Ein Betonbalken kann vor dem Auftreten seines ersten größeren Risses eine beträchtliche Last tragen, verliert dann aber rasch an Tragfähigkeit. Bei einem Boden, einer Deckschicht, einem Fertigteil oder einer Reparaturschicht kann die Belastung nach dem Auftreten von Rissen ebenso entscheidend sein wie der erste Spitzenwert. Biegefestigkeit beschreibt, wie das Material auch bei Verformung weiterhin der Biegung widersteht und Energie absorbiert.
Bei der Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. unterstützen wir Einkäufer dabei, die Auswahl der Fasern mit der Leistungsfähigkeit des fertigen Betons in Einklang zu bringen. Die zentrale Frage ist nicht, ob eine Faser für sich genommen fest ist, sondern ob die gewählte Faser, die Dosierung und die Mischung dafür sorgen, dass der Beton die erforderliche Last auch dann noch trägt, wenn sich bereits ein Riss gebildet hat.
Kontrollierte Versuche an PAN- und PVA-Fasern Nehmen wir ein anschauliches Beispiel. Beide Fasern verwandelten ein sprödes Tragverhalten in ein allmählicheres Verhalten nach Rissbildung. Ihre Ergebnisse zeigen zudem, warum eine höhere Dosierung, ein höherer Elastizitätsmodul und eine Spitzenlast niemals als gleichwertige Maßstäbe für die Zähigkeit betrachtet werden sollten.
Was die Biegezähigkeit misst
Die Biegefestigkeit gibt in der Regel einen belastungsbezogenen Wert in einem bestimmten Stadium der Biegung an. Die Zähigkeit beschreibt die Energie, die über einen bestimmten Abschnitt der Last-Durchbiegungs-Kurve absorbiert wird. Diese Energie wird durch die Fläche unter der Kurve bis zu einer festgelegten Durchbiegung dargestellt. Ein Träger, der über einen größeren Verformungsweg hinweg noch eine gewisse Last trägt, kann mehr Energie absorbieren als ein Träger, der nach Erreichen seines Spitzenwerts plötzlich versagt.
Die Restbiegefestigkeit wirft eine damit zusammenhängende Frage auf: Wie viel Belastung oder berechnete Festigkeit verbleibt bei einer definierten Durchbiegung oder Rissöffnung? Diese Kennzahlen dienen unterschiedlichen Zwecken. Eine Spezifikation sollte das Prüfverfahren, die Zielverformung und den Abnahmewert benennen, anstatt lediglich “hohe Zähigkeit” zu fordern.
Fasern überbrücken Risse, da sie die Bruchfläche kreuzen. Wenn sich die beiden Seiten voneinander entfernen, nehmen die eingebetteten Fasern die Last durch Haft- und Ausreißfestigkeit auf. Ihre Anzahl, Ausrichtung, Länge und Einbettung bestimmen das Ergebnis. Die Zugfestigkeit der Fasern ist nur dann von Nutzen, wenn die Matrix die Kraft auf die Fasern überträgt und diese bei den für das Projekt relevanten Rissbreiten wirksam bleiben.
Normaler Beton weist oft einen starken Lastabfall auf, sobald sich ein dominanter Riss bildet. Ein faserverstärkter Träger kann nach dem Lastspitzenwert zwar eine abnehmende, aber dennoch anhaltende Tragfähigkeit aufweisen. Dies stellt dennoch einen bedeutenden Gewinn dar, selbst wenn der erste Lastspitzenwert nicht wesentlich ansteigt. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Bauteil die bemessene Bewehrung ohne eine statische Überprüfung ersetzen kann.
Was die PAN- und PVA-Strahltests zeigen
A veröffentlichte Biegeuntersuchung verglichen Normalbeton mit zwei Familien von Kunstfaserbeton. Die Forscher verwendeten 12 mm lange Polyacrylnitril- (PAN) und Polyvinylalkohol- (PVA) Fasern. Jede Gruppe umfasste vier Dosierungen: 0,9, 1,2, 1,5 und 1,8 kg/m³. Die Grundmischung wies ein angegebenes Wasser-Bindemittel-Verhältnis von 0,4 auf und bestand aus Zement, Flugasche, Sand, Schotter, Wasser und einem Polycarboxylat-Zusatzmittel.
