Teilprojekt A6

Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Entwicklung der Matrices und Optimierung des Faser-Matrix-Verbundes von textilbewehrten Betonen

Leitung

Viktor Mechtcherine
Institut für Baustoffe

Mitarbeiter

apl. Prof. Dr. rer. nat. habil. M. Schiekel
Dipl.-Ing. Marko Butler
Dipl.-Ing. Simone Hempel
Dipl.-Chem. Martina Götze
Dipl.-Ing. Mirella Kratz
Kai-Uwe Mehlisch
Renate Franke

Ziele

Im Mittelpunkt des Teilprojektes A6 stehen systematische Untersuchungen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit textilbewehrter Betone durch eine gezielte Einstellung der maßgebenden Eigenschaften der Matrices und des Faser-Matrix-Verbundes. Die wichtigsten Ziele sind die Steigerung der Lastaufnahmekapazität und des Arbeitsvermögens, eine weitere Verbesserung der Dauerhaftigkeit, die Reduktion der Schwind- und Kriechverformungen sowie des Ausmaßes der Rissausbreitung und eine Steigerung des Frost-/Frost-Tausalz-Widerstandes. Die Entwicklung der Matrices für textilbewehrte wird auf eine breitere stoffliche Basis gestellt, wobei insbesondere Bindemittelsysteme aus CEM II-Zementen in Kombination mit puzzolanischen Zusatzstoffen zum Einsatz kommen. Dies soll eine gezielte Gestaltung der zeitlichen Phasenentwicklung ermöglichen, die für das Verhalten des Faser-Matrix-Verbundes und die Dauerhaftigkeit der Glasfasergarne maßgebend ist. Außerdem wird eine Verbesserung des Frost-/Frost-Tausalz-Widerstandes der Matrix angestrebt. Zur Reduktion der Schwind- und Kriechverformungen soll vor allem der Wassergehalt der Mischungen verringert werden. Dies erfolgt durch eine Optimierung der granulometrischen Zusammensetzung aller festen Ausgangsstoffe, die Steigerung des Größtkorns der Gesteinskörnungen, die Auswahl der Ausgangsstoffe unter dem Aspekt ihres Wasseranspruches sowie durch die Absenkung des Wasser-Bindemittel-Wertes. Der Wasserhaushalt soll des Weiteren unter Verwendung schwindreduzierender (SRA) und wasserspeichernder (SAP) Additive gesteuert werden. Es werden Versuche zur Ermittlung des autogenen und des Trocknungsschwindens (siehe Bild 1 und Bild 2) sowie Kriechversuche durchgeführt.

Bild 1 (links): Dilatometer zur Messung des autogenen Schwindens am Frischbeton in dehnweichen Kunststoffröhren
Bild 2 (rechts): Dilatometer zur kontinuierlichen Erfassung von Schwindverformungen an erhärteten Prismen

Zur Reduzierung des Ausmaßes der Rissausbreitung werden die Zugfestigkeit und die Duktilität der Matrix durch Zugabe von Kurzfasern deutlich verbessert. Damit sollen die Proportionalitätsgrenze (LOP) sowie die aufnehmbare Maximalkraft gesteigert und die schwindbedingte Rissbildung minimiert werden. Die Auswirkung der Kurzfasern auf die durch Schwinden induzierte Rissbildung wird mit Hilfe des instrumentierten Ringversuchs geprüft (siehe Bild 3).

Bild 3 (links): Versuchsanordnung für den instrumentierten Ringversuch (behindertes Schwinden)
Bild 4 (rechts): Versuchsanordnung zur Prüfung unterbewehrter Zugproben

Eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit des textilbewehrten Betons soll durch eine Optimierung der nachträglichen Beschichtung des Textils in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A5 erfolgen. Eine gezielte Wahl der Kunststoffe sowie deren Modifizierung durch mineralische Feinststäube sollen zu einer deutlichen Verbesserung insbesondere im Hinblick auf das Verbundverhalten unter zyklischer bzw. Dauerbelastung führen. Das Verbundverhalten unter diesen Beanspruchungen wird mit Hilfe von Garnauszugversuchen und Versuchen an unterbewehrten Zugproben untersucht (siehe Bild 4).

