügbar und bildet sich täglich neu auf unserer Erde. Rund um den Globus, etwa in Island, in Deutschland beispielsweise in der Eifel und an der Rhön (aber übrigens auch im Weltraum auf Merkur, Venus, Mars und Mond) ist es verfügbar. Bei jedem Vulkanausbruch, auch kleineren und unspektakulären vulkanischen Ereignissen, entsteht es durch das Abkühlen und Erstarren von Magma neu. Der anthrazitfarbene oder schwarze Stein in seiner feinkörnigen, stabilen Struktur kommt so häufig in der Natur vor, dass mehr Basalt vorhanden ist, als wir nutzen können. Es handelt sich also um einen nachwachsenden Rohstoff. Nach dem Abbau im Steinbruch wird der Rohbasalt zerkleinert und gereinigt. Im Schmelzofen wird er zu lavaähnlicher flüssiger Basaltschmelze. In dieser Phase der Verflüssigung des Gesteins können – gepresst durch Düsen, gezogen und gebündelt – verschiedenartige Fasern daraus hergestellt werden, die beeindruckende Eigenschaften aufweisen. Im Zusammenspiel mit dem bekannten Material Beton werden sowohl die Gebrauchstauglichkeit als auch die Nutzungsdauer der Produkte erhöht, so etwa für Entwässerungssysteme aus faserbewehrtem Beton.

Naturprodukt mit besserer Umweltbilanz
Entscheidender Pluspunkt: Bei der Faserherstellung aus dem vulkanischen Ergussgestein müssen keine chemischen Veränderungen vorgenommen werden. Während der Nachhaltigkeitsfaktor erhöht wird, sinkt also zugleich der Aufwand in der Produktion. Zudem kann bei vergleichbarer Betongüte die Zementmenge signifikant verringert werden, wodurch die CO2-Emission sinkt. Alle gewünschten Eigenschaften des Endprodukts lassen sich durch einen geringeren Materialeinsatz von Fasern erreichen und führen dadurch zu einer sparsameren Verwendung. Im Vergleich zu einer Verwendung von Glasfasern verbessert sich die Energiebilanz massiv – der Energieaufwand sinkt um 30 Prozent.

Ein weiterer Vorteil neben der ressourcenschonenden und effizienten Herstellung ist die einfache Recyclingfähigkeit zum Zyklusende des Produktlebens.

Da es sich beim Endprodukt um ein rein mineralisches Gemisch handelt, entfällt bei der Entsorgung die stoffliche Trennung. Damit wird die Umwelt in hohem Maß geschont. Zudem bilden Basaltfasern nach bisherigem Kenntnisstand keine WHO-kritischen Faserstäube bei Verarbeitung oder Recycling, die die Lunge nachhaltig schädigen können.

Starke Eigenschaften
Basaltfasern halten Temperaturen von bis zu 800°C stand. Sie sind hochfest, flexibel, ungiftig, nicht krebserregend, alkalibeständig nach EN 14649 und ASTM C1666/C1666M und UV-stabil. So werden Anwendungen möglich, für die andere Fasern nicht eingesetzt werden können oder zu kostenintensiv sind.

Vergleicht man die Effekte bei der Zugabe von Basalt mit den bisher verwendeten Fasern, so wird deutlich: Die Basaltfasern lassen sich sehr gut beimischen und formen sich zu feinen, wirkstarken Netzstrukturen. Diese machen die Betonfertigteile noch formstabiler und garantieren dadurch die hohe Bewehrungsqualität, die Schwundrisse verhindert. Ihre kleinen Faserstränge nehmen die inneren Kräfte der noch jungen Betonmatrix auf und tragen sie mit. Das führt dazu, dass die Wassereindringtiefe nachweisbar reduziert wird. Gleichzeitig werden die Fertigteile formstabiler. Damit wird die Dauerhaftigkeit des Rinnenwerkstoffs verbessert. Dazu trägt auch eine reduzierte Abwitterung der Oberflächen bei, die im Vergleich zu bisher im Einsatz befindlichen Betonen stark verzögert wird. Entwässerungssysteme aus basaltfaserbewehrtem Beton werden in dieser Machart viel länger im Einsatz bleiben, als heute schon. Gleichzeitig erhöht sich die Schlagzähigkeit deutlich. Dies geht mit der reduzierten Rissbildung einher: Sowohl die Anzahl der Risse als auch die Rissbreite werden verringert.

Mineralische Power-Partikel
Sowohl bei der Glasfaser als auch bei der Basaltfaser handelt es sich um mineralische Fasern. Im Unterschied zur Glasfaser verfügt die Basaltfaser jedoch über eine höhere Schmelztemperatur, eine bessere Wasser-, Säure- und Laugenbeständigkeit sowie über eine rund 30 Prozent höhere Zugfestigkeit. Weil es sich bei der Glasfaser um ein Mehrstoffgemisch handelt, ist der Aufbereitungsprozess deutlich aufwendiger als bei der Basaltfaser. Das alles macht Basaltfasern in der Entwässerungstechnik, aber auch in zahlreichen anderen Anwendungen des Bauwesens, der Energie- und Umwelttechnik u. v. m. attraktiv.

Angesichts der verschärften Klimaziele ist der Energieverbrauch in der Herstellung das wohl eindeutigste Argument für Basaltfasern: Im Vergleich zu anderen Faserstoffen haben sie durch ihren einfachen Aufbereitungsprozess den niedrigsten CO2-Fußabdruck. Wer widerstandsfähige und langlebige Beton-Produkte wirtschaftlich und umweltfreundlich herstellen will, kommt an Basaltfasern in der Zukunft kaum vorbei.

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