Kohlefasern als ‚Pflaster‘: Minimalinvasive Verstärkung für Brücken und Gebäude

Im täglichen Leben verwenden wir Pflaster zur Behandlung kleiner Schnittwunden und Schürfwunden – einfach und praktisch. Doch mittlerweile, wenn Brücken feine Risse in ihren Trägern entwickeln und die Wände alter Gebäude im Laufe der Zeit nachlassen, taucht ein scheinbar leichtes Material als „Hauptkraft“ bei der strukturellen Verstärkung auf. Auch die Ingenieurtechnik hat eine ähnliche ‚Pflaster-Lösung‘ übernommen – Kohlefasergewebe – das durch minimalinvasive Methoden stillschweigend die Brücken und Gebäude um uns herum verstärkt.
Herstellungsverfahren für unidirektionales Gewebe

Unidirektionales Kohlefasergewebe ist ein häufig verwendetes Material in Kohlefaserverstärkungsprojekten. Der Herstellungsprozess umfasst hauptsächlich die Anordnung, Fixierung und Formgebung von Kohlefasern, wobei das zentrale Ziel darin besteht, sicherzustellen, dass die Fasern ordentlich in eine einzige Richtung (typischerweise längs) ausgerichtet sind und gleichzeitig hohe Festigkeitseigenschaften beibehalten. Die genauen Schritte sind im Großen und Ganzen wie folgt:

Schritt eins: Vorbereitung der Kohlefasern
PAN-basierte Vorläuferfilamente aus Kohlenstofffaser (der marktübliche Standard) werden aus Polyacrylnitrilfasern durch Veroxidations- und Carbonisierungsprozesse hergestellt. Diese Filamente weisen einen Durchmesser von 5–7 Mikrometern auf und besitzen eine außergewöhnlich hohe Zugfestigkeit.
Schritt zwei: Warping-Prozess
Mithilfe der Warping-Maschine werden Tausende bis Zehntausende Kohlenstofffasern parallel zueinander und gleichmäßig in Kettlagen angeordnet. Spannung und Ausrichtungsgenauigkeit werden streng kontrolliert, um einseitige Eigenschaften sicherzustellen und seitliches Verdrehen zu verhindern.
Schritt drei: Weben / Fixieren
Durch die Verwendung extrem feiner Querfasern (wie Glasfaser oder Nylon) werden die Längsfäden durch Weben oder Verkleben fixiert. Beim Weben werden die Schussfäden mit geringer Dichte (einige Fäden pro Zentimeter) in die Kettfäden eingeflochten, wodurch eine „enge Kette, lockere Einschuss“-Struktur entsteht, die eine Verstärkung ermöglicht, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Alternativ kann eine Epoxidharz-Emulsion verwendet werden, um das Material zu einem schusslosen Gewebe zu verbinden, obwohl das Weben nach wie vor die gebräuchlichere Methode ist.
Schritt vier: Oberflächenbehandlung
Entfernen Sie Verunreinigungen, erhöhen Sie die Oberflächenrauheit oder tragen Sie ein Haftvermittler auf, um die Haftung zum Klebstoff zu verbessern und die Verträglichkeit mit dem Harz zu erhöhen.
Schritt fünf: Fixieren und Aufwickeln
Nach dem Trocknen und Fixieren durchläuft das Produkt eine Qualitätsprüfung und Verpackung, um das fertige Endprodukt zu bilden. Bei diesem gesamten Prozess steht die Maximierung der hohen Festigkeit der longitudinalen Kohlefasern im Vordergrund, wobei die Querfasern lediglich eine Hilfsbefestigungsfunktion erfüllen.

Das Kernstück des gesamten Prozesses liegt in der sicherstellenden parallelen Ausrichtung und der hohen Zugfestigkeit der longitudinalen Kohlefasern, wobei die transversalen Fasern lediglich eine Hilfsbefestigungsfunktion übernehmen. Folglich nutzt einachsiger Kohlefasergewebe die Zugeigenschaften der Kohlefaser entlang ihrer Längsachse vollständig aus und eignet sich daher hervorragend für Anwendungen in der strukturellen Verstärkung, wo Zugspannungen auftreten.

