Basisuntersuchungen zu Stäben aus rezyclierten Carbonfasern
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2024/25
Bewehrungsstäbe aus rCF
Stäbe aus rezyklierten Carbonfasern
Angesichts der zunehmenden Ressourcenknappheit und der Klimaschutzbemühungen nimmt die Wiederverwendung von Carbonfasern einen immer höheren Stellenwert ein. Insbesondere in der Bauindustrie wird die ganzheitliche Betrachtung geschlossener Stoffkreisläufe immer wichtiger. Der offene Kreislauf wird durch die Verarbeitung von rezyklierten Carbonfasern zu Halbzeugen geschlossen.
Die kontinuierliche Herstellung von Bewehrungsstäben aus recycelten Carbonfasern mit gleichbleibender Qualität unterliegt aufgrund verschiedener technologischer Hürden noch großen Schwankungen. Obwohl der Einsatz von Kohlenstoffwerkstoffen in anderen Industriezweigen wie Flugzeugbau, Automobilbau usw. längst etabliert ist, werden recycelte Kohlenstofffasern derzeit nur selten verwendet. Dagegen bietet gerade die Bauindustrie eine außergewöhnliche Möglichkeit, recycelte Carbonfasern als Bewehrungsmaterial in Beton einzusetzen. Dies ermöglicht zum einen die Schließung des Stoffkreislaufs und zum anderen die Verwendung CO2-reduzierter Betonmatrices aufgrund der Korrosionsbeständigkeit von Carbon.
Ziel des vom BMWK geförderten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung, Charakterisierung und Optimierung von Stäben aus rezyklierten Carbonfasern (rCF) für den Einsatz als Bewehrung in Beton zur Erreichung gleichwertiger Zug- und Verbundfestigkeiten im Vergleich zu Halbzeugen aus neuen Carbonfasern (vCF). Für die Tests wurden 600 mm lange Bewehrungsstäbe mit einer Verbundlänge von
80 mm in Betonwürfel eingebetoniert, um einen ersten Hinweis auf das Verbundverhalten von Bewehrungsstäben aus rCF zu erhalten (Zeisberg rCF Rebar®). Die Messdaten wurden mit Hilfe von Wegaufnehmern und via Kraftmessdose aufgezeichnet. Um einen höheren Verbund zwischen Beton und Bewehrungsstab zu erreichen, wurden die geometrischen Abmessungen der Stäbe und das strukturelle Design des Halbzeugs modifiziert und weiterentwickelt. Eine gerade Faserorientierung sowie die Reduzierung von Poren oder Fehlstellen entlang der Stabachse sind die wichtigsten Aspekte zur Erhöhung der Festigkeit des Komposits. Um dies festzustellen, wurde der Bewehrungsstab mittels Computertomographie und Mikroskopie untersucht.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Vom rezyklierten Filament zum Carbonfaserstab
Mikroskopaufnahme eines Stabs aus rezyklierten Carbonfasern
Im Projekt EDISON-rCF werden Halbzeuge, also Stäbe und Gelege, aus rezyklierten Carbonfasern umfassend hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Verbundverhalten und Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Vor allem werden die Faserorientierung, der Faservolumengehalt, die Faserlänge und das Tränkungsmaterial als wesentliche Faktoren für das Tragverhalten angesehen.
Um den Einfluss des Recyclingprozesses (Pyrolyse oder Solvolyse) auf die Materialeigenschaften der Carbonfilamente zu untersuchen, wurden neuwertige Fasern ebenfalls der Pyrolyse und Solvolyse unterzogen. Im Anschluss wurden die Zugfestigkeiten der neuwertigen, der pyrolysierten und der solvolysierten Fasern bestimmt. Verglichen mit den neuwertigen Fasern wurde ein Zugfestigkeitsverlust von rund 10 % bei den rezyklierten Fasern festgestellt.
Anschließend wurden Garne aus rezyklierten Fasern gefertigt. Zur Herstellung des Verbunds innerhalb eines Rovings wurden zwei Tränkungen, basierend auf einem Thermoplast bzw. einem Duromer, verwendet. Alle im Zugversuch untersuchten Garne versagten an der Stelle mit dem geringsten Querschnitt und innerhalb der freien Messlänge. Die Zugfestigkeiten der Rovings aus rezyklierten Fasern waren unabhängig vom Tränkungsmaterial deutlich geringer als die von Rovings aus neuwertigen Fasern. Eine Optimierung des Herstellungsverfahren ist folglich essentiell.
Für die Bestimmung der Zugfestigkeit von Stäben aus rezyklierten Carbonfasern mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 1,20 m wurden diese in dafür hergestellte Lasteinleitungsplatten eingeklemmt und bis zum Versagen belastet. Insgesamt wurden zwei Serien à fünf Stäbe untersucht. Für die Messung der Stabdehnung wurden induktive Wegaufnehmer und Photogrammmetrie eingesetzt. Durch die Weiterentwicklung des Stabzusammensetzung von Serie 1 zu Serie 2 hinsichtlich Faserorientierung und Faservolumengehalt konnte eine Steigerung der Zugfestigkeit erreicht werden. Die Zugfestigkeit der Stäbe der 2. Serie betrug rund 25 % der Zugfestigkeit von Stäben aus neuen Carbonfasern.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Bewehrungen aus rezyklierten Carbonfasern
Querschnitt eines mit Epoxidharz getränkten Garns aus rezyklierten Carbonfasern
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt EDISON-rCF untersucht den Recyclingprozess von carbonfaserverstärkten Kunststoffen von der Wertstoffaufbereitung bis hin zum neuen Bauteil. Die in diesem Projekt erzeugten Halbzeuge, also Gelege und Stäbe, aus rezyklierten Carbonfasern werden umfassend hinsichtlich der maßgebenden Eigenschaften Verbundverhalten, Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verhalten bei unterschiedlicher Temperatur untersucht.
Zu Beginn wurden in einem Arbeitspapier die Anforderungen an die herzustellenden Halbzeuge zusammengestellt. Insbesondere die Faserlänge und die Faserorientierung in den Bewehrungen werden als wichtige Eigenschaften für das Tragverhalten angesehen.
Essentiell für die Stab- und Gelegeherstellung ist außerdem die Tränkung der Carbonfasern. Um eine erste Aussage über ein geeignetes Tränkungsmittel treffen zu können, wurden Carbongarne aus rezyklierten Fasern mit Polymer, Duromer und Geopolymer getränkt. Anschließend wurde das Zugtragverhalten untersucht. Das mit Epoxidharz getränkte Garn setzte sich aufgrund der höchsten Zugfestigkeit und der höchsten Steifigkeit durch. Alle Garne versagten an der Stelle mit dem geringsten Querschnitt und ohne Vorankündigung. Mittels des Dünnschliffverfahrens konnte zudem eine Aussage über die Tränkungsqualität getroffen werden.
Die von einem Projektpartner aus rezyklierten Carbonfasern gefertigten profilierten Carbonstäbe besaßen einen äußeren Durchmesser von 10 mm und eine dem aktuellen Herstellungsprozess geschuldete, noch relativ geringe Länge von 60 cm. Die Stäbe wurden in 20 × 20 × 20 cm große Betonwürfel mit einer 5 cm langen Verbundlänge einbetoniert. Um eine Aussage über das Verbundverhalten der Stäbe treffen zu können, wurden sie in einem Pull-out-Versuch bis zum Versagen belastet. Alle untersuchten Stäbe versagten vor dem Eintritt eines Auszugs. Deshalb soll im weiteren Projektverlauf die Steigerung des inneren Verbundes des Stabs vorangebracht werden.