Carbonbewehrung, GFK- und Basaltbewehrung: Faserverbund im Beton

Carbonbewehrung ist eine Bewehrung aus Kohlenstofffasern (Carbonfasern), die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind: CFK, ein carbonfaserverstärkter Kunststoff. Sie kommt in zwei Formen vor: als Stab, Gitter oder Textil, das in neuen Beton einbetoniert wird (Carbonbeton), und als Lamelle oder Gelege, das auf bestehenden Beton geklebt wird, um ihn zu verstärken. Carbon rostet nicht und ist sehr zugfest, hat aber keine Streckgrenze: Es verhält sich bis zum Bruch linear-elastisch und braucht deshalb eine eigene Bemessung und einen Verwendbarkeitsnachweis.

Dasselbe Prinzip gibt es mit Glasfasern (GFK-Bewehrung) und Basaltfasern (Basaltbewehrung). Davon zu unterscheiden sind lose Fasern in der Betonmischung, wie beim Faserbeton. Dieser Artikel stellt die drei Welten nebeneinander: Faserverbundstäbe im Neubau, geklebte Verstärkung von Bestandsbauteilen und Fasern, die aus dem Mischer kommen, jeweils im Vergleich zur klassischen Bewehrung aus Betonstahl.

Was ist Carbonbewehrung? Faserverbundkunststoff, FRP und Faserbeton

Faserverbundkunststoff (FVK), international FRP (fibre reinforced polymer), besteht aus Endlosfasern, die in ein Harz eingebettet sind, meist Epoxid- oder Vinylesterharz. Stäbe und Lamellen werden häufig im Pultrusionsverfahren hergestellt: Faserstränge laufen durch ein Harzbad und ein beheiztes Werkzeug, in dem das Harz aushärtet. Die Abkürzung nennt die Faser: CFK für Carbon, GFK für Glas, BFK (auch BFVK) für Basalt und AFK für Aramidfasern.

Im Betonbau begegnet Ihnen Bewehrung (in der Schweiz: Armierung) aus Faserverbund als Stab (mit besandeter, gerippter oder umwickelter Oberfläche für den Verbund), als Gitter und Textilgelege, als flache Lamelle und als Gelege oder Sheet, das um ein Bauteil gewickelt wird. Das Wort Faser sorgt dabei oft für Verwechslungen. Im Faserbeton geht es um kurze, lose Fasern, die beim Mischen im gesamten Beton verteilt werden; diese vergleichen Sie bei den Arten von Betonfasern. Im Faserverbund liegen die Fasern dagegen endlos und ausgerichtet im Harz und bilden zusammen einen Stab oder eine Lamelle mit einer festen Lage im oder auf dem Beton.

Bewehrung aus Faserverbund: Carbon-, GFK- und Basaltbewehrung als Stab

Faserverbundstäbe werden wie Betonstahl nach Bewehrungsplan in die Schalung gelegt und zu Körben oder Matten zusammengesetzt. Sie ersetzen also den Stahl, nicht die Flechtarbeit. Der wichtigste Grund für die Wahl ist Korrosion: Betonstahl beginnt zu rosten, sobald Chloride aus Tausalz oder Meerwasser die Bewehrung erreichen (Expositionsklassen XD und XS), und das führt zu Rissen, Abplatzungen und schließlich zu Betonschäden. Wie dieser Mechanismus abläuft, lesen Sie unter Korrosion von Bewehrungsstahl.

Faserverbund rostet nicht und ist nicht magnetisch; Glas- und Basaltstäbe leiten außerdem keinen Strom. Deshalb wird nichtmetallische Bewehrung unter anderem in Bauteilen mit starker Chloridbelastung eingesetzt, in Schlitzwänden von Start- und Zielschächten, die eine Tunnelvortriebsmaschine später durchfährt (Soft-Eye), in Räumen mit empfindlichen elektrischen oder magnetischen Anlagen und in Bauteilen, in denen wenig Platz für die Betondeckung bleibt.