Die Träger hatten die Abmessungen 400 × 100 × 100 mm und wurden über eine Spannweite von 300 mm geprüft. An der Unterseite des Trägers wurde eine 15 mm tiefe Kerbe eingeschnitten. Bei der Prüfung wurde eine zentrale Belastung im Dreipunktbiegetest angewendet. Ein Wegsensor erfasste die Durchbiegung in der Mitte der Spannweite, während eine Messklemme an der Kerbe die Verschiebung der Rissöffnung (CMOD) erfasste.
Der einfache Kontrollträger verlor nach Erreichen seines Höchstwerts rasch an Tragfähigkeit. Die PAN- und PVA-Träger trugen auch nach dem Auftreten von Rissen weiterhin Last. Diese Veränderung lässt sich an der Form der Last-Durchbiegungs-Kurven erkennen und wird anhand der Energie und der äquivalenten Biegefestigkeit bei festgelegten Verformungsintervallen quantifiziert.
Diese Erkenntnis hat eine klare Einschränkung. Es handelt sich um Ergebnisse für genau diese Fasern, diese Bündelabmessungen und diese Belastungskonfiguration. Einem Produkt eines Anbieters mit derselben Polymerbezeichnung, aber abweichender Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit oder Festigkeit sollte nicht automatisch dieselbe numerische Leistungsangabe zugewiesen werden.
Die Dosierungsergebnisse im Kontext
Bei den Versuchen wurde der Beitrag der Fasern zur absorbierten Energie über zwei Intervalle nach Rissbildung gemessen, die als D1f und D2f in N·mm angegeben wurden. Zudem wurden die äquivalenten Biegefestigkeiten feq1 und feq2 in MPa berechnet. Der spätere feq2-Wert ist hilfreich, um festzustellen, ob der Träger seine Tragfähigkeit auch bei fortgeschrittener Verformung beibehält.
| Faser | Dosierung kg/m³ | Frühe Energie D1f N·mm | Spätere Energie D2f N·mm | Spätere äquivalente Festigkeit feq2 MPa |
| PVA | 0.9 | 2,000.60 | 2,271.56 | 0.40 |
| PVA | 1.2 | 1,809.05 | 2,230.07 | 0.41 |
| PVA | 1.5 | 2,169.46 | 2,828.77 | 0.51 |
| PVA | 1.8 | 2,178.34 | 2,747.70 | 0.49 |
| PAN | 0.9 | 1,384.95 | 1,518.90 | 0.27 |
| PAN | 1.2 | 1,453.10 | 1,740.58 | 0.32 |
| PAN | 1.5 | 1,867.18 | 2,170.55 | 0.39 |
| PAN | 1.8 | 2,150.93 | 2,562.25 | 0.46 |
Bei diesen Werten handelt es sich um Untersuchungsergebnisse und nicht um Produktgarantien für Ecocretefiber™. Sie sollten ausschließlich im Rahmen der angegebenen Prüfkonfiguration verglichen werden. Die genaue Bedeutung der einzelnen Energie- und Äquivalenzfestigkeitsindizes richtet sich nach den in der jeweiligen Prüfung definierten Verformungsintervallen; es handelt sich nicht um einen universellen Restfestigkeitswert.
Die PAN-Leistung stieg bis über den getesteten Wert von 1,8 kg/m³ an. Die Studie berichtet von Faserverklumpungen oberhalb dieses Wertes unter den gegebenen Mischbedingungen. Die Spätfestigkeit von PVA erreichte bei 1,5 kg/m³ einen Wert von 0,51 MPa und sank bei 1,8 kg/m³ auf 0,49 MPa. Auch der Spätenergiewert ging leicht zurück. Eine höhere Dosierung führte daher nicht bei jeder Faser zu einem besseren Ergebnis im Spätstadium.