Verstärkungsprinzipien
Kohlefasergewebe wird mithilfe eines kompatiblen Harzklebstoffs auf die Tragstruktur aufgebracht und bildet einen Verbundwerkstoffkörper (CFRP), der gemeinsam mit der ursprünglichen Struktur wirkt. Aufgrund der außergewöhnlich hohen Zugfestigkeit (ca. das Zehnfache von Stahl) ist das Kohlefasergewebe über den Harzklebstoff fest mit dem Beton verbunden. Dadurch werden äußere Lasten auf das Kohlefasergewebe übertragen, wodurch dessen hochfeste Eigenschaften genutzt werden, um die Widerstandsfähigkeit der Struktur gegenüber Biege- und Scherkräften sowie seismischen Belastungen zu erhöhen und gleichzeitig die Rissausbreitung zu hemmen.

Bauprozess

Schritt eins: Oberflächenvorbereitung
Die Betonoberfläche reinigen, lose Schichten und Ölflecken abschleifen, um eine glatte Grundfläche zu schaffen.
Schritt zwei: Aufbringen des Epoxidgrundiermittels
Eine Schicht Grundierung auf den Beton auftragen, um eine sichere Haftung des Gewebes zu gewährleisten.
Schritt drei: Aufbringen des Kohlefasergewebes
Tauchen Sie das vorgeschnittene Kohlefaser-Gewebe in Epoxidharz und bringen Sie es auf den Bereichen auf, die eine Verstärkung benötigen (wie zum Beispiel Balkenunterseiten, Säulen, Bodenplatten und Brückenstege).
Schritt vier: Walzenverdichtung und Entlüftung
Mehrfach mit einer Rolle andrücken, um sicherzustellen, dass das Klebemittel gleichmäßig in die Fasern eindringt und Luftblasen verdrängt werden, ähnlich wie man einen Pflasterverband fest andrückt.
Schritt fünf: Aushärten und Pflege
Sobald das Klebemittel ausgehärtet ist, sind das Kohlefaser-Gewebe und der Beton miteinander verbunden und bilden eine außergewöhnlich feste äußere Schicht.

Verstärkungseigenschaften

Erhöhung der Tragfähigkeit: Auf die Unterseite von Balken aufgebracht → verbesserte Biegefestigkeit; auf Säulen aufgebracht → erhöhte Druckfestigkeit und bessere Erdbebenwiderstandsfähigkeit.

Risskontrolle: Das Kohlefaser-Gewebe verhindert ein weiteres Aufreißen des Betons, ähnlich wie ein Pflaster eine Hautwunde davor schützt, sich zu verschlimmern.

Verlängerte Lebensdauer: Korrosionsbeständig, im Gegensatz zu Stahl, der rostet, wodurch es besonders geeignet für Umgebungen wie Brücken ist, die langfristiger Belastung ausgesetzt sind.

Leichtgewichtig und effizient: Schnelle Baugeschwindigkeit, erfordert keine schweren Maschinen und verursacht kein nennenswertes zusätzliches strukturelles Gewicht.

Warum ist Kohlefasergewebe zur neuen Wahl für Verstärkungen geworden?

Im Vergleich zu herkömmlichen Verstärkungsmethoden wie Stahlplattenverstärkung oder Querschnittsvergrößerung bietet Kohlefasergewebe deutliche Vorteile:

Durch seine geringe Masse verursacht es praktisch keine zusätzliche Belastung der ursprünglichen Struktur. Mit einem Gewicht von weniger als 300 Gramm pro Quadratmeter verändert es die Lastverteilung des Gebäudes nach anwendung minimal, wodurch es besonders geeignet für die Verstärkung von gewichtsempfindlichen Strukturen wie alten Gebäuden und Brücken ist.

Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit ist ein stabiles Verhalten in rauen Umgebungen gewährleistet. Ob Salzsprühkorrosion auf Küstenbrücken oder feuchte Bedingungen in Kellerstützen und -wänden – Carbonfasergewebe behält seine gleichbleibende Leistung bei einer Nutzungsdauer von mehr als 50 Jahren bei.

Die effiziente Montage verkürzt die Projektlaufzeiten erheblich. Da keine schweren Maschinen erforderlich sind – lediglich manuelle Anwendung – dauert die Verstärkung eines tausend Quadratmeter großen Gebäudes in der Regel nur 1–2 Wochen, was deutlich kürzer ist als bei herkömmlichen Methoden.