Chemische Vorspannung von Carbonbeton
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Kurzfassung Förderperiode 2
Ziel dieses Projekts ist es, die statische Leistungsfähigkeit gefalteter und schalenförmiger Carbonbetonstrukturen durch die chemische Vorspanntechnik zu verbessern. Zur Vorspannung wird dem Zement ein Expansionsmittel zugesetzt. Während der ersten Phase des TRR 280 wurden bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung der chemischen Vorspanntechnologie erzielt. Es wurde jedoch festgestellt, dass lange Zeiträume der Aushärtung unter Wasser erforderlich sind, um die vollständige Ausdehnung des Betons zu erreichen. Dies ist auf einer Baustelle oder sogar in einem Fertigteilwerk unpraktikabel. Daher werden wir uns in der zweiten Phase dieses Projekts auf die Entwicklung von Schnellhärtungstechniken zur Beschleunigung des Expansionsprozesses von Beton konzentrieren und deren Einfluss auf das Strukturverhalten von chemisch vorgespannten Carbonbetonstrukturen untersuchen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Chemisch vorgespannter Carbonbeton
Versuchsaufbau zur Messung der Ausdehnung von Carbonbetonproben
Vorspannung in Betonbauteilen dient dazu, bereits vor ihrer Nutzung Druckspannungen einzubringen. Durch diese Methode wird ihre Steifigkeit deutlich erhöht, strukturelle Verformungen werden minimiert und die Spannungsverteilung wird positiv beeinflusst. Obwohl die Vorspannung bei Stahlbeton gut etabliert ist, wird sie bei Tragwerken mit Textilbewehrung zu einer besonderen Herausforderung. Diese Schwierigkeit ist vor allem auf die Anfälligkeit von Fasermaterialien gegenüber Querdruck zurückzuführen. Darüber hinaus ist die Verwendung mehrerer Hydraulikzylinder zum Vorspannen einer beträchtlichen Menge an Rovings begrenzt.
Die chemische Vorspannung erweist sich als eine äußerst günstige Alternative zur mechanischen Vorspannung. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, eine speziell auf Carbonbeton zugeschnittene chemische Vorspanntechnologie zu nutzen. Die Methode basiert darauf, quellende Zusatzmittel in die Betonmischung einzuarbeiten. Wenn sich der Beton ausdehnt, erzeugt er Zugspannungen in der Carbonbewehrung, was wiederum zur Entstehung von Druckspannungen im Beton führt. Dieses Verfahren ermöglicht eine Vorspannung, ohne dass mechanische Vorrichtungen oder zusätzliche Schritte erforderlich sind.
In der ersten Projektphase wurde ein expansiver Beton entwickelt, der hohe Expansionsraten bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften erreichen kann. Mit diesem Quellbeton wurden dann carbonbewehrte Platten mit den Abmessungen 500 mm × 150 mm × 30 mm hergestellt. Um die Ausdehnung des Betons und damit die zeitliche Entwicklung der Vorspannkraft zu überwachen, wurden faseroptische Sensoren eingesetzt. Die vorläufigen Ergebnisse der Versuche haben gezeigt, dass der entwickelte Quellbeton in der Lage ist, die Textilbewehrung zu dehnen, wodurch im Gegenzug eine Druckspannung auf den Beton ausgeübt wird, die die Vorspannwirkung auslöst. Die Höhe der entstehenden Druckspannung hängt hauptsächlich von der Menge des zugesetzten Expansionsmittels und der Menge der verwendeten Carbonbewehrung ab.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Ausdehnungstests an Betonproben
Ausdehnungstests an Betonproben
Unter Vorspannung von Beton versteht man das Einbringen von Druckspannungen in Betonbauteile vor deren Verwendung. Mit Hilfe der Vorspannung erhalten Betonelemente erheblich höhere Steifigkeiten und ihr Spannungszustand wird günstig beeinflusst. Auf diese Weise werden der Risswiderstand erhöht und Verformungen verringert. Bei Stahlbeton ist das Vorspannen gut etabliert, bei Bauteilen mit Carbonbewehrung hingegen ist das Vorspannen äußerst komplex, vor allem wegen der Querdruckempfindlichkeit der Fasermaterialien selbst. Darüber hinaus ist es bei textiler Bewehrung problematisch, die große Anzahl von Carbonrovings in einem Gelege gleichzeitig und gleichmäßig vorzuspannen.
