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Begriffsdefinition

Beton kann hervorragend Druckkräfte aufnehmen, weist jedoch eine geringe Zugfestigkeit auf. Deswegen wird Beton häufig mit Stäben oder Fasern aus Materialien hoher Zugfestigkeit bewehrt¹.

Stahlbeton ist mit Stahl bewehrter Beton. Üblicherweise wird gerippter oder profilierter Stahl als Bewehrungsstahl benutzt. Der Stahl wird entweder in Form von Betonstabstahl, Betonstahl in Ringen oder verschweißten Matten eingesetzt. Betonstahl kann feuerverzinkt oder mit Epoxid beschichtet werden. Wird der Stahl mechanisch vorgespannt und unter dieser Spannung eingebaut, spricht man von Spannbeton.

Beim Textilbeton übernehmen textile Strukturen aus langen Carbon- oder Glasfasern (Matten) die Bewehrung. Textilbeton mit Carbonfasern (Kohlenstofffasern) wird auch als Carbonbeton bezeichnet. Statt dem textilen Betongelege kann Carbonbeton auch mit Carbonstäben bewehrt sein.

Die Strukturgebung der Fasern unterscheidet die Textilbetone von den schon seit Jahrzehnten eingesetzten Faserbetonen. Die Bezeichnung der „Faserbetone“ richtet sich nach der zugemischten Faserart: Glasfaserbeton, Stahlfaserbeton, Kohlenstofffaserbeton, Kunststofffaserbeton. Wie bei Textilbeton übernehmen die Fasern in den Faserbetonen die Funktionen der Bewehrung.

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden alle Betone, die Fasern enthalten als Faserbeton bezeichnet. Terminologisch richtig sind vom Faserbeton die fasermodifizierten Betone zu unterscheiden. Dabei handelt es sich nicht um bewehrte Betone. Hier werden Fasern als → Betonzusatzstoff zugemischt, vorwiegend um die Rissbildung zu verringern. Die Grenze zwischen Faserbeton und fasermodifiziertem Beton liegt zum Beispiel bei Glasfaserbeton bei einem Faseranteil ab etwa 5 Vol.-%.

Zugunsten der besseren Lesbarkeit bezeichnet „Textilbeton“ im Folgenden Textilbeton, Carbonbeton und Faserbeton, wenn allgemeine Aussagen getroffen werden.

Wesentliche Bestandteile

→ Beton
→ Betonzusatzstoffe
→ Betonzusatzmittel

Bewehrung:

• Bewehrungsstahl
• Carbonstäbe
• Textile Strukturen

          - Glasfasern
          - Carbonfasern (Kohlenstofffasern)

• Fasern in Form von ungerichteten oder textilen Strukturen

          - Glasfasern
          - Carbonfasern (Kohlenstofffasern)
          -  Kunststofffasern (Polymerfasern)
          - Stahlfasern

Herstellung

Stahlbewehrung: Die Bewehrung wird entweder nach einem Bewehrungsplan vor Ort gefertigt oder nach den Bewehrungsplänen werkmäßig vorgefertigt.

Textilbewehrung: Aus vielen Endlosfasern (Filamenten) mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern werden Garne zusammengesetzt und auf Textilmaschinen zu gitterartigen Strukturen verarbeitet werden. Variieren können sowohl der Faserwerkstoff als auch die Herstellungsart und die Geometrie der Textilien. Somit können Textilien maßgeschneidert für verschiedenste Anwendungen bereitgestellt werden. Die Bewehrung wird mit unterschiedlichen Verfahren in den Betonmörtel eingebettet – überwiegend manuell im Gießverfahren, Spritzverfahren oder Laminierverfahren.

Gemäß Institut für Textiltechnik (ITA) wurden ungetränkte Textilien vor allem in den Anfängen des Textilbetons bis 2010 verwendet und sind heute nicht mehr relevant². Für Strukturbauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen oder für einfache 2D-Geometrien werden steife, mit Epoxidharzen getränkte Bewehrungen aus Glas- und Carbonfasern eingesetzt. Formflexible Textilbewehrungen mit einer Styrol-Butadien-Tränkung können für einfach 3D-gekrümmte Bauteilen im Bereich der Instandsetzung oder Flächentragwerke verwendet werden. „Die Fertigungsrouten für Strukturbauteile mit komplexen 3D-Geometrien unterscheiden sich meist deutlich von denen für einfache 3D-Bauteile und 2D-Bauteile.“ Nähre Angaben zu diesen Strukturbauteilen werden nicht gemacht.