Ausgewählte Ergebnisse

Reduktion der Schwindverformung

Ausgewählte Ergebnisse von Schwinduntersuchungen an Matrices auf CEM III-Basis, die mit ursprünglichen und verbesserten Kornzusammensetzungen hergestellt wurden, sind in Tabelle1 für das Betonalter von 28 Tagen zusammengefasst. Deutliche Reduktionen des Gesamtschwindes wurden durch den Einsatz wirksamerer Fließmittel auf Polycarboxylatether-Basis (PCE) erzielt. Die Verwendung von Größtkorn mit 2 mm Durchmesser führte nur zur Verschiebung der Schwindanteile zwischen autogenem und Trocknungsschwinden. Wirksamer war die Erhöhung des Volumenanteils der Gesteinskörnung von 42 Vol.-% auf 50 Vol.-%. Mit der Zugabe von schwindreduzierenden Zusätzen konnte eine nochmalige Reduktion der Schwindverformung erreicht werden.

Zur Untersuchung der Auswirkungen der veränderten Matrixzusammensetzung auf das Verbundverhalten wurden Zugversuche an unterbewehrten Proben durchgeführt. Das Verbundverhalten der schwindreduzierten Matrices zu unbeschichteten Garnen ist durch steigende maximale Auszugkräfte bei zugleich steilerem Abfall der Kraft-Rissbreiten-Kurve nach Überschreiten der Maximalkraft gekennzeichnet (siehe Werte der maximalen Faserauszugkraft und des Arbeitsvermögens in Tabelle1). Der Verbund zu beschichteten Garnen wird aufgrund der kompakten, geschlossenen Oberflächenstruktur solcher Multifilamentgarne dagegen kaum beeinflusst. Die Veränderungen der entsprechenden, in Tabelle 1 angegebenen Kennwerte liegen innerhalb des Streubereiches der Versuchsergebnisse. Das deutlich größere Leistungsvermögen beschichteter Garne gegenüber unbeschichteten Bewehrungssystemen bleibt bei Einsatz schwindreduzierter Matrices erhalten. In weiteren Arbeiten wurde durch Zugabe geringer Anteile von Feinsanden die granulometrische Zusammensetzung des Kornhaufwerkes verbessert und auf diese Weise der Wasseranspruch weiter deutlich reduziert.

Mitarbeit an der Weiterentwicklung von Garnbeschichtungen

In Zusammenarbeit mit Teilprojekt A5 wurden nachträgliche Garnbeschichtungen für Glas- bzw. Kohlefasern weiterentwickelt. Die Anpassung der Garnbeschichtungen an das Fasermaterial und die Matrixeigenschaften führte zur deutlichen Verbesserung des Arbeitsvermögens des Verbundwerkstoffes. Gegenüber unbeschichteten Garnen fällt im Zugversuch an unterbewehrten Proben aber bei vergleichbarer maximaler Faserauszugkraft der Anstieg der Kraft-Rissbreiten-Kurve vor Erreichen des Maximums flacher aus. Die maximale Faserauszugkraft wird demzufolge erst bei großen Rissbreiten erreicht (siehe Bild 5, Kurve 28d-unbeschichtetes Garn und Kurve 28d-beschichtetes Garn).

Bild 5 (links): Kraft-Rissöffnung-Kurven aus Zugversuchen an unterbewehrten Proben mit beschichtetem AR-Glasgarn; Lagerung bei 40 °C und 99 % rel. Feuchte
Bild 6 (rechts): Kraft-Rissöffnung-Kurven aus Zugversuchen an unterbewehrten Proben mit beschichtetem AR-Glasgarn (Beschichtung enthält Nanomaterialien); Lagerung bei 40 °C und 99 % rel. Feuchte

