1 Allgemeines – Durch die Zugabe von Stahlfasern zum Beton soll die Zugfestigkeit des Betons erhöht, die Rissbildung aus Eigen- und Zwangsspannung weitestgehend vermieden und bei unvermeidbaren Rissbildungen die Übertragung von Zugbeanspruchungen über die Rissufer hinweg ermöglicht werden [1, 2]. Wie bei jedem Verbundwerkstoff kommt es auch beim Stahlfaserbeton wesentlich auf die Haftung an der Grenzfläche zwischen der Faser und der Mörtelmatrix an. Bei kurzen Fasern kann bei hoher Belastung ein Herausziehen (Pull-Out) der Faser aus der Matrix auftreten. Dies bedeutet, dass die Faser unterhalb ihrer Zugfestigkeitsgrenze belastet wird und damit das festigkeitssteigernde Potenzial der kurzen Stahlfaser nicht ausreichend genutzt werden kann. Ein Einsatz längerer Fasern ist aber oft nicht möglich oder von Interesse, da sich die Verarbeitbarkeit des Betons mit zunehmender Faserlänge und Faserkonzentration verschlechtert und dadurch Grenzen setzt. – Der schlechte Verbund zwischen der Mörtelmatrix und der Faser erklärt sich zum einen aus der Tatsache, dass die Stahlfasern herstellungsbedingt mit Ziehfetten und Ölen bedeckt sind. Zum anderen haftet die Matrix grundsätzlich schlecht an glatten Stahloberflächen. Beim Betonbau allgemein wird daher versucht, durch eine besondere Formgebung der Oberfläche der Bewehrung (Rippen) eine verbesserte mechanische Verbundfestigkeit zu erreichen. Im Fall von Stahlfasern ist dies nur begrenzt möglich und mit Nachteilen bei der Betonverarbeitung verbunden. Die Formgebung kann zu einem gegenseitigen Verriegeln der Fasern und zur Ausbildung von Hohlräumen führen. Von Bedeutung ist daher sowohl für speziell geformte als auch gerade Fasern eine grundsätzliche Verbesserung der Verbundfestigkeit durch eine erhöhte Grenzflächenhaftung. – 2 Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Stahlfasern – Bei dem hier vorgestellten Verfahren, welches vom Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk-, Explosiv- und Betriebsstoffe (WIWEB)entwickelt wurde, werden die Stahlfasern einer Flamme ausgesetzt, in der ein Gemisch aus aluminiumorganischen und siliziumorganische Verbindungen zusammen mit einem Brennstoff, wie z.B. Butan, verbrannt wird [3]. Die metallorganischen Verbindungen können bei guter Löslichkeit dem Brennstoff direkt oder erst der Flamme zugemischt werden. – Da Zement sowohl eine aluminatische als auch silikatische Komponente besitzt, sollten auf die Faseroberflächen aufgebrachte gut haftende Aluminiumsilikatschichten aufgrund einer ähnlichen Struktur und einer möglichen Keimbildung bei der Hydratation des Zements, zu einem verbesserten Verbund der Faseroberfläche mit der Matrix führen. Als Wirkstoff für die Flammbehandlung können Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan, Tetramethylsilan, Triethylaluminium, Trimethylaluminium oder ähnliche metallorganische Verbindungen eingesetzt werden. Die Konzentration der metallorganischen Verbindung im Trägergas beträgt ca. 1 M.-% bis 5 M.-%. – Die Fasern werden für diese Vorbehandlung durch eine Gasflamme transportiert bzw. fallen durch eine in einem Kamin brennende Flamme. Auf der Faseroberfläche anhaftende haftungsmindernde Adsorbate werden dabei verbrannt. Zugleich wird aus der Flamme ein poröser Mischoxidüberzug aus Aluminaten und Silikaten mit großer Oberfläche auf der Faseroberfläche abgeschieden. – Die haftfestigkeitssteigernde Oberflächenstruktur wird durch folgende, in unterschiedlichen Flammbereichen ablaufende Vorgänge erreicht: – Reinigen und Aktivieren der Oberfläche. Das Erhitzen der Stahlfasern führt zur Desorption und dem Verbrennen von Verunreinigungen. – Abscheiden eines Aerosols aus Aluminiumsilikaten aus der Flamme. – Sintern der lockeren Aluminat/Silikatschicht zu