Faserbeigabe zu Faserbeton: Die Fasern lassen sich durch Einmischen, Einrieseln, Einlegen oder Eintauchen in eine zementgebundene Matrix einbauen.

Charakteristik

Gegenüber der klassischen Stahlbewehrung hat die Faser- bzw. Textilbewehrung den großen Vorteil nicht zu korrodieren: Bei Stahlbeton muss die Bewehrung mit einer mindestens 3 - 4 cm dicken Betonschicht überdeckt sein, damit sie vor Korrosion geschützt ist. Diese Überdeckung entfällt bei Textilbeton. Zudem übersteigt die Festigkeit der Fasern die des Stahls bei Weitem. Dadurch sind mit Textilbeton sehr dünnwandige tragfähige und filigrane Formgebungen möglich.

Dank der jahrzehntelangen Erfahrung ist die Herstellung von Stahlbeton-Bauteilen heute noch preiswerter als jene von Textilbeton-Bauteilen. Sind bei einem Projekt die Dünnwandigkeit und Leichtigkeit des Materials von Vorteil, kann aber auch der Textilbeton wirtschaftlicher sein. 

Die Anwendung von Bauteilen aus Textilbeton für tragende Bauteile ist nur mit Zustimmung im Einzelfall oder Allgemeiner bauaufsichtliche Zulassungen möglich. Die häufigsten Anwendungen für Textilbeton liegen derzeit im Brückenbau, im Bau von Schalen für Dächer, bei der Herstellung von Fassadenelementen und bei der Instandsetzung.

Ökobilanz

Stahlbeton steht häufig wegen seiner hohen Ökobilanzwerte in der Kritik. Auf die Ökobilanz von Textilbeton wirkt sich jedenfalls der geringere Materialeinsatz im Vergleich zu Stahlbeton bei gleicher Tragfähigkeit positiv aus.

Abgesehen vom Materialeinsatz pro Quadratmeter sind die Bewehrung und der Zement (bzw. das Bindemittel) die wesentlichen Treiber für die Ökobilanz von bewehrten Beton:

• Die Ökobilanzdaten für die Stahlbewehrung haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert, seit sie mit bis zu 100 % aus Recyclingstahl gefertigt wird.
• Carbonfasern bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff und werden sehr energieaufwendig bei 1.300 Grad Celsius aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Positiv für die Gesamtenergiebilanz des Carbonbetons wirkt sich das geringe Eigengewicht der Fasern und die hohe Leistungsfähigkeit pro eingesetzter Menge aus. Diese Aussagen können auch für die anderen Textilbetone getroffen werden.
• Der Beitrag des Bindemittels zur Gesamtökobilanz hängt stark vom Portlandzementklinker-Anteil und von der eingesetzten Menge je Funktionseinheit ab. Je höher die Menge an Portlandzementklinker im Bindemittel und im Produkt, desto höher sind die ökologischen Belastungen.

Für einen haltbaren quantitativen Vergleich ist die Datenlage für Textilbeton noch nicht ausreichend. In der ÖKOBAUDAT befindet sich ein einziger Datensatz für einen Glasfaserbeton. Diese Platten dienen als Bekleidungsmaterial für vorgehängte hinterlüftete Fassaden, als Wandverkleidung oder als Bodenbelag. Dies ist ein sehr spezieller, für Stahlbeton nicht üblicher Anwendungsbereich.

Der geringere Materialeinsatz für Textilbeton wirkt sich jedenfalls positiv auf den Transportaufwand aus.

Besonders wichtige Eigenschaft hinsichtlich Umwelt- und Gesundheitsrelevanz

Gefährdungspotenzial

Faserabmessungen

Für die Gesundheitsgefahren durch faserförmige Stäube ist vor allem die Größe und räumliche Gestalt entscheidend. Nach den Kriterien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind Fasern mit Längen über 5 µm, Durchmessern kleiner 3 µm und Länge-Durchmesser-Verhältnissen größer als 3:1 besonders kritisch (WHO-Fasern). Fasern dieser Geometrie können in die tieferen Atemwege und das Lungengewebe eindringen. Das krebserzeugende Potenzial einer Faser steigt zudem mit deren Biobeständigkeit an.

Die in Textilbeton eingesetzten Fasern weisen deutlich höhere Durchmesser auf¹:

Carbonfasern

Carbonfasern bestehen aus elementarem Kohlenstoff, der nicht als gefährlicher Stoff eingestuft ist.