GFK-Bewehrung: Glasfaserbewehrung im Beton

GFK-Bewehrung ist die am häufigsten verwendete Faserverbundbewehrung. Glasfaserstäbe rosten nicht, leiten nicht und wiegen etwa ein Viertel eines Stahlstabs, was den Einbau erleichtert. Dem steht eine deutlich geringere Steifigkeit gegenüber: Herstellerangaben für pultrudierte GFK-Stäbe nennen je nach Produkt einen Elastizitätsmodul von rund 40 bis 60 GPa, Betonstahl liegt bei 200 GPa. Bei gleichem Querschnitt verformt sich ein Bauteil mit Glasfaserbewehrung also stärker, und Risse werden breiter.

In Deutschland brauchen GFK-Stäbe für tragende Bauteile einen bauaufsichtlichen Verwendbarkeitsnachweis, in der Regel eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt für das jeweilige Produkt. In den Niederlanden gilt dafür die Beurteilungsrichtlinie BRL 0513 von Kiwa als Grundlage für ein KOMO-Produktzertifikat. Beide Wege ergänzen die Bemessungsregeln des Eurocode 2, weil die üblichen Regeln für Betonstahl nicht ohne Weiteres gelten.

Nicht zu verwechseln mit Glasfaserbeton: Dort geht es um kurze, alkaliresistente Glasfasern (AR-Glas) in der Mischung, etwa in dünnen Fassadenplatten. Das ist Faserbeton, keine Stabbewehrung.

Carbonbewehrung als Stab und Gitter (CFK)

Carbon ist die steifste und festeste der Faserverbundvarianten und zugleich die teuerste. Anders als Glas und Basalt leitet Carbon elektrischen Strom, für nicht leitende Bereiche scheidet CFK also aus. Im Neubau sehen Sie Carbon seltener als einzelnen Stab und häufiger als Gitter oder Textil in dünnen, schlanken Bauteilen; das ist der Carbonbeton, den wir weiter unten ausführlich behandeln. Die bekannteste Anwendung im Bestand ist die geklebte CFK-Lamelle, mit der vorhandene Betonbauteile verstärkt werden.

Basaltbewehrung (BFK-Stäbe)

Basaltbewehrung besteht aus Stäben oder Gittern aus Endlos-Basaltfasern in einem Harz. Veröffentlichte Versuchswerte für BFK-Stäbe liegen bei etwa 1.100 bis 1.350 MPa Zugfestigkeit und einem Elastizitätsmodul von rund 45 bis 50 GPa, gegenüber 200 GPa bei Stahl; die Werte unterscheiden sich je nach Hersteller. Wie bei Glas bestimmen deshalb oft Durchbiegung und Rissbreite die Bemessung. Die Beständigkeit von Basalt im stark alkalischen Milieu des Betons ist ein Punkt, der je Produkt nachgewiesen werden muss. Im deutschsprachigen Raum ist Basaltbewehrung vor allem Gegenstand von Forschung, etwa zu Deckenplatten im Wohnungsbau und zu Tübbingen im Tunnelbau.

Basaltbewehrung in Stabform ist etwas anderes als Basaltfasern in der Mischung. Ein Basaltstab liegt an einer festen Stelle im Querschnitt, eine Basaltfaser wirkt verteilt im gesamten Beton. Weiter unten lesen Sie, warum die Makrofaser Basalt Wave deshalb keine Basaltbewehrung ist.

Bemessen mit Faserverbundbewehrung: keine Streckgrenze, eigene Nachweise

Faserverbund verhält sich bis zum Bruch linear-elastisch. Es gibt keine Streckgrenze und damit kein duktiles, sich ankündigendes Versagen wie bei B500B. Tragwerksplaner wählen den Querschnitt deshalb oft so, dass das Betondruckversagen maßgebend wird und nicht der Bruch des Stabs auf Zug. Wegen der geringeren Steifigkeit von Glas- und Basaltstäben sind Durchbiegung und Rissbreite häufig wichtiger als die Tragfähigkeit.

Auch die Betondeckung bekommt eine andere Aufgabe: Als Korrosionsschutz wird sie nicht mehr gebraucht, wohl aber für den Verbund zwischen Stab und Beton und für den Brandschutz. Bei Brand und hohen Temperaturen erweicht das Harz schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen; das ist die Schwachstelle jeder Faserverbundbewehrung. Biegungen und Bügel kommen aus dem Werk, denn das ausgehärtete Harz lässt sich nicht mehr biegen.

