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. Datei-Upload durch TIB One of the main challenges in modern building materials research is achieving sustainable development and ecological optimization of building materials through the targeted use of renewable raw materials. Therefore, an essential part of the scientific investigations within the framework of this research project consisted of advancing classic reinforced concrete construction by researching hemp bast as a starting material for producing alternative reinforcement elements and developing resource saving concretes. The objective in concrete production was to deliberately use low emission binders to reduce the clinker content by up to 73 wt.-%. This approach aimed to develop sustainable concretes with various densities and porosities while minimizing their carbon footprint. As the embedded classic steel reinforcement is no longer sufficiently protected against corrosion due to the reduced use of clinker, using non corrosive hemp bast fibers in combination with epoxy resins as starting materials for a new type of reinforcement presented a potential solution to this problem within the project. The first challenge in the project was determining all material parameters for hemp fibers as well as the reinforcing bars. The natural growth of the hemp plant results in single fibers with different morphologies that influence their material characteristics. These could be effectively determined using an approach to establish equivalent cross sectional areas. Furthermore, through this evaluation method, the tensile strength and elastic modulus of the hemp fibers could be assessed which were derived from the stem of the industrial hemp plant, Cannabis Sativa L.. A further crucial focus of the research project was investigating the durability of the hemp fibers and the epoxy resins needed for reinforcing bars in alkaline environments. To this end, tests were conducted to analyze the tensile strengths and modulus of elasticity of samples exposed to varying alkaline conditions with different pH values. The results on the alkalinity of the three tested concretes indicated that high alkali resistance of the hemp fibers and the resin bound hemp fiber rods must be ensured, particularly immediately after installation and during the initial phase of use. Hemp fibers used as such for shrinkage reinforcement are particularly effective in preventing plastic shrinkage in highly porous concretes, like the highly insulating lightweight concrete (ÖkoLB) employed. The hemp reinforcement bars manufactured in a pultrusion process originally had a smooth surface. They were subsequently manually profiled to guarantee an effective bond between the bar and the embedding concrete. Four different profiling variations were validated through pull-out tests. Sand coating proved particularly effective as profiling in achieving sufficiently high bond stresses. The integration and implementation of profiling in the continuous pultrusion process is the subject of further interdisciplinary research. The successful use of the new construction material BasEcoCrete was demonstrated by the production of bending beams as demonstrators. The demonstrators achieved sufficient tensile load capacity with the hemp bast reinforcement bars. While the use of hemp in the construction industry still requires extensive research, such as fibers pretreatment and identification of disruptive factors in the pultrusion process, the current results indicate considerable potential for the future. The portfolio of climate friendly and sustainable construction materials will grow with hemp reinforcement bars by one prospective promising candidate besides the established building materials, which will accelerate the conservation of resources. Introducing hemp bast fibers as an alternative, ecological fiber in concrete or as a replacement for steel bars is going to create a new value chain alongside the existing one in timber constructions. Compared to conventional concretes, the eco-concretes developed in this project have up to 64 % lower CO2 emissions. In addition, they improve the outstanding construction material of the 20th century by contributing to appealing and convenient applications in the future. Costs for CO2 emissions fees can be significantly reduced by the eco concretes’ improved environmental impacts and furthermore they ensure an attractive economically reliable material in future construction practice. By utilizing BasEcoCrete, the targeted promotion of renewable raw materials can occur, sustainably and significantly reducing climate-damaging carbon dioxide emissions.