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25.02.2015 | Baustoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Fasern im Beton von Tunneln helfen gegen Feuerschäden

Autor:
Christoph Berger

Beobachtungen haben gezeigt, dass bei Tunnelbränden die Temperatur schnell drastisch ansteigt. Während der Rauch bei derartigen Katastrophen eine unmittelbare Gefahr für den Menschen darstellt, ist es die Hitze für den Beton.

Bei Tunnelbränden kann die dabei entstehende Hitze kaum entweichen. Durch sie entsteht im Beton des Tunnels Wasserdampf. Der dabei entstehende Druck entweicht zwar anfangs in die Hohlräume des Materials, doch ab einem bestimmten Grad ist er so groß, dass Stücke des Betons einfach abplatzen. So nimmt die Dicke des Betons und damit auch seine Tragfähigkeit ab. Dies führt wiederum dazu, dass der Tunnel einstürzen kann und spätere Sanierungsarbeiten gefährdet werden.

Verhindern lässt sich dies durch die Zumischung von Polypropylen-Fasern. So heißt es im Kapitel „Wirkung unterschiedlicher Fasern und Fasergehalte auf das Verhalten ultrahochfester Betone (UHPC) bei hohen Temperaturen“ des Springer Fachbuchs „Baustoff und Konstruktion“: „Bei erhöhter Temperaturbeanspruchung besteht bei hoch- und ultrahochfesten Betonen (UHPC) das Risiko explosiven Abplatzens.“ Polypropylen-Fasern (PP) hätten sich in den hoch- und ultrahochfesten Betonen bewährt, um das Risiko explosiven Abplatzens zu vermindern und damit den Brandwiderstand zu verbessern.

PP-Fasern geben Porenraum frei

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Allerdings, auch dies schreiben die Autoren des Buchs im Kapitel „Brandverhalten von ultrahochfestem Beton“, handelt es sich bei dieser Annahme noch um Theorie. Sie geben an, dass der Schutzmechanismus, der durch die PP-Fasern aktiviert wird, noch nicht abschließend erklärt werden kann: „Die größte Akzeptanz findet der Ansatz, dass die PP-Fasern bei Temperaturen oberhalb von 160 Grad Celsius schmelzen und Porenraum freigeben, in dem der Druck aus dem verdampfenden freien und gebundenen Wasser des Zementsteins abgebaut werden kann.“ Aus strukturmechanischer Sicht sei jedoch auch eine weitere Theorie nachvollziehbar. Nach der fügen die PP-Fasern dem Gefüge Mikrorisse zu, die sich bei schneller Erwärmung ausweiten und zum Abbau der Eigenspannungen führen.

Nichts desto trotz können Polymerfasern laut dem Kapitel „Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau“ des Springer-Fachbuchs „Handbuch für Bauingenieure“ für die Herstellung von Beton als Zusatzstoff verwendet werden – dies sei in DIN EN 14889 Teil 1 beziehungsweis Teil 2 geregelt. In Deutschland würden Polymerfasern jedoch einen eigenen Verwendbarkeitsnachweis in Form einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung benötigen.

Was passiert bei der Hitzebildung im Beton?

Doch was passiert nun eigentlich im Inneren des Betons bei der Hitzebildung? Dieser Frage gingen Ingenieure der Technischen Universität München(TUM) nach und haben dabei einen Weg gefunden, dies zu messen. Denn wie genau die Kunstfasern das Verhalten des Betons bei einem Feuer beeinflussen, war bisher unklar.

Die TUM-Wissenschaftler entwickelten in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart und der MFPA Leipzig GmbH eine Methode, um ins Innere des Betons zu schauen.

Dazu legten sie eine Betonplatte wie einen Deckel auf einen nach oben offenen Prüfofen. Auf der Oberseite der Platten installierten sie Schallemissions-Sensoren. Der Beton wurde von unten befeuert und auf bis zu 1.300 Grad Celsius erhitzt.

Knack-Geräusche geben Aufschluss über den Ursprung

„Bei der Schädigung im Beton entsteht eine Art Knack-Geräusch", berichtet Ronald Richter, Doktorand am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der TUM. Die akustische Welle werde im Material übertragen und könne von außen gemessen werden. Da man mehrere Sensoren auf dem Beton angebracht hatte, war es möglich, den genauen Ursprung der Geräuschquelle zu bestimmen.

So gelang es, zum ersten Mal den zeitlichen Verlauf der Schädigung während eines simulierten Tunnelbrandes messtechnisch zu verfolgen: Bei den Betonplatten ohne PP-Fasern wurden über zehn Mal so viele Schallemissions-Ereignisse gemessen als bei den Platten, die PP- Fasern enthielten.

Die Wissenschaftler wollen nun ihre Messmethode weiter verfeinern und validieren, um in nächsten Schritten verschiedene Betonmischungen in Bezug auf ihr Verhalten im Brandfall miteinander zu vergleichen – und zu optimieren.

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