einer porösen Haftschicht. – 3 Laborversuche – Unbehandelte und behandelte Stahlfaseroberflächen wurden oberflächenanalytisch (XPS, AFM) und rasterelektronenmikroskopisch (REM) untersucht. Gegenüber der unbehandelten Faser weist die in einer Flammbehandlung beschichtete Faser eine deutlich rauere Oberflächenstruktur auf. Das Aerosol scheidet sich zunächst als faserig verteilter, lockerer Belag ab. Dieser Überzug weist noch eine unzureichende Haftfestigkeit auf dem Substrat auf und kann beispielsweise im Ultraschallbad wieder weitgehend entfernt werden. Die thermische Behandlung der Stahlfaser in der Flamme verändert diesen faserigen Überzug aber zusätzlich zu einer gesinterten Oberflächenstruktur. Diese Schicht besitzt eine hohe Haftfestigkeit. Die Dicke des gebildeten Aluminiumsilikatüberzugs liegt im Bereich von ca. 200 nm. Die Oberfläche zeigt ein hohes Maß an Porosität. Die große Oberfläche, die Porosität, die Haftfestigkeit der gesinterten Aerosolschicht und die mit der Matrix vergleichbare Zusammensetzung führen insgesamt zu einem verbesserten Verbund zwischen Matrix und Stahlfaser. – Zur Feststellung der Wirkung des Verfahrens wurden weiterhin Ausziehversuche durchgeführt. Hierzu wurde in Formen Beton (Wasserzementwert 0,6) eingefüllt und in diesen unbehandelte und mit Aluminiumsilikaten beflammte Fasern mit Durchmesser von 0,5 mm etwa 25 mm tief eingesetzt. Nach einer Lagerung von 7 Tagen bei 23 °C/50 r.F. wurde im Pull-Out-Test die Kraft gemessen, die zum Herausziehen der Stahlfasern aus der Betonmatrix nötig war. Die Ausziehgeschwindigkeit betrug 10 mm/min. – Bei dem Pull-Out-Versuch zeigten unbehandelte und behandelte Fasern ein grundsätzlich unterschiedliches Verhalten. Die Interface-Ausziehfestigkeit der unbehandelten Fasern sinkt nach dem Erreichen des Maximalwerts und Versagen der Haftung zwischen Fase und Beton schlagartig ab (Bild 1). Die Maximalkraft wird bereits bei einem sehr geringen Ausziehweg erreicht. Nach dem Versagen der Haftung ist der zu überwindende Reibungswiderstand nur noch sehr gering. Daraus resultiert eine niedrige Energieaufnahme der Faser beim Pull-Out. – Die Grenzfläche zwischen Mörtel und behandelter Faser zeigt dagegen ein völlig anderes Verhalten: Bei geringem Ausziehweg steigt die Auszugkraft wieder zunächst steil an. Danach ist im Gegensatz zur unbehandelten Faser kein Versagen erkennbar. Die Faser setzt dem Pull-Out einen hohen Reibungswiderstand mit entsprechender Energieaufnahme entgegen. Im Weg/Kraft-Diagramm bildet sich ein typisches Plateau, das erst nach längerem Weg auf ca. 30 % bis 50 % der Anfangsfestigkeit abfällt. Danach tritt bis zum vollständigen Herausziehen der Faser ein zweiter reibungsbedingter Anstieg der notwendigen Zugkraft auf (Bild 2). – 4 Zusammenfassung – Ein neues Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung von Stahlfasern führt zu einer Verbesserung des Verbunds zwischen Faser und Mörtelmatrix. Die Fasern werden dazu einer Flammbehandlung ausgesetzt, bei der durch das Verbrennen aluminium- und siliziumhaltiger metallorganischer Verbindungen und dem Abscheiden des gebildeten Aerosols eine dünne poröse Haftschicht aus Aluminiumsilikaten erzeugt wird. – Weiterführende Informationen – Wehrwissenschaftliches Institut für Werk-, Explosiv- und Betriebsstoffe (WIWEB) – Dipl.-Ing. Heinrich Dinnebier – Institutsweg 1 – 85435 Erding – Tel.: 08122/9590-3628 – Fax: 08122/9590-3602 – Email: heinrichdinnebier@bundeswehr.org – Literatur – [1] Hallein, G., Schmideder, F., Sopp, N.: „Biegezugfester faserverstärkter Mörtel und Beton – Querschnittsbericht“. LGA, Nürnberg 1987 – [2] Marsh, Henry N. Jr., (Herausgeber): ACI Committee 544 “State of the Art Report on Fiber Reinforced Concrete” – [3] Patent DE000019801610 –