Die MAK Kommission hat bisher keine gesicherten Erkenntnisse über krebserzeugende Eigenschaften von Carbonfasern bzw. Faserbruchstücken herausgegeben. Sie werden daher analog dem Faserstaub in Kategorie 3 (GHS: Kat 2) eingestuft⁸. Sofern kritische WHO-Fasern entstehen, wird empfohlen, sich an den Grenzwert der TRGS 521 "Abbruch, Sanierung- und Instandhaltungsarbeiten mit alter Mineralwolle" von 50.000 Fasern/m3 zu orientieren³.

Durch eine dermale Exposition mit Carbonstäuben bzw. Fasern können allergische Kontaktexzeme sowie mechanisch irritative Effekte (Hautreizungen / Juckreize) auftreten³.

Glasfasern

Gesundheitlich bedenkliche Faserverkürzungen oder die Reduzierung des Durchmessers, wie dies bei Carbonfasern in Verbrennungsprozessen zu befürchten ist, konnten bei der der thermischen Behandlung von GFK bislang nicht festgestellt werden.
Textilglasfasern (glasige KMF, der Gruppe Endlosfasern) sind gemäß⁸ in K0 (frei von Krebsverdacht) eingestuft.

Expositionsrisiko bei der Bearbeitung von Beton

Bei der Bearbeitung von Beton (Schneiden, Stemmen, Bohren, etc.) ist die Freisetzung von Stäuben zu beachten. Bei der mechanischen Behandlung von faserverstärkten Betonen werden die Fasern in ihrer Größe und Geometrie verändert.

Bei glasfaserverstärkten Kunststoffen sind bei der mechanischen Behandlung keine gesundheitlichen Risiken bekannt⁴.

Ob bei der Bearbeitung von Carbonbeton WHO-Fasern freigesetzt werden, ist noch nicht abschließend geklärt. Nach derzeitigen Erkenntnissen brechen die im Baubereich eingesetzten Carbonfasern bei den herkömmlichen mechanischen Bearbeitungsverfahren nicht in Längsrichtung und spleißen nicht. Ein vermehrtes Entstehen von WHO-Fasern wurde aber durch Zersetzungs- und Abbauprozesse bei Brandversuchen mit Temperaturen von mehr als 650 °C festgestellt³.

Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) hat eine Orientierungshilfe für Schutzmaßnahmen zur Bearbeitung von CFK-Materialien (Materialien aus carbonfasererstärkem Kunststoff) herausgegeben³, die insbesondere die Hersteller von CFK Bauteilen unterstützen soll. Die darin beschriebenen Anforderungen an den Gesundheits- und Arbeitsschutz bei der mechanischen Bearbeitung von CFK Bauteilen können analog auf die Herstellung und Bearbeitung von Carbonbeton angewandt werden, bis gesicherte Erkenntnisse zur Biobeständigkeit und Biopersistenz der Carbonfasern vorliegen.

Freisetzung von umweltrelevanten Stoffen in der Nutzung

Die Freisetzung von umweltrelevanten Stoffen aus Beton während der Nutzung erfolgt meist über Auslaugung bzw. Auswaschung. Anforderungswerte werden in der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVVTB) vorgeschrieben.

In einem Forschungsprojekt zum Auslaugverhalten von Carbonbeton in der Nutzungsphase⁵ wurden umfangreiche Labor- und Freilandversuche an Carbonbeton-Prüfkörpern durchgeführt. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass Carbonbeton als umweltverträglich im Sinne der MVVTB eingestuft werden kann und damit keine weiteren Auslaugprüfungen notwendig sind.

Nachnutzung

Rückbau und Recycling

Stahlbeton wird vor Ort in Stahl und Beton getrennt. Abgebrochener Bewehrungsstahl wird von Entsorgungsunternehmen als „Moniereisen“ bezeichnet, Die „Moniereisen“ müssen häufig mit erheblichem Aufwand zerkleinert und von Betonanhaftungen befreit werden, bevor sie einem Recycling in der Stahlerzeugung zugeführt werden können.

Da Textilbetone derzeit nur in begrenztem Umfang in Spezialbereichen Anwendung findet, liegen keine belastbaren Daten zu Abfallmengen und Abfallströmen vor. Anders als bei den konventionellen Abbruchmaterialien aus Stahlbetonbauteilen gibt es noch keine etablierten Rückbau- und Recyclingverfahren. In der heutigen Entsorgungspraxis ist nicht davon auszugehen, dass beim Rückbau Kenntnis über Art und Menge der enthaltenen Fasern besteht oder dass die Textilbetone getrennt gesammelt werden. Selbst im gegenteiligen Fall wird eine Auftrennung in Bewehrung und Beton derzeit nicht praktiziert. Die Abbruchmaterialien liegen daher als Faserverbundwerkstoffe vor. Ein wirtschaftliches Recyclingverfahren hat sich für diese Verbundwerkstoffe noch nicht etabliert.