Für die Bemessung gibt es eigene Regeln. In Deutschland ist das die DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ (Ausgabe Januar 2024). Die neue Generation des Eurocode 2 (EN 1992-1-1:2023) enthält einen informativen Anhang R für nicht vorgespannte Faserverbundbewehrung, in Nordamerika wird häufig mit ACI 440.1R gearbeitet. Ein Faserverbundstab ist also nie eins zu eins gegen einen Stab B500B austauschbar: Der Tragwerksplaner bemisst die Bewehrung neu.

Verstärken mit geklebter Bewehrung: CFK-Lamellen und Kohlefasergelege

Geklebte Bewehrung, auch Klebebewehrung oder Lamellenverstärkung genannt, wird nachträglich auf ein bestehendes Tragwerk aufgebracht. Früher waren das vor allem geklebte Stahllaschen; heute sind es meist CFK-Lamellen oder Kohlefasergelege, die mit Epoxidharzkleber auf die Zugseite eines Balkens, einer Decke oder Stütze geklebt werden. Carbon ist leicht, rostet nicht und lässt sich auch in beengten Räumen gut verarbeiten. In Europa wird das Verstärken mit Faserverbundwerkstoffen seit den 1990er-Jahren zunehmend eingesetzt.

Typische Gründe, Beton mit Carbon zu verstärken, sind eine Nutzungsänderung mit höheren Lasten, eine zu geringe Biege- oder Querkrafttragfähigkeit, fehlende oder geschädigte Bewehrung, eine nachträglich hergestellte Deckenöffnung, Schäden nach einem Anprall oder Brand, Ermüdung und die Ertüchtigung gegen Erdbeben. Vier Varianten sind üblich:

• Aufgeklebte CFK-Lamellen: flache Streifen auf der Zugseite, vor allem für eine höhere Biegetragfähigkeit.

• CF-Gelege und Sheets: Kohlefasergewebe, das vor Ort mit Harz getränkt und um Balken oder Stützen gewickelt wird, für Querkraft und zur Umschnürung von Stützen.

• Lamellen in Schlitzen (eingeschlitzte Lamellen, international NSM, near surface mounted): Streifen oder Stäbe, die in eine gesägte Nut in der Betondeckung geklebt werden und dort besser geschützt liegen.

• Vorgespannte CFK-Lamellen: Die Lamelle wird vorgespannt aufgeklebt und verankert, sodass die Verstärkung sofort mitträgt, auch ohne zusätzliche Verformung des Bauteils.

Der wichtigste Versagensmechanismus ist die Entkopplung: Die Lamelle löst sich, bevor sie ihre Zugfestigkeit erreicht. Der Untergrund ist deshalb entscheidend. Technische Merkblätter fordern nach der Untergrundvorbereitung (Strahlen oder Schleifen) eine Oberflächenzugfestigkeit (Abreißfestigkeit im Haftzugversuch) von im Mittel 2,0 und mindestens 1,5 N/mm²; der Beton ist in der Regel mindestens 28 Tage alt, und im Klebebereich wird eine Mindestbetondeckung verlangt. Der Kleber ist vor dauerhafter Sonneneinstrahlung und Feuchtigkeit zu schützen. Weil Epoxidharz bei hohen Temperaturen an Festigkeit verliert, begrenzen Zulassungen die Bauteiltemperatur im Klebebereich, und der Tragwerksplaner prüft auch den Brandfall.

In Deutschland ist die Grundlage die DAfStb-Richtlinie „Verstärken von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung“ (Ausgabe März 2012). Die einzelnen Lamellen- und Gelegesysteme brauchen zusätzlich eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung beziehungsweise Bauartgenehmigung des DIBt, die auf dieser Richtlinie aufbaut und den Anwendungsbereich festlegt. In den Niederlanden gilt für aufgeklebte Carbonbewehrung die CUR-Aanbeveling 91, die auf dem fib Bulletin 14 „Externally bonded FRP reinforcement for RC structures“ (2001) beruht. Ausgeführt wird die Verstärkung von Fachbetrieben, die vom Systemhersteller geschult sind; die Bemessung übernimmt ein spezialisierter Tragwerksplaner.

Eines muss man ehrlich sagen: Lose Fasern können ein bestehendes Tragwerk nicht verstärken. Fasern wirken nur in dem Beton, in den sie eingemischt sind. Für einen Balken oder eine Decke, die mehr tragen soll, braucht es eine Verstärkungsplanung.