Für diese spezielle Mischung wurden im Haupttext und in der Schlussfolgerung zur Biegezähigkeit etwa 1,5–1,8 kg/m³ PAN und 1,2–1,5 kg/m³ PVA empfohlen. In der Zusammenfassung wird für PVA ein etwas niedrigerer Wert am unteren Ende des Bereichs angegeben. Wir stützen uns hier auf die Ausführungen im Hauptteil der Versuchsbeschreibung. Keiner der beiden Bereiche stellt eine Standarddosierung für ein anderes Projekt dar. Beginnen Sie mit der Projektmischung und legen Sie das angestrebte Ergebnis fest, bevor Sie einen Versuchsbereich festlegen.
Warum mehr Ballaststoffe manchmal nicht mehr helfen
Durch die Zugabe von Fasern erhöht sich die potenzielle Anzahl der Brücken über einen Riss hinweg. Außerdem verändert sich dadurch die Frischmischung. Bei einem höheren Anteil können Fasern Klumpen bilden, die Bewegung des Zuschlagstoffs einschränken und die Verdichtung erschweren. Eingeschlossene Luft oder eine lokal schwache Zone können den Vorteil der zusätzlichen Bewehrung zunichte machen.
Die praktische Grenze hängt von den Faserabmessungen, der Bündelstruktur, der Oberflächenbehandlung, der Korngrößenverteilung des Zuschlagstoffs, dem Pastengehalt, der Verträglichkeit der Zusatzstoffe, der Mischerenergie und der Einbauweise ab. Eine Dosierung, die sich in einem Labor-Pfannenmischer gut verteilt, kann sich in einem Fahrmischer oder einer Fertigteilanlage anders verhalten.
Beachten Sie sowohl den frühen als auch den späteren Verlauf der Kurve. Eine Mischung könnte ihre anfängliche äquivalente Festigkeit verbessern, ohne jedoch die Lasttragefähigkeit bei größerer Durchbiegung zu steigern. Die PVA-Serie veranschaulicht diesen Unterschied. Ein einzelner “Verbesserungsprozentsatz” kann verschleiern, welcher Teil des Verhaltens sich verändert hat.
Die optimale Dosierung ist daher eine technische Entscheidung und nicht die höchste Menge, die eine Mischanlage aufnehmen kann. Messen Sie bei jedem Testdurchlauf die Verarbeitbarkeit des frischen Materials, den Luftgehalt, die Verteilung, die Oberflächenqualität und das Biegeverhalten nach dem Aushärten. Sortieren Sie Faserknäuel aus, bevor Sie aus einer geringen Anzahl von Balken ein positives Ergebnis ableiten.
PAN versus PVA – Was der Vergleich beweisen kann und was nicht
Im kontrollierten Vergleich absorbierte PVA-Beton mehr Energie und wies bei gleicher Massendosis eine höhere äquivalente Biegefestigkeit auf als PAN-Beton. Die in dieser Arbeit verwendete PVA-Faser wies einen Elastizitätsmodul von etwa 12,45 GPa auf, während der der PAN-Faser bei etwa 11,48 GPa lag. Beide hatten die gleiche Nennlänge von 12 mm.
Der Elastizitätsmodul war nicht der einzige Unterschied. Auch die Filamentdurchmesser, die gemessenen Zugkräfte, die Dichten und die Wechselwirkung mit der Zementmatrix unterschieden sich. Die Forscher haben nicht alle Eigenschaften konstant gehalten und lediglich den Modul verändert. Es ist zutreffender zu sagen, dass das getestete PVA-Produkt das getestete PAN-Produkt übertraf, als zu behaupten, dass der Modul allein für den gesamten Unterschied verantwortlich war.
PVA-Fasern weisen häufig eine starke Affinität zu Zementpaste auf. Die Haftung kann dazu beitragen, die Last an einer feinen Rissstelle zu übertragen, während eine zu starke Haftung in einem bestimmten Verbundwerkstoff eher zum Bruch der Fasern als zu einem nutzbringenden Ausreißen führen kann. PAN-Fasern können ebenfalls Mikrorisse überbrücken, ihr tatsächliches Verhalten hängt jedoch von der Güteklasse und der Grenzfläche ab. Fordern Sie Daten zu Betonträgern an, wenn die Kaufentscheidung vom Verhalten nach Rissbildung abhängt.