Die potenzielle Trennbarkeit von Carbonbeton in Beton und Textilbewehrung wird von Entsorgungsunternehmen und in einigen Literaturquellen als kritisch gesehen. Der LAGA-Ad-hoc-Ausschuss hält fest, dass „bei der Trennung von Beton und Carbonbewehrung mit gängigen Aufbereitungstechniken in jedem Fall ein gewisser Eintrag von Carbonfaserfragmenten in das mineralische Abbruchmaterial erfolgt. Techniken und Verfahren zur sortenreinen Trennung der Carbonfaser-Bewehrung von der Betonmatrix mit dem Ziel einer hochwertigen und schadlosen Verwertung haben sich noch nicht ausreichend in großtechnischem Maßstab etabliert. Ob die Abtrennung von Carbonfasern ohne unerwünschte Verteilung dieser Fasern in die einzelnen Recyclingstoffströme technisch sowie wirtschaftlich überhaupt möglich ist, ist derzeit noch nicht absehbar.“
Demgegenüber stehen Aussagen auf Basis von Forschungsergebnissen im Projekt „C³ – Carbon Concrete Composite“, in denen Carbonfasern und Beton mit bereits heute üblichen Geräten und Maschinen mit einem Reinheitsgrad von 97 % und höher wieder getrennt und zerkleinert werden können. Mit sensorgesteuerten und kamerabasierten Anlagen können die Komponenten anschließend sortiert werden. Ansätze zur Verwertung von allenfalls wiedergewonnenen Recyclingfasern, z. B. zu Kurzfasern, Vliesen oder Langfasern, gibt es aus der Automobilindustrie. Im Bauwesen (wie auch in anderen Branchen) fehlen jedoch weitgehend Produkte, in denen recycelte Carbonfasern genutzt werden.

Gemäß Institut für Textiltechnik (ITA) gilt²: „Je robuster das Textil, d. h. je größer der Garnquerschnitt, und je geringer der chemische Verbund zwischen Textil und Beton (z. B. beim Einsatz epoxidharzgetränkter Textilien) ist, desto besser ist die Trennbarkeit von Bewehrung und Beton.

Beseitigung

Deponierung

Aus Sicht des LAGA Ad-hoc-Ausschusses stellt die Deponierung von Carbonbeton derzeit noch die beste Entsorgungsmethode dar, da „im Falle der Verwertung eine Verteilung von Carbonfasern im Stoffkreislauf und eine damit einhergehende Beeinträchtigung des Wohls der Allgemeinheit momentan nicht sicher ausgeschlossen werden können“. Eine Deponierung ist auch möglich, wenn ein zu hoher TOC-Gehalt und Glühverlust auf die Carbonfaser zurückzuführen ist⁶.

Verbundwerkstoffe aus Glasfaser und Betone können deponiert werden, da es sich bei den Glasfasern um anorganische Stoffe handelt.

Verbundwerkstoffe aus Kunststoffaser und Beton müssen ggf. wegen zu hohem TOC-Gehalt vor der Deponierung vorbehandelt werden.

Verbrennung von Carbonfasern

Erste Ergebnisse aus Verbrennungsversuchen in einer Hausmüllverbrennungsanlage und einer Sonderabfallverbrennungsanlage zeigen, dass die beiden Verfahrensalternativen nicht geeignet sind, eine sichere Entsorgung carbonfaserhaltiger Abfälle zu gewährleisten⁶. Die Carbonfasern können Filter und Einlass verstopfen, die Leitfähigkeit des Materials kann zu Störungen von elektrischen und elektronischen Geräten führen. Weder in Hausmüllverbrennungsanlage noch in Sonderabfallverbrennungsanlage sind in der Regel die Voraussetzungen für eine vollständige thermische Zersetzung von Carbonfasern gegeben. Die Carbonfasern werden während des Verbrennungsprozesses nicht zerstört, sondern zerspleißen sich und reduzieren mit zunehmender thermischer Belastung ihren Durchmesser. Inwieweit beim Verbrennungsprozess Fasern mit der kritischen Geometrie von WHO-Fasern entstehen, bleibt zu untersuchen.

Abfallschlüssel

Für Textilbetone stehen noch keine spezifische Abfallschlüssel zur Verfügung. Der LAGA-Ad-hoc-Ausschuss schlägt folgende Abfallschlüssel vor⁶:

• Carbonfasern in mineralischer Matrix: 17 09 05* / 17 09 06
• Glasfasern in mineralischer Matrix: 17 09 07* / 17 09 08

Bis zur Einführung müssen hilfsweise andere Abfallschlüssel herangezogen werden. Dabei sollte der Zusatz „enthält Carbonfasern“ bzw. „enthält Glasfasern“ zwingend mitaufgeführt werden.

