Stahlbeton ist eine Verbindung aus zement-basierter Mineralienmischung und einer Bewehrung aus Stahl, um der mineralischen Komponente die fehlende Zugstabilität zu geben.

Dieser Umstand führt dazu, dass die mineralische Komponente Druck aufnehmen kann, ohne zu brechen oder durch statische oder dynamische Last zu versagen. Erst dadurch wird das Material fähig im Baubereich für den Bau von Gebäuden, Brücken und anderen Bauwerken und deren Bauteile, wie zum Beispiel fix-fertig fabrizierte Träger, Wände, Decken, Böden oder auch Bahnschwellen eingesetzt zu werden.

Die Verbindung funktioniert deshalb hervorragend unter sich ändernden Temperaturverhältnissen, denen Bauwerke im Betrieb in der Regel ausgesetzt sind, weil die Temperaturausdehnungskoeffizienten mit ca. 10-12 x 10 ⁶ m/K von Stahl und Beton quasi identisch sind.

Aus verschiedenen Gründen hat die Stahleinlage ihre Grenzen, einerseits, was die Langlebigkeit betrifft, andererseits ist Stahl wegen der hohen C0 ₂ - Emissionen bei der Herstellung von Rohstahl als Massenanwendung in die Kritik der Klimaforschung geraten, da etwa 50% allen produzierten Stahls heute im Bausektor in Form von Bewehrungsmaterial für Beton verwendet wird.

Im Unterschied zum Stahl können auch andere zugstabile Materialien als Bewehrung zum Einsatz kommen, die weniger energie- und C0 ₂ -intensiv sind, die hervorragende Pass-Form der Eigenschaften von Stahl mit dem Beton sind jedoch mit anderen Materialien schwer zu erreichen.

Aus diesem Grund geht die hier vorgeschlagene Erfindung einen Schritt weiter, um Materialien einen Weg zu bereiten Stahl in Betonstrukturen zu ersetzen und dabei umweltfreundlicher zu werden, ohne disruptiv gleichzeitig zu viele Industrien in Frage zu stellen, um das C0 ₂ - Problem zu lösen.

Zunächst soll nur der Stahl als Bewehrung für Beton ersetzt werden. Die Erfindung basiert auf den vorausgegangenen zum Patent erteilten Erfindungen Fasermaterialien zu nutzen um Steinmaterialien aller Art zu stabilisieren. Hierbei handelt es sich um die EP 106 20 92, in der beschrieben wird, wie Steinmaterialien so, wie sie die Natur hervorbringt, durch die Bewehrung mit Hilfe von Carbonfasem flexibilisiert werden können. Stein und Carbon haben die perfekt passenden Eigenschaften, um in einem weitem Temperaturbereich stabil zu bleiben, ohne sich zu trennen. Die weitergehende Erfindung EP 08 850 003.8 beschreibt, warum das funktioniert. Die Porosität des Steins gleicht die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten durch die Volumenkomprimierbarkeit aus, solange der Stein unter Druck- Vorspannung steht. Dies äußert sich in Form von Flexibilität.

Die hier beschrieben neue Erfindung geht einen Schritt weiter und betrachtet die Elastizitäts-Module verschiedener Materialien nicht nur unter Druck, sondern auch unter Zugbelastung, da zum Beispiel Naturstein eine viel höhere Zugbelastbarkeit hat, als Zement oder Beton. Naturstein zum Beispiel hat nicht nur ein spezifisches Gewicht gleich dem von Aluminium, was überrascht, noch überraschender ist, dass er in etwa auch die gleiche Steifigkeit bzw. Elastizitätsmodul hat, je nach Granitsorte zwischen 40 und 90GPa. Reines Aluminium liegt bei 70GPa.

Diese relativ hohe Flexibilität ist ohne Bmch nutzbar, solange im Druckbereich die Druckbelastbarkeitsgrenze und im Zuglastfall die Zugbelastbarkeitsgrenze des Steins nicht überschritten wird. Die hier genutzte Erkenntnis beinhaltet, dass der Stein nicht nur volumenkomprimierbar ist, so wie in der EP 08 850 003.8 beschrieben, sondern innerhalb seiner Streckgrenzen auch volumenexpandiert werden kann, ohne zu brechen.

Mit dieser inhärenten Flexibilität ausgestattet, wird der Stein zum Mediator von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, da er einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der zum Beispiel genau zwischen dem von Carbon und Beton liegt. Das gleiche gilt aber damit auch für Stahl. Der Stein kann also nicht nur der Mittler zwischen Beton und Carbonfasem dienen, sondern auch als Mediator zwischen Carbonfasem und Stahl. Diese Eigenschaft wird zum Beispiel für die Sanierung von Brücken interessant, nicht nur solchen aus Beton, sondern auch solchen aus Stahl. Damit wird der Stein zum Mittler der Verbindung von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Temperatur-ausdehnungskoeffizienten, der aufgrund seiner Volumenkomprimierbarkeit unter Druck, und der relativ hohen Dehnbarkeit unter Zug, die durch die Faser kontrolliert wird, die Kraftübertragung meistert, ohne Haarrisse zu bilden, auch und insbesondere dann nicht, wenn große Temperaturwechsel die Verbindung mechanisch beanspruchen. Damit wird es möglich Carbon-Langfasem in Beton- und Stahlstrukturen zu bringen, ohne dass der Gesamtverbund sich an irgendeiner Stelle von seinem jeweiligen Verbundpartner im Fall von großen Temperaturänderungen löst. Der Ausdehnungskoeffizient von Carbon-Langfasem liegt bei etwa 1 x 10 ⁶ m/K und der von Beton je nach Betonsorte zwischen 10 bis 12 x 10 ⁶ m/K. Wählt man den Stein-Mediator mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen 5 und 6 x 10 ⁶ m/K liegt, was bei den meisten Natursteinen der Fall ist, ist es möglich den Beton in einem Temperaturbereich zwischen -40°C und 80°C zu stabilisieren, ohne dass an irgendeiner Grenzschicht Überlasten durch unterschiedliche Längenänderung entstehen, die zum Abreißen der Haftverbindungen zwischen den Materialien führt. Damit ist die dauerhafte Verbindung zwischen Carbon-Langfasem und Beton oder Stahl hergestellt.

