Während die Welle der Vorfertigung die Welt erfasst, wird die "übermäßige Stärke und unzureichende Zähigkeit" von Betonfertigteile (PC) war schon immer ein Problem in der Branche. Das Aufkommen von Kohlefaser, der „schwarze Magier“, lässt Balken, Platten und Säulen von „zerbrechlichen Haien“ zu „seismischen Eisenmännern“ werden.

Problempunkt: Warum können herkömmliche PC-Komponenten nicht „mithalten“?

Sprödbruch: Normaler Beton ist druckbeständig, jedoch nicht zugfest und bricht bei Biegung oder Aufprall leicht sofort.

Korrosion von Stahlstangen: Durch die Erosion durch Chloridionen in Küstengebieten oder Chemieanlagen kommt es vermehrt zu „inneren Verletzungen“ herkömmlicher Stahlstangen.

Gewichtsschäkel: Eine Vergrößerung des Querschnitts zur Erhöhung der Tragfähigkeit erhöht die Transport- und Hebekosten.

Die Reparatur nach einem Erdbeben ist schwierig: Sobald der Knotenbereich Risse aufweist, ist der Reparaturzyklus vor Ort im Nassverfahren langwierig, was die Wiederaufnahme der Arbeiten verzögert.

Vier disruptive Rollen von Carbonfasern

Interne Zugabe von „Kurzfasern“ – „Bänderrekonstruktion“ für Beton

• Mechanismus: Durch Zugabe von 0,2–0,8 % kurzgeschnittener Kohlenstofffaser entsteht eine dreidimensionale, zufällige Stützstruktur in der Matrix. Bei Rissbildung überbrückt die Faser die Spannung, wodurch die Schlagzähigkeit um das Zwei- bis Vierfache erhöht wird.

• Szenario: Vorgefertigte Treppen, U-Bahn-Rohrsegmente, Antikollisionsgeländer und andere Komponenten, die stoßfest sein müssen.

• Daten: Vorgefertigte Träger mit 0,4 % hinzugefügter Kohlefaser weisen im Fallhammertest eine um 35 % geringere Durchbiegung in der Spannweite und eine um 50 % geringere Rissbreite auf.

Äußeres „CFK-Gewebe“ – „unsichtbare Panzerung“ mit 10-facher Festigkeit gegenüber Stahlstäben

• Mechanismus: CFK-Gewebe mit einer Zugfestigkeit von ≥3000 MPa wird mit Epoxidkleber auf die Zugfläche des Bauteils geklebt, um ein sekundäres Kraftsystem zu bilden, das die Biegetragfähigkeit um 30–50 % erhöhen kann, ohne den Querschnitt zu vergrößern.

• Szenarien:

– Schnelle Verstärkung alter vorgefertigter Hohldecken;

– Erdbebensicherung vorgefertigter Brücken (z. B. durch Umwickeln des Kunststoffscharniers von Pfeilern mit CFK-Gewebe).

• Fall: Nachdem zwei Lagen CFK-Gewebe an der Unterseite des vorgefertigten Hohlkastenträgers einer bestimmten Überführung angebracht wurden, konnte die maximale Tragfähigkeit auf das 1,45-fache des ursprünglichen Entwurfs wiederhergestellt werden.

Vorgefertigte „CFK-Stäbe/Gitter“ – „Super-Stahlstäbe“, die niemals rosten

• Mechanismus: Die Verwendung von CFK-Stangen als Ersatz für herkömmliche Stahlstangen weist eine Dichte von nur 1/5 der von Stahl auf, hat jedoch eine Zugfestigkeit, die zehnmal höher ist als die von Stahl, und ist beständig gegen Chloridionenkorrosion.

• Szenarien:

– Vorgefertigte Außenwandpaneele für Küstendocks und LNG-Lagertanks;

– Vorgefertigte Brückenplatten, die in kalten Höhenlagen vor Salzkorrosion geschützt werden müssen.

• Wirtschaftlich: Die Kosten für den gesamten Lebenszyklus werden um 30 % reduziert, da keine spätere Korrosionsschutzbeschichtung erforderlich ist.

Intelligente „Wahrnehmungsschicht“ – lassen Sie die Komponenten ihren eigenen „Gesundheitscheck“ durchführen

• Mechanismus: Die gleichmäßig verteilten kurzen Kohlenstofffasern bewirken, dass sich der spezifische Widerstand des Betons linear mit der Belastung ändert, wodurch eine Selbstdiagnose von Rissen ermöglicht wird.

• Szenarien:

– Vorgefertigte integrierte Rohrkorridore, Echtzeitüberwachung der Setzung;

– Vorgefertigte Außenwandpaneele für Gebäude, schnelle Beurteilung des Schadensausmaßes nach einem Erdbeben.

Inwieweit hat sich die Haltbarkeit vorgefertigter Komponenten verbessert, nachdem sie mit Kohlefaser „gepanzert“ wurden? Wir haben offensichtliche Datenvergleiche, die sich hauptsächlich in zwei Aspekten widerspiegeln;

1. Quantitative Indikatoren für verbesserte Haltbarkeit

Rissbreite: Nach der Verstärkung mit CFK-Gewebe verringerte sich die Rissausdehnungsrate um 60–75 %, nach 120 Trocken-Nass-Zyklen verringerte sich der Spannungsintensitätsfaktor an der Rissspitze um 50 %.

Korrosion von Bewehrungsstäben: Nachdem CFK-Stäbe/Gitter die Stahlstäbe ersetzt hatten, verringerte sich der Chloridionen-Permeabilitätskoeffizient um eine Größenordnung, und die Korrosionsrate der Stahlstäbe war <0,01 mm/Jahr.

Frost-Tau-Zyklus: Nach 300 Schnellfrost-Tau-Tests (FT) betrug die Beibehaltung der Haftfestigkeit an der CFK-Beton-Grenzfläche ≥ 85 %, während die unbewehrten Proben nur 50 % aufwiesen.

UV-Alterung: Nach kontinuierlicher Bestrahlung mit einer UV-A 340 nm Lampe für 1000 h betrug die Zugfestigkeitsabschwächung des CFK-Gewebes <5 %, was viel besser ist als die 20 % Dämpfung von epoxidbeschichteten Stahlstäben.

2. Umweltanpassungsfähigkeit: Leistung unter extremen Arbeitsbedingungen

Hohe Temperatur und hohe Luftfeuchtigkeit (40 °C, RH 95 %)

Nach 3000 h verringerte sich die Scherfestigkeit der CFK-Beton-Grenzfläche um <8 %, erfüllt die 30-Jahres-Äquivalentanforderungen von JTG/T J22-2011 für heiße und feuchte Umgebungen.

Salzsprühnebel + Trocken-Nass-Zyklus (NaCl 5 %, 120 Zyklen)

Die Haftfestigkeit von herkömmlichem Stahlbeton verringerte sich um 50 %, während die Festigkeit der mit CFK verstärkten Probe nur um 12 % abnahm.

Frost-Tau-Verfahren + Tausalz (-18 °C ↗ +5 °C, 300 Zyklen)

Die Bruchlast der CFK-Gewebeprobe verringerte sich um <10 %, während die von normalem Beton um 35 % zurückging.

Daher sind Kohlenstofffasern nicht einfach „teurere Stahlstäbe“, sondern der Schlüssel zur Entwicklung von Betonfertigteilen von der „passiven Tragfähigkeit“ zur „aktiven Sensorik“. Wer diesen Schlüssel zuerst beherrscht, kann im roten Ozean der Fertighäuser einen blauen Ozean mit hoher Wertschöpfung erschließen.