Die Kombination von Makrofasern mit Stahlfasern kann die Art und Weise verändern, wie Beton nach dem Auftreten von Rissen Lasten aufnimmt. Dies kann zu einem allmählicheren Lastverlust oder einer höheren Energieaufnahme über einen bestimmten Verformungsbereich führen. Die optimale Mischung hängt davon ab, welche Eigenschaften für die jeweilige Konstruktion erforderlich sind, sowie von der Verarbeitbarkeit, der Druckfestigkeit und den Kosten.
Bei Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. liefern wir Ecocretefiber™-Bewehrungsfasern und unterstützen Käufer dabei, in Frage kommende Systeme für Versuche zu vergleichen. Dieser Leitfaden untersucht eine Versuchsreihe mit sieben Mischungen und wandelt die Ergebnisse in praktische Fragen für die Auswahl von Hybridbeton um. Die Ergebnisse zeigen einen vielversprechenden Weg für den teilweisen Ersatz von Stahlfasern auf, wobei messbare Kompromisse bestehen, die bei jedem Projekt geprüft werden sollten.
Warum sollte man Makrofasern mit Stahlfasern kombinieren?
Stahlfasern und Polypropylen-Makrofasern unterscheiden sich hinsichtlich Steifigkeit, Dichte, Geometrie und Verformung. Eine gut verankerte Stahlfaser kann bereits bei relativ geringer Verformung dem Aufreißen eines Risses entgegenwirken. Eine längere Polymerfaser kann, je nach ihrer Haftung, Dehnbarkeit und ihrem Ausreißverhalten, auch bei weiterer Rissöffnung im Riss verbleiben. Die Kombination der Materialien kann zu einem vorteilhaften Verhalten über einen größeren Verformungsbereich führen.
Das ist eine Konstruktionshypothese, die es zu überprüfen gilt. Zwei Fasern in einer Charge führen nicht automatisch zu Synergieeffekten. Ihr Mischungsverhältnis kann den Durchfluss verringern, den Luftanteil erhöhen oder die Verteilung ungleichmäßiger machen. Die vollständige Belastungs-Durchbiegungs-Kurve und die festgelegten Abnahmeeigenschaften zeigen, ob die Hybridkonstruktion sinnvoll ist.
In der Studie von Cao Jifeng und Ding Yining aus dem Jahr 2006, verglichen die Forscher Normalbeton, Stahlfaserbeton, Macro-Fiber-Beton und zwei Hybridmischungen. Im Rahmen der Untersuchung wurden das Verhalten im Frischzustand, die Würfelfestigkeit, die Energieaufnahme und die äquivalente Biegefestigkeit untersucht. Es handelt sich hierbei um Laborergebnisse für die untersuchten Materialien und nicht um zertifizierte Ergebnisse für aktuelle Ecocretefiber™-Sorten.
Die Werkstoffe und Prüfbedingungen verstehen
Zwei Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften
In der Studie wurde eine eingekerbt Stahlfaser mit einer Länge von 32 mm und einem Durchmesser von 0,70 mm verwendet. Die angegebene Dichte betrug 7,85 g/cm³, die Zugfestigkeit lag über 600 MPa und der Elastizitätsmodul bei 200 GPa.
Die Polypropylen-Makrofaser war 50 mm lang und hatte einen äquivalenten Durchmesser von 0,984 mm. Die angegebene Dichte betrug 0,91 g/cm³, die Zugfestigkeit 490 MPa und der Elastizitätsmodul 8 GPa. Die Autoren gaben außerdem eine Bruchdehnung von 10,71 TP3T an. Diese Werte beziehen sich auf die in der Studie untersuchten Materialien; sie sollten nicht in eine Bestellung für ein anderes Produkt übernommen werden.
Der Unterschied in der Steifigkeit war beträchtlich: Der angegebene Modul der Stahlfasern betrug das 25-Fache des Moduls der Makrofasern. Die Steifigkeit allein ist jedoch nicht ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit eines Verbundwerkstoffs. Auch die unterschiedlichen Längen, Oberflächen, Mengen und Anzahlen der Fasern beeinflussen die Rissunterbrechung und die Lastübertragung.
Ein Grundbeton und sieben Mischungen
Die Grundmischung war auf chinesischen C50-Beton ausgelegt. Pro Kubikmeter enthielt sie 420 kg Zement, 180 kg Flugasche, 669 kg Sand, 818 kg Grobzuschlag, 210 kg Wasser und 4,2 kg Wasserreduzierer. Das angegebene Wasser-Bindemittel-Verhältnis betrug 0,35, und die Korngröße des Grobzuschlags lag bei 5–10 mm. Es handelt sich hierbei um eine Versuchsrezeptur und nicht um eine allgemeine Produktionsrezeptur.
