Auf einen Blick
- Kunststoffabfallfasern (PWFs) erhöhen die Impact-Resistenz von selbstverdichtendem Stahlbeton (SCRC) signifikant
- Optimale Faserzugabe von 0.75 Vol% steigert maximale Reaktionskraft um bis zu 30.57%
- Durchbiegung bei Stoßbelastung reduziert sich um bis zu 46% bei optimaler Dosierung
- Konkrete Anwendungsempfehlung: ca. 6–7 kg Polymerfasern pro m³ Beton
- Achtung: Baurechtliche Zulassung für Recyclingfasern derzeit noch eingeschränkt – individuelle Nachweise erforderlich
Die Studie aus dem Jahr 2025 untersucht erstmals systematisch das Verhalten von selbstverdichtendem Stahlbeton (SCRC) mit Kunststoffabfallfasern unter niederfrequenter Stoßbelastung. Die Arbeit adressiert eine relevante Lücke in der Bautechnik, da bislang primär hochfrequente militärische Impact-Szenarien untersucht wurden, während niederfrequente Belastungen im zivilen Baubereich häufiger auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration von Recycling-Kunststoffen in Beton nicht nur ökologische Vorteile bietet, sondern auch die mechanischen Eigenschaften bei Stoßbelastung erheblich verbessert.
Experimentelle Untersuchungsmethodik
Die Forscher führten systematische Fallgewichtsversuche an insgesamt 12 Stahlbetonbalken im Labor durch. Die Probekörper wiesen einen Querschnitt von 100 mm × 150 mm bei einer Klarspannweite von 1350 mm auf. Drei Referenzbalken ohne Fasern dienten als Kontrollgruppe, während neun Balken mit verschiedenen PWF-Volumenverhältnissen (0.5%, 0.75%, 1.0%) bewehrt wurden. Die Probekörper wurden in drei Hauptgruppen unterteilt, basierend auf dem Längsbewehrungsverhältnis: Maximum (ρmax), Übergangsbereich (ρmax < ρ < ρmin) und Minimum (ρmin). Jede Gruppe umfasste vier verschiedene Volumenverhältnisse der Kunststoffabfallfasern einschließlich der Referenz.
Verbesserte mechanische Eigenschaften
Die Integration von Kunststoffabfallfasern in selbstverdichtenden Beton führte zu messbaren Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften. Besonders hervorzuheben ist die Zunahme der maximalen Reaktionskraft um 30.57% bei einer Faserzugabe von 0.75 Vol% Anteil in Kombination mit ρmax-Bewehrung. Gleichzeitig reduzierte sich die Durchbiegung in Balkenmitte um bis zu 46%. Die Steifigkeit der SCRC-Balken wurde signifikant verbessert, wobei der positive Effekt bei maximaler Längsbewehrung am deutlichsten ausgeprägt war. Die Untersuchungen zeigten zudem eine Verringerung der Maximalbeschleunigung und der Dehnungswerte, was auf eine verbesserte Energieabsorption schließen lässt.
Veränderte Rissverteilung
Ein wesentliches Ergebnis der Studie betrifft die Rissentwicklung unter Stoßbelastung. Während die Anzahl der Risse mit zunehmendem PWF-Anteil anstieg, verringerte sich die individuelle Rissbreite signifikant. Diese feinere Rissverteilung ist für die Bauwerksintegrität vorteilhaft, da breite Einzelrisse die strukturelle Integrität stärker beeinträchtigen als zahlreiche schmale Risse. Die Studienlage zeigt, dass Recycling-Kunststofffasern eine vergleichbare Duktilitätsverbesserung bewirken wie konventionelle Stahlfasern – jedoch mit ökologischem Vorteil. Untersuchungen aus früheren Arbeiten (Siddique et al. 2007, Al-Hadithi 2016) bestätigen diese Tendenz für verschiedene Betontypen.
Transferpotenzial für Maurer
Konkrete Mischungsempfehlung: Für die praktische Umsetzung empfiehlt die Studie eine Faserzugabe von 0.75 Vol%, was bei einer angenommenen Polymerfaserdichte von ca. 0.9 g/cm³ und einer Betonrohdichte von 2400 kg/m³ etwa 6–7 kg Fasern pro m³ Frischbeton entspricht. Die Fasern werden direkt im Mischer zugegeben – eine homogene Verteilung ist durch die Selbstverdichtungseigenschaften des SCC gewährleistet.