Für Carbon-Beton können bis dahin die folgenden Abfallschlüssel Anwendung finden

• 17 01 07 „Gemische aus Beton, Ziegeln, Fliesen und Keramik mit Ausnahme derjenigen, die unter 17 01 06 fallen“.
• 17 01 06* „Gemische aus oder getrennte Fraktionen von Beton, Ziegeln, Fliesen und Keramik, die gefährliche Stoffe enthalten“.

Hinweise für die ökologische Produktauswahl

Für den LAGA-Ad-hoc-Ausschuss ist der Einsatz von Carbon-Beton nur vertretbar, wenn die gesundheitliche Unbedenklichkeit nachgewiesen ist und die Frage der Entsorgung geklärt ist. Er definiert folgende Voraussetzungen für den Einsatz von Carbon-Beton⁶:

• Nachweis, dass bei der Bearbeitung und dem Recycling von Carbon-Beton keine Gesundheitsrisiken hervorgerufen werden.
• Intensivierung der Forschungsaktivitäten zum Gesundheits- und Arbeitsschutz unter Beteiligung der BAuA.
• Untersuchung möglicher negativer Einflüsse durch Abfälle aus Carbon-Beton auf das Baustoffrecycling und die Akzeptanz von Recyclingbaustoffen.
• Der Einsatz von Carbon-Beton ist nur vertretbar, wenn die gesundheitliche Unbedenklichkeit nachgewiesen ist und die Frage der Entsorgung geklärt ist.
• Nachvollziehbare und transparente Dokumentation des Einsatzes von Carbon-Beton in Bauwerken; Einführung eines Carbon-Beton-Registers.

Anwendungsbereiche (Besonderheiten)

Stahlbeton

siehe → Fertigteilbeton und → Frischbeton

Textilbeton⁷ 

• Leichte Betonbauteile mit hohen Tragwerksanforderungen
• Tragwerksinstandsetzung / -verstärkung
• Brückenkonstruktionen
• Fassadenplatten
• Sandwichpaneele
• Freie Formen

Faserbeton

Faserbetone kommen im Baubereich vor allem bei folgenden Anwendungen zum Einsatz:

• Glasfaserbetone: Fassadenbekleidungselementen oder Fußböden
• Kohlenstofffaserbetone: kohlenstofffaserverstärke CFK-Lamellen zur konstruktiven Nachverstärkung von Bauwerken aus Stahlbeton

Quellen

1 InformationsZentrum Beton GmbH - Textilbeton

2 BFT-International: Vom Stahlbeton zum Textilbeton – nur wie? Text: Magdalena Kimm, Thomas Gries. Erstellungsdatum vermutlich 2021. (zuletzt aufgerufen am 24.08.2022)

3 Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV): "Bearbeitung von CFK-Materialien - Orientierungshilfe für Schutzmaßnahmen" (FB-HM 074, Ausgabe 10/2014).  (zuletzt aufgerufen am 24.8.2022)

4 C³ – Carbon Concrete Composite e. V.: Das Recycling von Fasern – Was ist dabei zu beachten? Stand 2021-03-25.  (zuletzt aufgerufen am 24.08.2022)

5 Weiler, Lia / Vollpracht, Anya / Jesse, Frank / Müller, Christoph / Reiners, Jochen / Spanka, Gerhard (2020): Umweltverträglichkeit von Carbonbeton. Ergebnisse eines Forschungsvorhabens.

6 LAGA (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall: Entsorgung faserhaltiger Abfälle. Abschlussbericht, Juli 2019.  (zuletzt aufgerufen am 24.08.2022)

7 Baunetzwissen - Textilbeton

8 BG/BGIA-Report „Arbeitsschutzlösungen für ausgewählte Stoffe und Verfahren“, Kapitel 3.24.2 „Einstufung von Faserstäuben“. Oktober 2006. (zuletzt aufgerufen am 24.08.2022)

9 Lösungen für Recycling von Carbonfasern. Quelle: Zuse-Gemeinschaft. 12.11.2020. 

10 Jan Kortmann, Florian Kopf: C³-V1.5 Abbruch, Rückbau und Recycling von C³-Bauteilen. Hrsg.: C³ – Carbon Concrete Composite e. V. und TUDALIT e. V. Tagungsband zu den 10. Carbon- und Textilbetontagen, 2018, S. 84–85.