Es wurden Stahlfasern in einer Menge von 30 oder 50 kg/m³ verwendet. Makrofasern wurden in einer Menge von 4 oder 6 kg/m³ eingesetzt. Die Hybridkombinationen bestanden aus 30 kg/m³ Stahl plus 4 kg/m³ Makrofasern sowie aus 50 kg/m³ Stahl plus 6 kg/m³ Makrofasern. Die folgenden Bezeichnungen sorgen dafür, dass diese Mengen beim Vergleich der Ergebnisse ersichtlich bleiben.
Für die Biegeversuche verwendeten die Forscher gekerbte Träger mit den Abmessungen 150 × 150 × 550 mm, einer Spannweite von 500 mm und einer Kerbe von 25 mm. Sie erfassten die Durchbiegung und die Öffnung der Rissmündung während der kontrollierten Belastung und bewerteten die Zähigkeit anhand eines auf RILEM basierenden Verfahrens. Die Details zu den Prüfkörpern und der Methode sind von Bedeutung, da ein Ergebnis aus diesem Versuchsaufbau nicht direkt auf ein anderes Balkenverfahren oder ein anderes Bauteil übertragen werden kann.
Was ist mit der Verarbeitbarkeit und dem Luftgehalt passiert?
Durch die Zugabe von Fasern verringerte sich die angegebene Ausbreitung und der gemessene Luftgehalt stieg an. Die Ausbreitung des Basisbetons betrug 670 mm. Bei dem Hybridbeton mit der höchsten Dosierung wurden 350 mm gemessen. Der Luftgehalt stieg von 2,00% im Normalbeton auf 3,15% in diesem Hybridbeton.
| Mischung | Stahl-/Makrofaser-Dosierung, kg/m³ | Angegebene Strömungsausbreitung, mm | Luftgehalt, % |
| NC | 0 / 0 | 670 | 2.00 |
| SF30 | 30 / 0 | 475 | 2.36 |
| SF50 | 50 / 0 | 355 | 2.60 |
| PP4 | 0 / 4 | 575 | 2.50 |
| PP6 | 0 / 6 | 445 | 2.65 |
| SF30PP4 | 30 / 4 | 405 | 2.95 |
| SF50PP6 | 50 / 6 | 350 | 3.15 |
Die Forscher bezeichneten die Mischungen als stabil und stellten unter ihren Testbedingungen keine Entmischung oder Ausblutung fest. Die Ausbreitungswerte sollten gemäß dem ursprünglichen Verfahren beibehalten werden. Es handelt sich dabei nicht um gewöhnliche Setzhöhen, und sie begründen für sich genommen keine moderne Klassifizierung für selbstverdichtenden Beton.
In der Produktion besteht die praktische Aufgabe darin, eine ausreichende Fließfähigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die genehmigte Wasserbilanz einzuhalten. Wählen Sie durch Versuche geeignete Zusatzmittel, eine geeignete Pastenmenge und eine geeignete Korngrößenverteilung der Zuschlagstoffe aus. Überprüfen Sie die Pumpbarkeit, die Formfüllung, die Glättbarkeit und den Luftgehalt an der vertraglich festgelegten Probenahmestelle. Die höheren Luftgehaltswerte bedeuten auch, dass Fasern nicht pauschal als Mittel beschrieben werden sollten, das jede Mischung automatisch dichter macht.
Die Druckfestigkeit folgte nicht dem gleichen Trend wie die Zähigkeit
Mischungen, die ausschließlich aus Stahl bestanden, wiesen in dieser Versuchsreihe höhere 28-Tage-Druckfestigkeiten der Würfel auf als die reine Kontrollprobe. Mischungen, die ausschließlich aus Makrofasern bestanden, lagen leicht unter dem Wert der Kontrollprobe. Auch die Hybridmischungen zeigten andere Druckfestigkeitsergebnisse als ihre rein aus Stahl bestehenden Gegenstücke.