Betonverstärkung: welche Verfahren gibt es, um Beton zu verstärken?

Eine Betonverstärkung beginnt nicht mit einem Verfahren, sondern mit einer Bestandsaufnahme. Ein Tragwerksplaner stellt fest, was das Bauteil heute tragen kann und künftig tragen muss, auf Grundlage von Untersuchungen zu Lage und Querschnitt der Bewehrung, zur Betonfestigkeit und zu vorhandenen Schäden. Liegt Bewehrungskorrosion mit Betonabplatzungen vor, hat die Instandsetzung der Ursache Vorrang: Kleber auf geschädigtem Beton hat keinen Sinn. Erst danach folgt die Wahl aus den Verstärkungsverfahren in der Tabelle unten.

Bei einer Querschnittsergänzung mit Aufbeton oder Spritzbeton kommt eine neue Betonschicht auf das bestehende Bauteil. Fasern in dieser neuen Schicht begrenzen Schwind- und Rissbildung und können in einer nicht tragenden Überdeckung die Matte ersetzen; mehr dazu unter Überzug mit einer faserbewehrten Schicht. Ob ein Aufbeton statisch mitwirkt, entscheidet der Tragwerksplaner: Das hängt vom Verbund mit dem Altbeton und von nachträglich eingebauter Verbundbewehrung oder Dübeln ab.

Carbonbeton: Beton mit Carbonfasern als Bewehrung

Carbonbeton ist Beton mit Carbonfasern als Bewehrung anstelle von Betonstahl. Gemeint ist eine Bewehrung aus Endlosfasern: Aus Kohlenstofffasern werden Garne (Rovings) und daraus Gitter oder Textilgelege, die mit einer Kunstharzbeschichtung getränkt und dadurch formstabil werden. Für die Gitter-Variante ist auch der Begriff textilbewehrter Beton (Textilbeton) üblich. Daneben gibt es Carbonstäbe, die wie Betonstahl eingebaut werden. Kurze, lose Carbonfasern in der Mischung spielen im Bauwesen dagegen kaum eine Rolle.

Textil oder Stab: Textilgelege eignen sich für flächige, sehr dünne Bauteile und für Verstärkungsschichten von wenigen Zentimetern auf bestehenden Decken und Balken. Stäbe kommen dort zum Einsatz, wo größere Querschnitte und konzentrierte Bewehrung gefragt sind. In beiden Fällen gilt: Biegungen müssen vor dem Aushärten der Matrix hergestellt werden, auf der Baustelle lässt sich nichts mehr biegen.

Der größte Vorteil ist die geringere Betondeckung. Weil Carbon nicht rostet, muss die Deckung nicht vor Karbonatisierung und Chloriden schützen, sondern nur den Verbund und den Brandschutz sicherstellen. Laut InformationsZentrum Beton ist die Zugfestigkeit von Carbonbewehrung bis zu sechsmal höher als die von Betonstahl, bei einem Viertel der Dichte. So entstehen Fassadenplatten, Schalen, Fertigteile und Verstärkungsschichten, die mit Stahlbewehrung deutlich dicker sein müssten. Weniger Beton heißt auch weniger Zement und Klinker; diese Einsparung ist ein Hauptargument der Carbonbeton-Forschung, unter anderem an der TU Dresden mit dem Versuchsgebäude CUBE und an der RWTH Aachen.

Dem stehen Nachteile gegenüber. Die Herstellung der Kohlenstofffaser ist energieintensiv, weil die Vorfaser in mehreren Stufen bei hohen Temperaturen stabilisiert und carbonisiert wird. Im Brandfall wird die Beschichtung zur Schwachstelle, sodass der Brandschutz die Bemessung oft bestimmt. Das Recycling von Carbonbeton wird noch erforscht, und die Materialkosten liegen deutlich über denen von Betonstahl.

