Biegesteifigkeit von Stahlbetonträgern durch Basalt-Textilbewehrten Mörtel: experimentelle und analytische Untersuchung

Stärkere Brücken und Gebäude mit einer dünnen neuen Schicht

Viele alternde Brücken, Parkhäuser und Gebäude stützen sich auf Stahlbetonträger, die ursprünglich nicht für den heutigen höheren Verkehrsaufwand und die längeren Lebensdauern ausgelegt wurden. Ein kompletter Austausch dieser Träger ist aufwändig und teuer, daher suchen Ingenieure nach pfiffigen Wegen, vorhandene Bauwerke von außen aufzurüsten. Diese Studie untersucht eine solche Methode: Träger mit einer dünnen, zementbasierten Ummantelung zu versehen, die Basaltfasern in textiler Anordnung enthält, um Festigkeit und Sicherheit zu erhöhen, ohne große Abbrucharbeiten.

Abgekämpften Beton eine faserreiche Haut verpassen

Die Forschenden konzentrierten sich auf Stahlbetonträger, die Arbeitspferde, die Böden und Brückendecken tragen. Im Laufe der Zeit kann der Stahl in diesen Trägern korrodieren und der Beton an Festigkeit verlieren, wodurch die Sicherheitsreserve schrumpft. Eine vielversprechende Reparaturtechnik ist Textile Reinforced Mortar (TRM), bei der ein feines Fasergewebe in eine dünne Mörtelschicht eingebettet und an die Außenseite des Trägers geklebt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen faserverstärkten Polymeren, die Epoxidharze verwenden und bei Hitze oder feuchten Oberflächen Schwäche zeigen können, nutzt TRM einen zementbasierten Mörtel, der Feuchtigkeit und hohe Temperaturen besser toleriert.

Warum Basalttextilien eine attraktive Option sind

Diese Studie fokussiert auf eine bestimmte TRM-Variante mit Basaltfasern, genannt Basalt Textile Reinforced Mortar (BTRM). Basaltfasern werden aus vulkanischem Gestein gewonnen und bieten hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und potenziell geringere Kosten als Kohlenstofffasern. Das Team wollte wissen, wie verschiedene Gestaltungsentscheidungen – wie die Anzahl der Textilschichten, die Maschenweite, das Einlegen schlanker Basaltstäbe in die Ummantelung und der Einsatz mechanischer Verankerungen – die Verstärkung und Zähigkeit von mit BTRM umhüllten Stahlbetonträgern beeinflussen.

Prüfung von Trägern in Realgröße

Um diese Fragen zu beantworten, gossen die Forschenden sechs Träger in voller Größe, jeder 2,3 Meter lang und innen mit Stabstahl wie in realen Bauwerken bewehrt. Ein Träger diente als unverstärkte Referenz, die anderen fünf wurden mit unterschiedlichen BTRM-Ummantelungen in U-Form um die Unterseite und die unteren Seiten versehen. Manche Träger erhielten drei Textilschichten, andere fünf oder sogar acht; manche nutzten eine feine Textilmasche von 5 Millimetern, andere eine gröbere von 34 Millimetern; eine Variante enthielt zusätzliche Basaltstäbe in der Ummantelung; und eine andere verwendete in den Beton eingeklebte Stahlanker, um die Ummantelung zu halten. Alle Träger wurden in einer Prüfmaschine bis zum Versagen belastet, während Instrumente aufzeichneten, welche Lasten sie trugen und wie stark sie sich durchbogen.

Moderate Festigkeitsgewinne, aber ein hartnäckiger Schwachpunkt

Die verstärkten Träger trugen vor dem Versagen zwischen 11 und 18 Prozent mehr Last als der unummantelte Referenzträger, was bestätigt, dass BTRM eine sofortige Kapazitätsverbesserung bewirken kann. Allerdings führte das Hinzufügen weiterer Textilschichten nicht zu einer kontinuierlichen Zunahme der Festigkeit; Träger mit drei und fünf Schichten erreichten annähernd die gleiche maximale Last, was zeigt, dass der Nutzen abflacht, sobald die Haftung zwischen Ummantelung und Beton zum beherrschenden Schwachpunkt wird. Die Maschenweite (5 versus 34 Millimeter) machte wenig Unterschied für die Gesamtfestigkeit, und die zusätzlichen Basaltstäbe verbesserten die Leistung nur geringfügig, hauptsächlich durch ein gleichmäßigeres und energieabsorbierenderes Verhalten nach dem Riss. Mechanische Anker ermöglichten größere Durchbiegungen vor dem Versagen, hoben die Höchstlast jedoch kaum an, weil das Versagen weiterhin auftrat, wenn sich die gesamte Ummantelung von der Betonoberfläche ablöste. In fast allen verstärkten Trägern blieben die Mörtel- und Textilschichten intakt und trennten sich sauber vom Beton, was verdeutlicht, dass das Hauptproblem an der Beton–Mörtel-Schnittstelle liegt.

Präzisere Bemessungswerkzeuge für sicherere Nachrüstungen

Über die Labortests hinaus prüften die Autorinnen und Autoren, wie gut bestehende Berechnungsverfahren die Tragfähigkeit solcher verstärkter Träger vorhersagen. Gängige Bemessungsformeln neigten dazu, die tatsächliche Kapazität zu unterschätzen, wenn sie sehr konservative Dehnungsgrenzen für das Textil verwendeten, oder den Zugewinn zu überschätzen, wenn sie von perfekter Verbindung zwischen Ummantelung und Beton ausgingen. Durch einen sorgfältigen Abgleich von Vorhersagen und Versuchsdaten schlugen die Forschenden eine verfeinerte, leicht anwendbare Gleichung vor, die das reale Verhalten bei unvollständiger Haftung besser widerspiegelt, und empfahlen, die annehmbare Textildehnung in der Bemessung sicher zu erhöhen. Diese modifizierte Formel stimmte gut mit ihren eigenen Versuchsergebnissen und veröffentlichten Daten anderer Labore überein.

Was das für reale Bauwerke bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Hauptaussage, dass das Ummanteln vorhandener Stahlbetonträger mit einer dünnen Basalttextil‑Mörtel‑Schicht ein praktikabler Weg ist, um grob 10 bis 20 Prozent zusätzliche Festigkeit zu gewinnen und das Versagensverhalten zu mildern, was wertvolle Sicherheit und Nutzungsdauer erkaufen kann. Das volle Potenzial von Basalttextilien wird derzeit jedoch nicht durch die Fasern selbst begrenzt, sondern durch die Haftung der Ummantelung am Bestandsbeton. Verbesserte Oberflächenvorbereitung, bessere Klebematerialien und optimierte Verankerungsdetails werden entscheidende nächste Schritte sein, um diese Technik zu einem wirkungsvolleren und verlässlicheren Mittel zur Verstärkung der alternden Betoninfrastruktur weltweit zu machen.

Zitation: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

Schlüsselwörter: Verstärkung von Stahlbeton, basalttextilbewehrter Mörtel, textilbewehrter Mörtel, Biegeverhalten von Trägern, strukturelle Nachrüstung