Bezugsquellen: Polymerfasern aus Recyclingmaterial sind über spezialisierte Baustoffzulieferer erhältlich (z.B. Propex Global, Sika, Bekaert). Für baurechtliche Anwendungen sollten Maurer auf Fasern mit europäischer CE-Kennzeichnung und Deklaration nach DIN EN 14889-2 zurückgreifen.
Anwendungsgebiete: Besonders geeignet sind Bauteile mit erhöhter Stoßbelastung wie Industrieböden, Parkhausdecken, Brückenelemente und Schutzkonstruktionen. Auch Fundamente für Maschinen mit dynamischen Lasten profitieren von der verbesserten Impact-Resistenz.
Normenkonformität und Zulassungsstatus: Kunststofffasern für Beton sind grundsätzlich in DIN EN 14889-2 (Fasern für Beton – Teil 2: Polymerfasern) genormt. Für baurechtlich geregelte Anwendungen ist jedoch zu beachten: Recyclingfasern aus Abfallströmen benötigen in der Regel eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) oder eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE). Primärkunststofffasern sind bereits in vielen europäischen Ländern zugelassen. Maurer sollten vor der Anwendung Klärung beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) oder der zuständigen Bauaufsichtsbehörde einholen.
Verarbeitungshinweise: Selbstverdichtender Beton erfordert keine externe Verdichtung. Bei der Faserzugabe ist auf eine langsame Dosierung im Mischer zu achten, um Faserknäuelbildung zu vermeiden. Eine Mischzeit von mindestens 60 Sekunden nach Faserzugabe wird empfohlen.
Wirtschaftlichkeit: Polymerfasern aus Recyclingmaterial sind im Allgemeinen kostengünstiger als Stahlfasern (Polypropylenfasern ca. 2–4 Euro/kg gegenüber Stahlfasern ca. 1,50–2,50 Euro/kg). Aufgrund der deutlich geringeren Dichte von Polypropylen (ca. 0,9 g/cm³) gegenüber Stahl (ca. 7,8 g/cm³) ergeben sich jedoch geringere Materialmengen pro Volumeneinheit. Bei Volumenprozent-Angaben ist dieser Dichteunterschied bereits berücksichtigt. Der wirtschaftliche Vorteil der Recycling-Polymerfasern liegt primär in der ökologischen Bilanz, der einfacheren Verarbeitung (keine Korrosionsgefahr, kein magnetisches Verhalten) und der Verfügbarkeit als Nebenprodukt der Kunststoffaufbereitung.
Fazit
Die Integration von Kunststoffabfallfasern in selbstverdichtenden Stahlbeton zeigt im Labormaßstab signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften unter Stoßbelastung. Für die baupraktische Anwendung sind eine Dosierung von 0.75 Vol% (ca. 6–7 kg/m³) und die Beachtung der Zulassungsanforderungen nach DIN EN 14889-2 zu empfehlen. Der Transfer in die Praxis erfordert jedoch weitere Feldversuche und baurechtliche Klärungen. Maurer sollten bei Projekten mit dynamischen Lasten und Nachhaltigkeitsanforderungen alternative Faserbewehrungen in Betracht ziehen und frühzeitig Kontakt zu Zulieferern und Bauaufsicht aufnehmen.
Quellen
- Primär: The role of plastic waste fibers in the behavior of reinforced concrete beams subjected to low‐velocity impact loads (2025). https://doi.org/10.1002/suco.70511
- Siddique, R., et al.: Use of recycled plastic in concrete: A review (2007). Waste Management 28(10), 1835–1852.
- Al-Hadithi, A.I.: The possibility of enhancing some properties of self-compacting concrete by adding waste plastic fibers (2016). Journal of Building Engineering. Work ID: W2467569107
- Experimental and numerical investigations of low velocity impact behavior of high-performance fiber-reinforced cement based composite (2009). Work ID: W1983111115
- Dynamic behavior of reinforced concrete beams under varying rates of concentrated loading (2012). Work ID: W2133949040
- Failure behaviors of reinforced concrete beams subjected to high impact loading (2015). Work ID: W1987850040
- DIN EN 14889-2: Fasern für Beton – Teil 2: Polymerfasern – Definitionen, Anforderungen und Konformität. Beuth Verlag.