| Mischung | 1-Tages-Festigkeit des Würfels, MPa | 28-Tage-Festigkeit des Würfels, MPa |
| NC | 18.19 | 64.26 |
| SF30 | 17.03 | 71.76 |
| SF50 | 15.98 | 73.29 |
| PP4 | 16.00 | 60.75 |
| PP6 | 16.78 | 60.66 |
| SF30PP4 | 14.80 | 58.98 |
| SF50PP6 | 13.92 | 64.83 |
Hierbei handelt es sich um gemeldete Gruppendurchschnitte. Die Mittelwerte allein begründen keine statistische Gleichwertigkeit oder eine bestimmte Festigkeitseigenschaft des Produkts. Insbesondere wurde bei SF30PP4 ein Wert von 58,98 MPa gemessen, verglichen mit 73,29 MPa bei SF50, was etwa 19,51 TP3T weniger entspricht. Das günstige Biegeergebnis im späteren Versuchsstadium sollte daher zusammen mit der Druckfestigkeitsanforderung berücksichtigt werden.
Die praktische Schlussfolgerung lautet, die Druckfestigkeit separat zu bewerten. Ein zur Energieabsorption ausgewählter Hybridwerkstoff muss dennoch die für das Projekt vorgeschriebene Festigkeitsklasse, die Probenahmevorschriften, die Aushärtungsbedingungen und die Abnahmekriterien erfüllen. Aus den Daten zur Zugfestigkeit der Fasern dürfen keine garantierten Zuwächse bei der Druckfestigkeit abgeleitet werden.
Biegefestigkeit im erforderlichen Verformungsbereich ablesen
In der Studie wurde die äquivalente Biegefestigkeit anhand der Energieaufnahme in definierten Abschnitten des Biegeverhaltens berechnet. Die beiden angegebenen Indizes für die äquivalente Festigkeit basierten auf den Endpunktdurchbiegungen bei der Referenzdurchbiegung plus 0,65 mm und plus 2,65 mm. Die Referenz bezog sich auf das Kriterium der anfänglichen Biegebelastung.
Der Übersichtlichkeit halber werden diese in der Tabelle als „früherer“ und „späterer Index“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um energiebasierte Werte über die definierten Intervalle. Sie entsprechen nicht einfach der Spannung an einem Punkt der Kurve und sind nicht mit Restfestigkeiten aus einer anderen Norm austauschbar.
| Mischung | Frühere äquivalente Festigkeit, MPa | Spätere äquivalente Festigkeit, MPa |
| SF30 | 2.959 | 1.119 |
| SF50 | 5.125 | 2.058 |
| PP4 | 1.289 | 1.624 |
| PP6 | 1.340 | 1.639 |
| SF30PP4 | 4.599 | 2.432 |
| SF50PP6 | 6.291 | 3.580 |
Zugabe von Makrofasern zu einer festgelegten Stahlmenge
Im Vergleich zu SF30 stieg bei SF30PP4 die frühe Äquivalentfestigkeit von 2,959 auf 4,599 MPa, was etwa 55% entspricht. Der Wert für den späteren Bereich stieg von 1,119 auf 2,432 MPa, was etwa 117% entspricht. Dies deutet auf einen stärkeren Vorteil im späteren Verformungsbereich für diese Kombination hin.
Bei der höheren Stahlzugabe übertraf SF50PP6 SF50 um etwa 23% im früheren Index und um etwa 74% im späteren Index, berechnet anhand der in der Tabelle angegebenen Mittelwerte. Hierbei handelt es sich um Zugaben von Makrofasern zu den bereits vorhandenen Stahlmengen. Sie belegen für sich genommen weder einen Stahlersatz noch lassen sie einen reinen Wechselwirkungseffekt erkennen: Der Gesamtfasergehalt stieg ebenfalls an.
Stahl reduzieren und gleichzeitig Makrofasern hinzufügen
Ein aussagekräftiger Vergleich ist der zwischen SF30PP4 und SF50. Der Stahlgehalt sank von 50 auf 30 kg/m³, was einer Verringerung der Stahlmasse um 40% entspricht, während 4 kg/m³ Makrofaser hinzugefügt wurden. Die frühere äquivalente Festigkeit lag um etwa 10% niedriger, die spätere äquivalente Festigkeit um etwa 18% höher.
Hierbei handelt es sich um einen bedingten Kompromiss. Er ermöglicht die Prüfung eines teilweisen Ersatzes, wenn der spätere Verformungsbereich relevant ist. Er bedeutet jedoch nicht, dass bei jeder Rissöffnung die gleiche Leistungsfähigkeit, die gleiche Druckfestigkeit oder die Erlaubnis zur Reduzierung des Stahlanteils um 40% bei einem anderen Projekt gegeben ist. Die zulässige Auslegungsreaktion muss bestimmen, welche Mischung den Anforderungen entspricht.