Die Massendosis verschleiert zudem einen Dichteunterschied. In der Studie wurden für PVA 1,26 g/cm³ und für PAN 1,18 g/cm³ angegeben. Gleiche Kilogrammzahlen pro Kubikmeter ergeben nicht genau gleiche Faservolumina. Der Durchmesser beeinflusst die Anzahl der Filamente und die Gesamtzahl der potenziellen Schnittpunkte mit einem Riss. Für einen fairen Vergleich reicht eine angepasste Massenangabe nicht aus.
Ecocretefiber™ bietet PVA-Faser für zementäre Werkstoffe und PAN-Fasern für Beton und Asphalt. Auf unseren aktuellen Produktseiten sind verschiedene Längen und unterschiedliche Güteklassen aufgeführt. Ersetzen Sie die in der Studie verwendeten Fasern nicht durch die dort angegebenen Einzelfaserwerte. Fordern Sie das aktuelle Datenblatt an und testen Sie eine ausgewählte Güteklasse in Ihrer eigenen Mischung.
Fragen zu Durchbiegung und CMOD beantworten
Die Durchbiegung in der Mitte des Trägers ist die Bewegung des Trägers in seiner Mitte während der Biegung. CMOD misst die Öffnung an der Mündung der gesägten Kerbe. Die beiden Messwerte entwickeln sich oft parallel, nachdem sich ein dominanter Riss gebildet hat, entsprechen jedoch nicht derselben Verschiebung.
In den PAN-Tests war die Beziehung über das ausgewählte Intervall nach dem Spitzenwert nahezu linear. Die Studie schlug für die betreffenden Träger einen empirischen Ausdruck vor, der die Durchbiegung, den CMOD und die PAN-Dosierung miteinander verknüpft. Diese Gleichung wurde nach Ausschluss eines anfänglichen nichtlinearen Bereichs und Vereinfachung der einzelnen Regressionsschnittpunkte angepasst. Sie sollte nicht ohne erneute Validierung in eine Auslegungs-Tabelle für andere Trägergrößen, Fasertypen oder Belastungsmethoden übernommen werden.
Die Messung des CMOD kann praktisch sein, wenn die Messklemme fest an einer kontrollierten Kerbe angebracht ist. Die Durchbiegung in der Mitte der Spannweite erfordert eine sorgfältige Sensoraufstellung und Referenzmessung. Keine der beiden Methoden entschuldigt einen instabilen Belastungsrahmen, eine mangelhafte Kerbengeometrie oder eine uneinheitliche Aushärtung des Prüfkörpers.
Ein Käufer sollte erfragen, welches Signal die angegebene Leistung ermittelt hat: Last-Durchbiegung oder Last-CMOD. Wenn zwei Labore unterschiedliche Messgrößen angeben, sind ihre numerischen Zähigkeitswerte möglicherweise nicht direkt vergleichbar. In jedem Bericht sollten die Abmessungen der Probe, die Spannweite, Angaben zur Kerbe, der Steuerungsmodus, der Messort sowie die genauen Berechnungsregeln angegeben werden.
Wählen Sie den richtigen Test für den Vertrag aus
In der Studie wurden gekerbte, mittig belastete Dreipunktträger sowie die darin angegebenen chinesischen Prüf- und Bewertungsmethoden verwendet. ASTM C1609/C1609M-24 Stattdessen werden Träger unter Dreipunktbelastung anhand einer Last-Durchbiegungs-Kurve bewertet. Das ASTM-Verfahren liefert Angaben zum Erstspitzen- und Spitzenverhalten, zu Restlasten und Festigkeiten bei festgelegten Durchbiegungen sowie zur Zähigkeit bis zu einer vorgegebenen Durchbiegung.
Es handelt sich um unterschiedliche Proben und Belastungssysteme. Ein aus dem Dreipunkt-Kerbschlagversuch ermittelter Wert sollte nicht als Ergebnis gemäß ASTM C1609 ausgewiesen werden. Selbst wenn beide Verfahren die Zähigkeit untersuchen, beeinflussen die Geometrie des Trägers, die Lage des Risses und die Endpunkte den ermittelten Wert.