Das Regelwerk ist jung. Im Januar 2024 hat der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton die DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ veröffentlicht (fünf Teile, Erläuterungen und Beispiele im DAfStb-Heft 660). Sie regelt Bemessung, Ausführung und Prüfkonzepte für Neubauteile mit schlaffer, also nicht vorgespannter Stab- und Gitterbewehrung. Das Bewehrungsprodukt selbst braucht in Deutschland weiterhin einen Verwendbarkeitsnachweis, also eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder Bauartgenehmigung. Fehlt diese, ist für tragende Bauteile eine Zustimmung im Einzelfall beziehungsweise eine vorhabenbezogene Bauartgenehmigung der zuständigen Landesbehörde nötig. In Baden-Württemberg hat die Landesstelle für Bautechnik beim Regierungspräsidium Tübingen dazu ein Merkblatt zu textilbewehrtem Beton im Verfahren der Zustimmung im Einzelfall herausgegeben. Für Bauvorhaben in Österreich und der Schweiz klären Sie die Verwendbarkeit mit der zuständigen Behörde und dem Hersteller.

Betonstahl, Faserverbundstäbe und Fasern im Vergleich

Die Tabelle stellt Betonstahl, die drei Arten von Faserverbundbewehrung und lose Fasern in der Mischung nebeneinander. Die Steifigkeiten sind Richtwerte aus veröffentlichten Werten und technischen Merkblättern; für eine Bemessung gelten immer die Werte aus der Zulassung des gewählten Produkts.

Der entscheidende Unterschied steht in der Zeile Einbau. Stahl und Faserverbundstäbe müssen an der Stelle verlegt und gebunden werden, die der Bewehrungsplan vorgibt. Lose Fasern kommen aus dem Mischer und wirken verteilt im gesamten Volumen: Sie ersetzen in vielen Böden und Verkehrsflächen die Matte, aber keine statisch bemessene Hauptbewehrung in einem Balken oder einer Stütze.

Rostfrei bewehren im Neubau: wann Faserverbund, wann Fasern?

Wer Faserverbundbewehrung in Betracht zieht, weil Stahl rostet, kann zuerst eine andere Frage stellen: Welcher Teil der Bewehrung kann korrosionsfrei aus dem Mischer kommen? Im Neubau ist das oft ein größerer Teil als gedacht:

• Böden, Verkehrsflächen, Hof- und Gewächshausböden, Radwege: Kunststoff-Makrofasern ersetzen hier oft die Betonstahlmatte und rosten nicht, zum Beispiel TwistR (PP-Makrofaser, 48 mm, 2,0 bis 6,0 kg/m³) oder Wiking 4050 TR (Polyolefin, DIN EN 14889-2 Klasse II). Ein Praxisbeispiel mit Wiking 4050 TR ist der Gewächshausboden ohne Stahlbewehrung.

• Fertigteile, Randbalken (hybrid), Spritzbeton und konstruktive Böden: die Basalt-Makrofaser Basalt Wave.

• Schwindrissbegrenzung in Mörtel und dünnen Schichten: die geschnittene Basaltfaser Basalt Chopped (4 mm, 0,6 bis 1,0 kg/m³).

• Hoch beanspruchte tragende Bauteile (Balken, Stützen, Hauptbewehrung): Hier bleiben Betonstahl oder Faserverbundstäbe nötig. Oft geht es aber mit weniger Stäben in einer hybriden Bewehrung, bei der die Fasern die Rissbreitenbegrenzung übernehmen.

Geht es um Beton in einer Chloridumgebung (XD oder XS: Tausalz oder Meerwasser), lesen Sie, wie Fasern die Korrosion von Bewehrungsstahl vermeiden. Bei der Wahl zwischen Faserarten hilft der Vergleich Stahlfasern oder Kunststoff-Makrofasern.

Basalt Wave ist keine Basaltbewehrung in Stabform

Basalt Wave besteht aus Basaltfilamenten in einer Epoxidharzmatrix, also aus demselben Materialprinzip wie ein BFK-Stab. Trotzdem ist es keine Basaltbewehrung: Es ist eine Makrofaser von 50 mm Länge und Ø 1,2 mm mit gewelltem 3D-Profil, die in die Mischung dosiert wird und verteilt im Beton wirkt, wie andere Makrofasern auch. Basalt Wave ersetzt keine statisch bemessene Hauptbewehrung in einem Balken oder einer Stütze. Bei Randbalken ist der Einsatz hybrid, zusammen mit Stabbewehrung, und stets auf Grundlage einer Faserbetonbemessung.

Mehr zum Einsatz in Bauteilen lesen Sie unter Fasern in Betonfertigteilen. Für eine projektbezogene Beratung zu Fasern in Ihrem Bauteil oder Boden können Sie ein Angebot oder eine Beratung anfragen.