Warum eine pauschale Ersetzung irreführend sein kann
Stahl und Polypropylen weisen sehr unterschiedliche Dichten auf. Unter Zugrundelegung der Werte aus der Studie entsprechen 50 kg/m³ Stahl etwa 0,64% Betonvolumen. Die Kombination aus 30 kg/m³ Stahl und 4 kg/m³ Makrofaser entspricht etwa 0,38% Stahl plus 0,44% Makrofaser, also einem Gesamtfaservolumen von 0,82%.
Der Hybridwolle wurde daher weniger Stahlmasse, dafür aber mehr Gesamtfaservolumen als bei SF50 verwendet. Ihr Verhalten spiegelt Veränderungen hinsichtlich Material, Geometrie, Fadenzahl und Gesamtanteil wider. Eine Substitution im Verhältnis „Kilogramm zu Kilogramm“ würde diese Unterschiede verschleiern.
Führen Sie für einen Kaufvergleich sowohl die Massendosis als auch den berechneten Volumenanteil unter Verwendung der tatsächlichen Dichten der jeweiligen Stahlsorten auf. Berücksichtigen Sie dabei die Kosten pro Kubikmeter sowie etwaige Änderungen bei der Mischung, den Zusatzstoffen, den Prüfungen und der Endbearbeitung. Eine Reduzierung der Stahlmasse um 40% ist nicht gleichbedeutend mit einer Senkung der Gesamtkosten für Beton um 40%.
Die Forschungsergebnisse in einen Projektqualifizierungsplan umsetzen
Legen Sie zunächst die gewünschte Antwort fest
Geben Sie die für das Bauteil erforderliche Druckfestigkeit, Witterungseinwirkung, Verarbeitbarkeit und das Verhalten nach Rissbildung an. Wenn die Gebrauchstauglichkeit durch eine begrenzte Rissöffnung bestimmt wird, kann das frühere Verhalten entscheidend sein. Wenn die Anwendung eine Energieaufnahme bei größeren Verformungen erfordert, kann ein späterer Zeitpunkt von Bedeutung sein. Der Tragwerksplaner wählt das relevante Kriterium aus.
ASTM C1609/C1609M-24 unterscheidet zwischen der Biegefestigkeit am ersten Peak und der Restfestigkeit bei festgelegten Durchbiegungen. Bei einem Projekt, bei dem diese Methode angewendet wird, sollten die vorgeschlagenen Mischungen nach dieser Methode qualifiziert werden. Die historischen Werte für die äquivalente Festigkeit dürfen nicht ohne eine begründete Korrelation direkt in C1609-Abnahmewerte umgerechnet werden.
Vergleich einer Matrix für praktische Versuche
Fügen Sie eine Kontrollprobe, die derzeitige Mischung ausschließlich aus Stahl sowie die in Frage kommenden Mischungen hinzu. Wenn das Ziel darin besteht, Synergieeffekte zu untersuchen, sollten Sie Vergleiche in Betracht ziehen, bei denen sowohl das Gesamtfaservolumen als auch die Produktionsalternativen kontrolliert werden. Halten Sie die Materialien und die Aushärtung konsistent und geben Sie neben den Mittelwerten auch die Variabilität der Proben an. Dies hilft dabei, eine nützliche Mischung von normalen Streuungen oder einer Erhöhung der Gesamtbewehrung zu unterscheiden.
Überprüfen Sie die Dispersion im Produktionsmaßstab. Fügen Sie beide Fasertypen mit kontrollierter Dosierung gemäß der in den Versuchen genehmigten Reihenfolge in die sich bewegende Mischung ein. Ein erfolgreicher Versuch im Labormischer ist noch kein Garant für den Erfolg in einem Fahrmischer, einer Pumpenleitung oder einer Spritzbetonanlage. Erfassen Sie die Luftporen, die Fließbeständigkeit, die Chargenausbeute, die Fasermengen und das Einbauverhalten.
Überprüfung der Auslegungsbedingungen über den Balkenversuch hinaus
Dauerbelastung und Kriechen, Ermüdung, Stoßbelastung, Brand, Korrosionsbelastung, Verbindungen und die Auslegung von Bauteilen erfordern unter Umständen gesonderte Nachweise. Ein Bauteil aus Polypropylen bewirkt nicht, dass der in einem Hybridbau verbleibende Stahl korrosionsfrei ist. Ebenso lassen sich anhand eines statischen Trägertests nicht alle Stoß- oder Erdbebeneigenschaften nachweisen.