Nehmen Sie für ein Projekt die angegebene Methode und Ausführung in den Beschaffungs- und Testplan auf. Fordern Sie die vollständige Kurve und die Ergebnisse für jeden einzelnen Balken an, nicht nur einen Durchschnittswert. Wenn ein Auftragnehmer ein Restleistungsziel erfüllen muss, muss der Prüfbericht genau diesen Endpunkt gemäß der vorgeschriebenen Methode ausweisen.
Auch das Prüfverfahren muss mit der Konstruktionsentscheidung im Einklang stehen. Die Beherrschung von Kunststoffschrumpfrissen, das Schlagverhalten, die Biegefestigkeit nach Rissbildung und die chemische Beständigkeit sind jeweils eigene Themen. Eine Biegeprüfung ist zwar aussagekräftig, kann jedoch für sich allein nicht alle diese Anforderungen nachweisen.
Ein Testplan für Betonhersteller
Beginnen Sie mit dem Beton, der tatsächlich geliefert wird. Legen Sie eine einfache Referenzmischung fest und halten Sie zementäre Materialien, die Korngrößenverteilung des Zuschlagstoffs, Wasser, Zusatzmittel, Luft sowie die angestrebte Verarbeitbarkeit fest. Legen Sie das strukturelle oder funktionale Ziel fest: frühzeitige Rissbildung, spätere Restbelastung, Oberflächenbeschaffenheit, Schlagfestigkeit oder eine Kombination daraus.
Wählen Sie PAN- oder PVA-Faserqualitäten mit dokumentierten Angaben zu Länge, Durchmesser, Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit, Oberflächenbehandlung und Chargennummer aus. Legen Sie eine praxisorientierte Dosierungsskala rund um den vorgeschlagenen Ausgangspunkt fest. Der oben genannte Laborbereich kann als Ausgangspunkt für die Diskussion dienen, darf jedoch die Lösung für eine andere Mischung nicht vorgeben.
Fügen Sie die Fasern gemäß den Anweisungen des ausgewählten Produkts und der validierten Abfolge des Werks hinzu. Verstärken Sie den Mischvorgang so weit, dass eine gleichmäßige Verteilung erreicht wird, ohne die beabsichtigte Form der Fasern zu beschädigen. Achten Sie darauf, dass die Wasserzugaben genau abgemessen und kontrolliert werden. Testen Sie im Rahmen der Qualifizierung den geplanten Pump-, Spritz-, Gieß- oder Endbearbeitungsvorgang.
Stellen Sie genügend Probekörper her, um einen aussagekräftigen Vergleich nach der vertraglich vereinbarten Methode durchführen zu können. Lassen Sie diese einheitlich aushärten und prüfen Sie sie. Zeichnen Sie das vollständige Last-Dehnungs-Verhalten, den ersten Spitzenwert, die festgelegten Restwerte und den Endpunkt der Zähigkeit auf. Notieren Sie sichtbare Klumpen, Oberflächenfehler und Unterschiede in der Luftporosität. Ein Träger mit ungewöhnlicher Faserkonzentration an einer Rissfläche sollte nicht als repräsentativ für die Serienproduktion angesehen werden.
Vergleichen Sie abschließend die erzielte Leistung mit den gesamten Installationskosten. Der Preis pro Kilogramm Glasfaser ist nur ein Aspekt bei der Entscheidung. Eine stabile, gut verteilte Mischung kann die Anzahl der Ausschussstücke reduzieren und dazu beitragen, dass die Anlage ihre Abnahmeanforderungen erfüllt. Bitten Sie den Lieferanten, einen Probelauf zu unterstützen, bevor die Bestellung in größerem Umfang aufgegeben wird.
Wo es auf die Biegefestigkeit ankommt
Straßenbelagsüberzüge und Industrieböden erfordern ein kontrolliertes Rissverhalten unter Betriebslasten und wiederholter Beanspruchung durch Verkehr. Fertigteilelemente erfordern ein vorhersehbares Verarbeitungs- und Biegeverhalten. Reparaturmörtel und dünne zementäre Elemente können von Fasern profitieren, die feine Risse überbrücken, vorausgesetzt, die Rezeptur und die Oberflächenbeschaffenheit bleiben praktikabel.