Eine der vielversprechendsten Alternativen zum hydraulischen Vorspannen ist das chemische Vorspannen. Ziel des Projekts ist es daher, die chemische Vorspanntechnik zum Vorspannen von carbonbewehrtem Beton einzusetzen. Die Technologie basiert auf der Zugabe von Quellmitteln zum Beton. Wenn sich während des Erhärtens das Volumen des Betons vergrößert, werden Zugspannungen auf die Carbonbewehrung ausgeübt, die ihrerseits Druckspannungen im Beton erzeugen. Auf diese Weise erfolgt das Vorspannen ohne mechanische Vorrichtungen oder zusätzliche Arbeitsgänge.
Einer der wichtigsten Arbeitsschwerpunkte im Projekt ist die Entwicklung einer geeigneten Betonmischung, die eine angemessene Ausdehnung unter Beibehaltung guter Beton-
eigenschaften ermöglicht. Daher wurde eine Reihe von Betonmischungen hergestellt. Alle Mischungen enthielten die gleichen Bestandteile mit Ausnahme des Quellmittels, welches auf das Gewicht bezogen zwischen 10 bis 20 % des Zements substituierte. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Quellmittelzugaben von mehr als 17 % eine sehr hohe Ausdehnung bewirken, gleichzeitig aber die Druckfestigkeit des Betons deutlich verringern. Andererseits führen Expansionsmittelzusätze von weniger als 11 % zu einer zu geringen Ausdehnung. Eine Zugabe von 12–15 % war am besten geeignet, um eine gute Ausdehnung zu erzielen und gleichzeitig eine angemessene Druckfestigkeit zu erhalten. Diese Quellmittelmenge wird in der nächsten Phase des Projekts verwendet, in der die erzielbaren Vorspanngrade carbonbewehrter Prüfkörper untersucht werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Carbonbeton chemisch vorgespannt
Messaufbau für Versuche mit behinderter Ausdehnung
Mithilfe der Vorspannung können Betonbauteile erheblich versteift und ihr Spannungszustand günstig beeinflusst werden. Tragwerke können dadurch einen besseren Risswiderstand erreichen und verformen sich trotz minimierten Gewichts nur sehr gering. Bei Stahlbeton ist die Vorspannung etabliert, bei Strukturen mit Carbon- und insbesondere Textilbewehrung ist der Vorspannprozess jedoch vor allem wegen der Querdruckempfindlichkeit der Fasermaterialien außerordentlich komplex.
In eigenen Vorarbeiten wurde daher die Technologie der chemischen Vorspannung (bzw. der Selbstvorspannung) von Betonelementen weiterentwickelt und als eine effiziente Methode zur Einbringung von Vorspannung in Carbonbeton wahrgenommen. Die Technologie basiert auf der Anwendung von Quellzusatzmitteln im Beton, die in Zusammenwirkung mit der Dehnungsbehinderung Zugkräfte in der Bewehrung und infolgedessen Druckkräfte im Beton induzieren. Die Vorspannung gelingt somit ohne mechanische Vorrichtungen oder zusätzliche Arbeitsgänge.
Ziel des Teilprojekts ist es, Methoden für die chemische Vorspannung schalenförmiger und gefalteter Carbonbetonstrukturen zu entwickeln. Im Vergleich zur Vorspannung ebener Bauteile werden bei räumlich vorgespannten Elementen zusätzliche Versteifungseffekte aktiviert, welche ein sehr günstiges Bauteilverhalten erwarten lassen. Zunächst werden geeignete Materialkombinationen entworfen und deren Potential für die chemische Vorspannung eingehend untersucht. Anschließend werden gefaltete bzw. gekrümmte, chemisch vorgespannte Elementzellen analysiert. Einzelne Probekörper werden in einem Langzeitversuch hinsichtlich der Spannkraftverluste durch Kriechen und Relaxation untersucht.
Der wesentliche Erkenntnisgewinn des Teilprojektes besteht in der Beantwortung der Frage, ob durch den chemischen Quellprozess der Betonmatrix eine form- und zeitstabile Vorspannung räumlich gekrümmter bzw. gefalteter dünnwandiger Carbonbetonelemente gelingt und ob diese Vorspannung zu einer wesentlichen Effizienzsteigerung der Bauteile führen kann.