Hanfbastfasern als Bewehrungsmaterial in klinkerarmen Betonen (BasEcoCrete)

Abstract

Die Verwendung ökologisch-optimierter Materialien und der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen stellen einen zentralen Aspekt für zukünftiges Bauen dar. Im Forschungsprojekt wurden daher neue Ansätze für klimafreundliche Konstruktionsbaustoffe verfolgt, indem klinkerarme, weniger CO2-emittierende und zudem noch ressourcenschonende Betone mit Bewehrungselementen aus nachwachsendem Hanfbastfasern als Weiterentwicklung zum klassischen Stahlbetonbau untersucht wurden. Dieses neuartige Konzept erhielt im Forschungsvorhaben das Akronym BasEcoCrete. Für den Beton selbst wurde dabei das Ziel verfolgt, gezielt emissionsarme Bindemittel mit einer Zementklinkerreduktion von bis zu 73 M.-% einzusetzen und dabei nachhaltige Betone unterschiedlicher Dichte und Porosität sowie mit geringem CO2-Fußabdruck herzustellen. Solche Betone schützen allerdings die klassische Stahlbewehrung nicht mehr ausreichend vor Korrosion. Der weitere Fokus des Forschungsvorhabens lag daher in der Nutzung von nicht korrosionsgefährdeten Hanfbastfasern als neuartige Bewehrung in Form von Schwindbewehrung oder Stabbewehrung. Eine erste Herausforderung im Projekt war die Bestimmung der Materialparameter von Hanfbastfasern und den damit hergestellten Bewehrungsstäben. Mit dem natürlichen Wachstum der Hanfpflanze entstehen Faserbündel beziehungsweise Einzelfasern unterschiedlichster Morphologie (Oberflächenbeschaffenheiten), deren Material kennwerte über den Ansatz der äquivalenten Querschnittswerte zielführend bestimmt wurden. Mit der eingesetzten Auswertemethodik konnten für die verwendeten Hanfbastfasern aus dem Stängel der Nutzhanfpflanze Cannabis Sativa L. die Zugfestigkeit und das Elastizitätsmodul bestimmt werden. Einen weiteren wichtigen Schwerpunkt im Forschungsvorhaben bildeten die Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit im alkalischen Milieu sowohl der Fasern als auch der für die Bewehrungsstäbe notwendigen bindenden und umhüllenden Epoxidharze. Hier wurden Versuche in alkalischen Lösungen durchgeführt und der Einfluss auf die Festigkeiten und das Elastizitätsmodul erforscht. Anhand der Ergebnisse zur Alkalität der drei untersuchten Betone muss eine hohe Alkalibeständigkeit der Fasern und Hanfbastbewehrungsstäbe vor allem unmittelbar nach dem Einbau und in der ersten Nutzungsphase gewährleistet sein. Die Hanfbastfasern erwiesen sich als sehr leistungsfähig in hochporosierten Betonen, wie dem eingesetzten hochwärmedämmenden Leichtbeton (ÖkoLB), dessen plastisches Schwinden sie mindern konnten. Die im Pultrusionsverfahren hergestellten Hanfbastbewehrungsstäbe haben zunächst eine glatte Oberfläche. Deshalb wurden die Stäbe nachträglich händisch profiliert, um den Verbund zwischen Stab und Beton und damit die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die Eignung der vier gewählten Profilierungsvarianten wurde in Pull-Out Versuchen validiert. Dabei erreichten die Stäbe mit einer „besandeten“ Profilierung die höchsten Verbundspannungen. Die Realisierung und Einbindung der Profilierung in den Herstellungsprozess der Pultrusion ist Inhalt weiterer interdisziplinärer Forschungsarbeiten. Die Herstellung von Biegebalken als Demonstratoren für einen erfolgreichen Einsatz des neuen Konstruktionswerkstoffes BasEcoCrete rundete das Forschungsprojekt ab. Mit den Demonstratoren konnte eine ausreichende Aufnahme von Zugkräften durch die Hanfbastbewehrungsstäbe gezeigt werden. Die Nutzung des Hanfs im Bauwesen bedarf noch einiger Forschungsarbeit, wie der Vorbehandlung der Fasern und der Identifikation von Störfaktoren im Herstellungsprozess der Pultrusion, verspricht aber aufgrund der vorliegenden Ergebnisse ein beträchtliches Potenzial für die Zukunft. Das Portfolio klimafreundlicher und nachhaltiger Baustoffe bekommt mit Hanfbastbewehrungsstäben neben den etablierten Baustoffen einen weiteren aussichtsreichen Kandidaten, der die Ressourcenschonung weiter forciert. Neben den etablierten Wertschöpfungsketten des Holzbaus entsteht mit der Einführung von Hanfbastfasern als alternative, ökologische Betonbewehrung in Fasern oder Stabform eine neue Verwertungskette. Die im Projekt entwickelten Ökobetone besitzen im Vergleich zu konventionellen Betonen eine um 64 % niedrigere CO2-Emissionen, durch die sie den Baustoff des 20 Jahrhunderts weiter verbessern und auch in Zukunft attraktiv und verwendungsfreundlich gestalten. Durch die deutliche Verbesserung der Umweltwirkungen des Betons werden die Kosten für zukünftige Emissionsabgaben vermindert und sichern damit die Attraktivität eines wirtschaftlichen zuverlässigen Werkstoffs der Baupraxis. Somit kann es mit BasEcoCrete gelingen, nachwachsende Ressourcen gezielt zu nutzen und für das Bauwesen attraktiv zu machen, sowie klimaschädliche CO2-Emissionen deutlich und nachhaltig zu reduzieren.