PAN und PVA sollten im Hinblick auf das Projektziel mit anderen Bewehrungsoptionen verglichen werden, nicht allein anhand der Polymerbezeichnung. Eine PP-Mikrofaser kann in erster Linie zur Eindämmung des frühen plastischen Schwunds ausgewählt werden. A Makrosynthetik- oder Stahlfaser kann in Betracht gezogen werden, wenn die erforderliche Resttragfähigkeit und die einschlägigen Auslegungsvorschriften dies zulassen. Unser Produktpalette im Bereich Faserbeton bietet diese Optionen für unterschiedliche Anwendungsanforderungen.
Faserverstärkter Beton erfordert nach wie vor eine gute Aushärtung, Fugenplanung, Einbau und technische Planung. Fasern können weder einen mangelhaften Unterbau ausbessern, noch jeden Riss verhindern, noch vorgeschriebene Stahlstäbe automatisch ersetzen. Die stichhaltigste Werbeaussage ist eine, die durch einen vereinbarten Test überprüft werden kann.
Häufig gestellte Fragen
Bedeutet eine höhere Spitzenbiegefestigkeit auch eine höhere Zähigkeit?
Nein. Die Zähigkeit umfasst die während der Verformung aufgenommene Last. Zwei Träger können zwar einen ähnlichen Spitzenwert erreichen, nach dem Auftreten von Rissen jedoch sehr unterschiedliche Lasten tragen. Fordern Sie die vollständige Last-Durchbiegungs-Kurve und den vereinbarten Endpunkt für die Zähigkeit an.
Ist PVA beim Biegen immer besser als PAN?
Nr. Eine kontrollierte Mischung zeigte bei der getesteten PVA-Faser bei entsprechenden Massendosierungen bessere Ergebnisse. Andere Fasersorten und Betonrezepturen können sich unterschiedlich verhalten. Führen Sie eine Qualifizierung des Produkts durch und legen Sie die angestrebte Leistung in der Projektmischung fest.
Können wir 1,5 kg pro Kubikmeter als universelle Dosierung verwenden?
Nein. Diese Zahl dient lediglich als nützliche Anhaltsgröße für ein bestimmtes Versuchssystem und stellt keine allgemeingültige Vorgabe dar. Die Faserstruktur, die Fasergradierung, die Pastenbeschaffenheit, die Verarbeitbarkeit, die Mischung sowie der erforderliche Restendpunkt können die geeignete Dosierung beeinflussen.
Was sagt uns CMOD?
CMOD ist die an einer Kerbe gemessene Öffnung. Sie dient dazu, die Rissausbreitung während eines Kerbträgerversuchs zu verfolgen. Sie entspricht nicht der Durchbiegung des Trägers, und eine empirische Umrechnung aus einem Versuch sollte nicht ohne Validierung auf eine andere Geometrie übertragen werden.
Warum schneidet eine ballaststoffreiche Mischung manchmal schlechter ab?
Verklumpungen und eingeschlossene Luft können die Gleichmäßigkeit beeinträchtigen. Eine hohe Dosierung kann zudem die Einbringung erschweren oder zu einer ungünstigen Faserausrichtung führen. Überprüfen Sie den Frischbeton und die Streuung der einzelnen Balkenergebnisse, bevor Sie die Dosierung erneut erhöhen.
Schlussfolgerung
Die Biegezähigkeit ist eine Eigenschaft, die sich aus dem Zusammenspiel von Faser, Beton und Prüfsystem ergibt. Der Vergleich zwischen PAN und PVA zeigt aussagekräftige Zuwächse nach Rissbildung, eine je nach Faser unterschiedliche Dosierungsabhängigkeit sowie die Notwendigkeit, neben den frühen Ergebnissen auch das spätere Restverhalten zu berücksichtigen. Ein reproduzierbarer Versuch liefert überzeugendere Kaufargumente als eine einzelne Faserspezifikation.
Die Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. liefert Ecocretefiber™-PAN- und PVA-Fasern für Betonanwendungen. Teilen Sie uns bitte Ihre Mischungszusammensetzung, die Einbauweise, die Prüfnorm und die geforderte Restleistung mit. Kontaktieren Sie unser Team um Musterqualitäten auszuwählen und einen praktischen Balkentest zu planen, bevor man eine Großbestellung aufgibt.
