Beton kann Druck, aber kaum Zug. Deshalb steckt seit über hundert Jahren Stahl darin. Dieser Stahl hat allerdings eine Eigenschaft, die den ganzen Bauteilquerschnitt bestimmt: Er rostet. Frischer Beton schützt ihn zunächst chemisch, weil sein hoher pH-Wert eine Passivschicht auf der Stahloberfläche hält. Dringen über die Jahre Kohlendioxid oder Chloride – etwa aus Streusalz – bis zur Bewehrung vor, bricht dieser Schutz zusammen, der Stahl rostet, dehnt sich dabei aus und sprengt den Beton ab.
Die Gegenmaßnahme ist simpel und teuer zugleich: eine Schutzschicht aus Beton über der Bewehrung, die sogenannte Betondeckung. Je nach Umgebungsbedingung schreiben die Normen dafür grob zwei bis fünfeinhalb Zentimeter vor. Sie erfüllt drei Aufgaben zugleich – Korrosionsschutz, Verbund zwischen Bewehrung und Beton sowie Schutz im Brandfall. Den weitaus größten Anteil an ihrer Dicke hat allerdings der Korrosionsschutz, und genau dieser Anteil ist Masse, die transportiert, gegossen und irgendwann entsorgt werden muss, ohne zur Tragfähigkeit beizutragen.
Was nichtmetallische Bewehrung ist
Nichtmetallische Bewehrung ersetzt den Stahl durch Faserverbund. Tausende Einzelfilamente werden zu einem Roving gebündelt, mit einem Polymer getränkt und zu tragenden Strukturen verarbeitet. Die Faser selbst ist meist Carbon; Glas, Basalt und in Forschungsprojekten auch Naturfaser kommen ebenfalls zum Einsatz. Weil keines dieser Materialien korrodiert, fällt der größte Posten der Betondeckung weg. Eine Restdeckung bleibt – für den Verbund und den Brandfall –, aber sie liegt im Millimeterbereich statt im Zentimeterbereich. Der Branchenverbund C³ stellt dafür rund 10 Millimeter im Neubau den 55 Millimetern gegenüber, die bei Stahlbeton unter ungünstigen Bedingungen nötig werden.
- Gelege beziehungsweise Gitter – flächige Netze für Platten, Fassadenelemente und Verstärkungsschichten. Sie kommen als Matten oder als Rollenware mit mehreren hundert Metern Länge und bis zu drei Metern Breite auf die Baustelle.
- Stäbe – der direkte Ersatz für den Bewehrungsstab, vor allem für Balken und stabförmige Bauteile.
- Geflochtene Rippenstränge – die jüngste Entwicklung, bei der die für den Verbund nötige Oberflächenstruktur direkt mitgeflochten statt nachträglich aufgebracht wird.
Die Tränkung entscheidet, ob überhaupt etwas trägt
Ein untränkter Roving verhält sich im Beton wie ein Bündel loser Fäden: Nur die äußeren Filamente bekommen Kontakt zur Betonmatrix und tragen, die inneren rutschen durch. Der Roving versagt dann weit unterhalb dessen, was die Fasersumme hergäbe – ein Effekt, der die frühen Textilbetone lange ausgebremst hat. Die Tränkung mit einem Polymer verklebt die Filamente untereinander, sodass sich alle gleichmäßig am Lastabtrag beteiligen.
Üblich sind Epoxidharz, Styrol-Butadien-Copolymere und Acrylate. Wer aus dem Faserverbundbau kommt, erkennt hier das eigene Handwerk wieder: Es ist dieselbe Frage nach Benetzung, Faser-Matrix-Haftung und Aushärtung, die auch über die Qualität eines Laminats entscheidet. Und wie im Laminat bestimmt die Matrix – nicht die Faser – die Temperaturgrenze des Bauteils.
| Eigenschaft | Betonstahl B500 | Carbongelege (getränkt) | Glasfaserstab (GFK) |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 500 MPa (Streckgrenze) | bis rund 4.000 MPa* | über 1.000 MPa* |
| E-Modul (Steifigkeit) | rund 200 GPa | in der Größenordnung von Stahl | deutlich niedriger als Stahl |
| Dichte | 7,85 g/cm³ | rund 1,8 g/cm³ | rund 2,0 g/cm³ |
| Korrosion | rostet, braucht Betondeckung | korrodiert nicht | korrodiert nicht |
| Versagensverhalten | fließt vorher, kündigt an | spröde, ohne Vorankündigung | spröde, ohne Vorankündigung |
| Wärmeleitfähigkeit | hoch (Wärmebrücke) | gering | sehr gering (0,7 W/mK) |
| Magnetisch / leitend | ja / ja | nein / ja | nein / nein |
Der Formschluss ist die eigentliche Baustelle
Ein Bewehrungsstab aus Stahl trägt seine Rippen von Haus aus. Sie verzahnen ihn mechanisch mit dem Beton, und genau dieser Formschluss überträgt die Kraft. Eine glatte Faserstruktur hat das nicht. Sie ist auf Haftung angewiesen – und die reicht nicht heran: Marktübliche Carbonstäbe erreichen laut den Forschungsangaben des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden Verbundfestigkeiten um 20 MPa, während Betonstahl unter vergleichbaren Bedingungen im Bereich von 30 bis 40 MPa liegt. Solche Werte sind allerdings nur im Zusammenhang mit der Betonfestigkeit aussagekräftig – die genannte Stahl-Spanne bezieht sich auf hochfesten Beton, und mit sinkender Betonfestigkeit sinkt auch der Verbund.