Die vorgeschlagene Verbindung ist unter anderem auch einsatzfahig für die Sanierung von Brücken aus Beton oder Stahl, die durch einen aufgeklebten Untergurt aus Stein-Carbon wieder dauerhaft haltbar gemacht werden können.

Abbildungen 1 und 2 zeigen ein Betonmodul (1), welches mit einem Streifen aus faserbeschichtetem Granit (2) stabilisiert ist, wobei die Carbon- Faserschicht (3), die zwischen den beiden Steinschichten angeordnet ist, keinen oder kaum direkten Kontakt zum Beton hat. Die Dicke der Steinschicht bestimmt den Temperaturbereich, in dem eine Ablösung der Schichten dem Stress der sich unterschiedlich ausdehnenden Materialien nicht überschritten wird. Der verträgliche Temperaturbereich ist umso grösser, je grösser das Verhältnis der Stärke der Steinschichten in Relation zur Stärke der Carbonschicht. Die Carbonschicht wird an den Stirnflächen gegebenenfalls durch einen elastischen Abstandhalter (4) in der Nut (5) getrennt, um auch an diesem Punkt den Abriss der Materialien Carbon und Beton zu vermeiden, der ein Ausgangspunkt für fortschreitende Schädigung sein könnte. Durch eine entsprechende Wellung der Carbon-Stein-Struktur und die damit mögliche Streckung der Carbonstruktur kann der unkritische Temperaturbereich stark erhöht und der Kraftschuss zwischen Stein und Beton in unterschiedlichen Spannungszuständen optimiert werden.

Abbildung 3 zeigt den Querschnitt einer flächige Anordnung, wie zum Beispiel einer Wand, in der die Betonstruktur (1) in zwei mit Carbon (2) beschichtete Steinplatten (3) eingeschlossen ist. Auch hier wird der direkte Kontakt zwischen Beton und Carbon-Langfaser durch eine entsprechend stark ausgelegte Steinschicht mechanisch getrennt.

Abbildung 4 zeigt die gleiche Struktur wie Abbildung 3, jedoch mit einer weiteren Schicht (4) aus Stein, welche die Carbonschicht vor Witterungseinflüssen und UV-Licht schützt.

Abbildung 5 zeigt einen Balken aus Stahl (1) mit einer untergeklebten Schicht aus Stein (2) und einer ebenfalls darunter durch Klebung befestigten Schicht Carbonfasem (3). Der Stahlträger (1) kann sich bei Temperaturänderung durch die hohe Elastizität eines geeigneten Steinmaterials ausdehnen, ohne dass die Carbonschicht sich vom Stein ablöst und ohne dass sich der Stahlbalken biegen muss, wenn er zum Beispiel im Fall eines Auflagers an beiden Enden durch sein Eigengewicht eine Biegekraft in die entgegengesetzte Richtung erfahrt. Durch die die Ausdehnung das Stahlteils ausgleichende Steinschicht kann der Stahlbalken gerade bleiben, ohne von der stabilisierenden Carbonschicht abzureißen.

In allen Fällen können die matrixgebundenen Lang-Faserschichten aus Carbonfasem, Glasfasern oder Steinfasem, oder einem Gemisch aus diesen Fasern bestehen und idealerweise das Steinmaterial unter Vorspannung halten, so wie in der EP 08 850 003.8 beschrieben. Idealer Kraftschluss zwischen Zement und Stein ist dann hergestellt, wenn der Stein eine rauhe Oberfläche hat und idealerwiese keine vollständig lineare Form aufweist, also etwa in regelmäßigen Abständen auf beiden Seiten oder den Oberflächen Nuten aufweist und/oder gegebenenfalls eine Wellenform besitzt, die den Kraftschluss zwischen Stein und Beton erhöht und eine Streckung der Faser erlaubt. Die Matrix, welche die Verbindung zwischen den Fasern und dem Steinmaterial schafft, besteht entweder aus Kunstharzen oder Wasserglas- basierten Bindemitteln, auch hier ist eine rauhe Steinoberfläche hilfreich. Als Fasern kommen alle hoch-zugfesten Lang-Fasern zum Einsatz, die für die Bewehrung von Beton als Ersatz von Stahl in Frage kommen, dazu gehören insbesondere Carbonfasem, jedoch auch hochsteife Glasfasern und Steinfasem oder unter Umständen auch Naturfasern oder ein Gemisch aus diesen Fasern.

Wenn die Carbonfasem oder auch Hanffasem aus Biomasse hergestellt werden und damit eine negative C0 ₂ Bilanz aufweisen, dann kann dem Klimaschutz zugearbeitet werden, indem Stahl mit einer positiven C0 ₂ - Bilanz ersetzt wird. Idealerweise kommen hier dann auch zementbasierte Materialien zum Einsatz, die geringe C0 ₂ -Emissionen verursachen oder künftig für die Dauer des Lebenszyklus auch C0 ₂ -negativ hergestellt sind.