ACI SPEC-544.12-23 enthält eine leistungsbezogene Spezifikation für faserverstärkte Bodenplatten und Überzüge. Der darin festgelegte Anwendungsbereich und die geforderte Restleistung müssen eingehalten werden. Der Ersatz einzelner Stahlfasern in einer Mischung ist zudem eine andere Entscheidung als der Verzicht auf Stäbe oder Schweißdrahtbewehrung in einem Bauwerk.
Wählen Sie die aktuellen Ecocretefiber™-Typen für den Versuch aus
Unser Ecocretefiber™ Makrofaser und Stahlfaser-Sortiment Bieten Sie Optionen für eine aktuelle Projektbewertung an. Bestätigen Sie die genaue Güteklasse, die Abmessungen, die Form, die Zugfestigkeitseigenschaften, die Dichte sowie die entsprechenden Prüfberichte. Ein Stahlprodukt mit hakenförmigem Ende ist nicht dasselbe wie die eingedrückte Stahlfaser aus dem historischen Experiment.
Shandong Jianbang kann mögliche Längen, Verpackungsarten und Lieferdetails für eine Testproduktion besprechen. Bitte teilen Sie uns die derzeitige Stahlmenge, die Grundmischung, die Einbauweise, die Auslegungskriterien und das Kostenziel mit. Der Test soll zeigen, ob ein vorgeschlagener Hybrid alle Spezifikationen erfüllt, bevor ein Ersatzprodukt kalkuliert oder genehmigt wird.
Häufig gestellte Fragen
Erhöht Makrofaser immer die Druckfestigkeit?
Nein. In der Serie mit sieben Mischungen zeigten die Ergebnisse bei der Druckfestigkeit und der Zähigkeit unterschiedliche Tendenzen. Legen Sie die erforderliche Festigkeitsklasse für jede vorgeschlagene Mischung separat fest.
Kann Makrofaser mit einer Dichte von 4 kg/m³ Stahlfaser mit einer Dichte von 20 kg/m³ ersetzen?
Diese Kombination führte in einem identifizierten Laborsystem zu einem vielversprechenden Biegeergebnis im fortgeschrittenen Stadium. Der zuvor ermittelte Index der äquivalenten Festigkeit und die Druckfestigkeit lagen unter denen der Mischung, die ausschließlich aus Stahl mit einer Dichte von 50 kg/m³ bestand. Für ein neues Projekt sind eigene Mischungsversuche und eine Konstruktionszulassung erforderlich.
Ist die äquivalente Biegefestigkeit dasselbe wie die Restfestigkeit?
Beide beschreiben zwar Aspekte des Verhaltens nach dem Rissbildung, doch die Berechnungs- und Prüfmethode spielt eine Rolle. Die hier genannten historischen Kennzahlen basieren auf dem Energieverbrauch. Ein Restwert bei einer bestimmten C1609-Durchbiegung ist eine andere angegebene Größe.
Warum kann ein Hybrid das Verhalten in späteren Phasen verbessern?
Fasern mit unterschiedlicher Steifigkeit, Länge, Bindung und Dehnung können sich beim Auftreten eines Risses unterschiedlich verhalten. Die Kurven und die Ergebnisse zur äquivalenten Festigkeit aus der Studie sprechen dafür, diesen Mechanismus zu untersuchen. Sie garantieren dies jedoch nicht für jede Faserkombination.
Ist ein Hybrid mit geringerem Stahlanteil automatisch günstiger?
Nein. Vergleichen Sie die Gesamtkosten pro Kubikmeter, einschließlich beider Fasern, Mischungsanpassungen, Produktion, Prüfungen und etwaiger Änderungen an der Konstruktion. Bestätigen Sie die Leistungsfähigkeit, bevor Sie Einsparungen geltend machen.
Besprechen Sie mit Jianbang einen Testlauf mit Makrofasern und Stahlfasern
Ein Hybridsystem ist dann sinnvoll, wenn sein gemessenes Verhalten den tatsächlichen Anforderungen des Bauteils entspricht. Die Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. bietet Ecocretefiber™-Bewehrungslösungen an und unterstützt Kunden bei der Erstellung von Produktinformationen für kontrollierte Versuche. Kontaktieren Sie unser Team unter Berücksichtigung Ihrer Stahlfaser-Ausgangsbasis, des angestrebten Verformungsbereichs und der Akzeptanzkriterien, um eine mögliche Makrofaser-Mischung zu erörtern.