Rippen nachträglich aufzubringen löst das Problem nur halb. Fräst man sie ein, durchtrennt man tragende Fasern und schwächt den Querschnitt. Klebt man sie auf, entsteht eine zusätzliche Grenzfläche, die selbst versagen kann. Am ITM wird deshalb ein anderer Weg verfolgt: Die Rippen entstehen unmittelbar beim Flechten, indem der Flechtpunkt gezielt verschoben wird. Der Faserverlauf bleibt dabei ununterbrochen. Angestrebt werden Verbundfestigkeiten von 25 bis 30 MPa – also Anschluss an das Stahlniveau, ohne den Querschnitt zu opfern.
Brand und Sprödigkeit – die ehrlichen Grenzen
Zwei Eigenschaften begrenzen den Einsatz und werden in Werbebroschüren gern übergangen. Die erste ist das Temperaturverhalten. Die Carbonfaser selbst hält sehr viel aus, doch die Tränkung tut es nicht: Der Verbund zwischen Bewehrung und Beton baut bereits im Bereich einiger hundert Grad ab, lange bevor die Faser Schaden nimmt. Was im Brandfall zuerst versagt, ist also nicht die Faser, sondern ihre Anbindung.
Die zweite ist das Versagensverhalten. Betonstahl fließt, bevor er reißt – ein überlastetes Bauteil verformt sich sichtbar und kündigt sein Versagen an. Carbon und Glas verhalten sich bis zum Bruch nahezu linear-elastisch und versagen dann schlagartig. Die aus dem Stahlbetonbau vertraute plastische Reserve gibt es nicht. Das ist beherrschbar, verlangt aber andere Sicherheitsüberlegungen und ist einer der Gründe, warum die Zulassungswege so aufwendig sind.
GFK-Bewehrung: der ältere, leisere Zweig
Während Carbonbeton die Schlagzeilen bekommt, ist die Glasfaserbewehrung längst im Regelbetrieb angekommen. Für dauerhaft tragende Glasfaserstäbe gibt es in Deutschland seit 2008 eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung; 2014 wurde sie auf gerade Stäbe mit Nenndurchmessern von 8 bis 25 Millimetern erweitert. Der Hersteller weist Zugfestigkeiten über 1.000 N/mm² und eine rechnerische Nutzungsdauer von mehr als hundert Jahren im Beton aus.
Ihre Stärken liegen weniger im Leichtbau als in Eigenschaften, die Stahl prinzipiell nicht haben kann. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,7 W/mK leitet sie praktisch keine Wärme, was Wärmebrücken an durchdringenden Bauteilen entschärft. Sie ist unmagnetisch und elektrisch nicht leitfähig – ein Argument in Räumen mit Magnetresonanztomographen, in der Bahntechnik und überall dort, wo später mit der Fräse durchgegangen werden soll. Ihr Nachteil gegenüber Carbon ist der deutlich niedrigere E-Modul: Durchbiegung und Rissbreite werden noch früher zum bestimmenden Kriterium.
Stand der Zulassung und gebaute Praxis
Getragen wurde die Entwicklung in Deutschland vom Verbundprojekt C³ – Carbon Concrete Composite, das das Bundesforschungsministerium im Programm „Zwanzig20“ mit 45 Millionen Euro förderte und das von 2014 bis 2022 lief. Sein sichtbarstes Ergebnis steht auf dem Campus der TU Dresden: der CUBE, 2022 fertiggestellt und das weltweit erste Gebäude, das vollständig mit nichtmetallischer Bewehrung errichtet wurde.
Parallel dazu ist der bauaufsichtliche Weg frei geworden. Für Carbongelege liegen inzwischen allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen und allgemeine Bauartgenehmigungen des Deutschen Instituts für Bautechnik vor – Voraussetzung dafür, dass ein Tragwerksplaner das Material ohne Einzelfallzustimmung einsetzen darf. Damit ist Carbonbeton aus dem Forschungsstadium heraus, auch wenn der Marktanteil gemessen am Stahlbetonbau weiterhin klein ist.