C3-B1: Beschichtungen und Bewehrungsstrukturen für den Carbonbetonbau
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Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Verbund zwischen Carbon und Beton
Querschnitt eines ungleichmäßig getränkten Carbonrovings, zu sehen an den Ansammlungen der polymeren Tränkung (graue Bereiche), was zu erhöhter Wasseraufnahme führt.
Als korrosionsunempfindliche, dauerhaftere und tragfähigere Ergänzung zur bekannten Betonbauweise mit Stahlbewehrung werden Bewehrungen aus Carbonfasern untersucht. Zusammengefasst zu Rovings – Bündeln aus vielen Tausend Endlosfasern –, zu offenmaschigen textilen Gelegen verarbeitet und anschließend zur Optimierung mit einer Polymertränkung versehen, können die Fasern effektiv zum Lastabtrag im Beton eingesetzt werden. Es entsteht der Verbundwerkstoff Carbonbeton. Da dieser aufgrund der Vielzahl seiner Komponenten ein sehr komplexer Baustoff ist, bleibt auch nach Jahren der Entwicklung die Wechselwirkung zwischen den Bestandteilen ein zentrales Thema der Carbonbetonforschung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Verbund zwischen Gelege und Beton.
Bisher konnten bereits verschiedenste Einflussfaktoren auf das Verbundverhalten zwischen polymergetränkten Carbonrovings und hydraulisch gebundenen Matrices identifiziert werden. Dazu gehören u. a. die Querschnittsform der Rovings sowie globale und lokale Abweichungen von der gestreckten Rovinglage, die durch die textile Verarbeitung entstehen. Im Hinblick auf die Temperaturstabilität wird v. a. die chemische Zusammensetzung der Polymertränkung maßgebend.
Innerhalb des C3-Basisvorhabens C3-B1 wurde nun das Verbundverhalten von textilen Gelegen mit verschiedensten Polymertränkungen bei Temperaturen zwischen 20 °C und 80 °C untersucht. Dabei zeigte sich vor allem ein Einfluss der Glasübergangstemperatur der Tränkung auf den Verbund zwischen Roving und Beton. Ist diese zu niedrig, kommt es zu einer Erweichung der Beschichtung unterhalb der bemessungsrelevanten Temperatur von 80 °C und damit zu einer Verringerung der übertragbaren Verbundspannungen. Entscheidenden Einfluss hat auch das Wasseraufnahmevermögen der getränkten Carbonrovings. Diffusionsoffene Gelegestrukturen oder solche mit hoher Kapillarität entziehen dem frischen Beton Wasser. Das führt zu einer Verminderung des w/z-Wertes in Rovingnähe, dort zu einem beschränkten Wachstum der verbundfördernden Calciumsilikathydratphasen und zur vermehrten Bildung von hierfür ungünstigerem Portlandit an der Grenzfläche zwischen Carbongelege und Betonmatrix. Die Aufrechterhaltung des vorgesehenen w/z-Wertes ist daher gerade in der Verbundzone von entscheidender Bedeutung für die Ausbildung eines ausreichend guten Verbundes.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Neue Anforderungen an Bewehrungen aus Carbon
Übliche Carbonbewehrung (oben liegend) und prototypische Carbonbewehrung mit größerem Querschnitt (darunter)
In der bisherigen Forschung und Anwendung wurden zumeist Rovings mit Dicken zwischen 1 mm und 3 mm zu Gelegen verarbeitet. Die verwendeten Rovings enthalten zwischen 12.000 bis 50.000 Filamente. Bei sehr hohen Beanspruchungen kann aber die Vergrößerung des Bewehrungsquerschnittes – ähnlich wie im Stahlbetonbau – notwendig werden. Die Untersuchung von Carbonbewehrungen mit erhöhter Rovinganzahl bis hin zu Stäben ist Thema des 2015 begonnenen Basisvorhabens B1 „Beschichtungen und Bewehrungsstrukturen für den Carbonbetonbau“ innerhalb des Verbundforschungsvorhabens C3.
Die Anpassung des Bewehrungsquerschnittes erfolgt bei technischen Textilien für den Betonbau auf zwei Arten: über die Erhöhung oder Verminderung der Anzahl der Filamente je Roving und durch Variation der Abstände der Rovings untereinander in Kett- als auch in Schussrichtung. Innerhalb des Projektes B1 sollen Carbonrovings gestuft mit bis zu acht Mal 50.000 Filamenten hergestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien und ihre Eignung für den Carbonbetonbau werden dann innerhalb des Vorhabens auf den Prüfstand gestellt. Einerseits führt die bloße Vergrößerung des Rovingquerschnitts die heutige Textilmaschinentechnik an ihre Grenzen. Je nach Herstellprozess entstehen geometrisch unterschiedliche Rovings. Der Rovingquerschnitt variiert von kreisrund über oval bis hin zu sehr flach oder elliptisch, was sich beispielsweise auf die mechanischen Kennwerte und die Verarbeitung auswirkt. Andererseits müssen gegebenenfalls auch neue Beschichtungen entwickelt und appliziert werden. Weiterhin ist es notwendig, die einzelnen Materialkennwerte des Vielstoffsystems Carbonbeton mit erhöhtem Bewehrungsgehalt genau zu betrachten.
Da innerhalb von C3 ein Fokus auf neu zu entwickelnden Konstruktionsformen liegt, werden zunächst spezifische Anforderungen an das Bewehrungsmaterial definiert. Hierzu zählen u. a. die Geometrie von Gelegen mit Variation von Rovingform, Achsabstand und Ausrichtung der Rovings untereinander, die minimal erforderliche Betondeckung und benötigte Verankerungslängen.
Anschließend muss die Frage beantwortet werden, ob die neuen Strukturen den Praxisanforderungen genügen und inwieweit die Gebrauchstauglichkeit eines Carbonbetonbauteils innerhalb der Lebensdauer gewährleistet ist. Forschungsschwerpunkte sind hier das Verbundverhalten, das Dauerstandverhalten und das Verhalten bei wechselnden Temperaturen.