Als Ursachen sind die geringe Kontaktfläche des beschichteten Garnes zur Matrix (vgl. Bild 7) und die geringe Steifigkeit des Polymers zu sehen. Steifere Polymerformulierungen verbessern das Auszugverhalten bei kleinen Rissbreiten, führen aber aufgrund der eingeschränkten Verschieblichkeit der Filamente zu Einbußen beim Arbeitsvermögen. Erste Versuche mit nanostrukturierten Feinststoffen in der Beschichtung zeigten bei steigender maximaler Faserauszugkraft einen Anstieg der Kraft-Rissbreiten-Kurve, der dem unbeschichteter Garne vergleichbar ist, bei gleichzeitig höherer Verbundfestigkeit und hohem Arbeitsvermögen (Bild 6). An der Oberfläche der Garnbeschichtung liegende, nanostrukturierte Minerale bilden hier Kristallisationskeime für die Aufwachsung von CSH-Phasen, die einen intensiven Verbund zur Matrix sicher stellen (Bild 8). Die Weiterentwicklung von Beschichtungen mit Nanomaterialien vor allem unter dem Aspekt einer hohen Langzeitstabilität der Gefügeausbildung in der Verbundzone wird in intensiver Kooperation mit Teilprojekt A5 erfolgen.

Bild 7 (links): Kontaktzone beschichteter AR-Glasfilamente nach 28-tägiger Lagerung bei 40 °C und 99 % rel. Feuchte
Bild 8 (rechts): Kontaktzone beschichteter AR-Glasfilamente nach 28-tägiger Lagerung bei 40 °C und 99 % rel. Feuchte, (Beschichtung enthält Nanopartikel)

Dauerhaftigkeit des Faser-Matrix-Verbundes beschichteter Garne

Polymere Garnbeschichtungen führen neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit auch zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit des Verbundes im Vergleich zu unbeschichteten Garnen. Die Lagerung von Verbundproben (Matrix auf CEM I-Basis) bei erhöhten Temperaturen und Feuchten über längere Zeiträume führten bei allen untersuchten Beschichtungen zu Einbußen sowohl bei der Verbundfestigkeit als auch bei der Duktilität (siehe auch Bild 5). Das Maß der Leistungseinbußen steigt mit zunehmender Alkalität der Matrix sowie steigender Temperatur und Expositionsdauer. Ursachen sind vor allem in der Schädigung der Beschichtung zu sehen, die durch das Aufbrechen von Bindungen des polymeren Netzwerkes in der hochalkalischen Umgebung verursacht wird und zur Reduktion der adhäsiven bzw. kohäsiven Wirkung der Polymere führt. In allen untersuchten Fällen war jedoch das Arbeitsvermögen der Verbünde mit beschichteten Garnen nach dem beschleunigten Alterungsprozess größer als das von Verbundproben mit unbeschichteten Garnen im Alter von 28 Tagen nach Standardlagerung. Die Einlagerung von beschichtetem Fasermaterial in hochalkalische, nachgestellte Porenlösungen bei erhöhten Temperaturen führte auch zum Nachweis einer erhöhten Beständigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Garnen. Die nachträgliche Beschichtung der Garne stellt eine weitere, über der Schlichte liegende Schutzschicht dar, die den Schädigungsfortschritt deutlich einschränkt.

Einsatz von Kurzfasern in der Matrix

Kurzfasern verhindern oder begrenzen die Mikrorissbildung in der Betonmatrix. Im textilbewehrten Beton kann durch die Zugabe von Kurzfasern zur Matrix der linear-elastische Bereich der Arbeitslinie deutlich angehoben werden, da die Lasteinleitung in die feinen, über das Matrixvolumen gleichmäßig verteilten Kurzfasern - aufgrund einer sehr großen Kontaktfläche - von Anfang an problemlos erfolgt. Zugleich behindern die Kurzfasern das Ausmaß der Rissausbreitung in der Matrix und verbessern so deren Duktilität. Die kontinuierliche, textile Bewehrung (mit oder ohne Beschichtung) und die mit Kurzfasern modifizierte Matrix bilden ein hybrides Bewehrungssystem, welches ein positives Verhalten in allen Stadien der mechanischen Beanspruchung aufweist. Vor Rissbildung in der Matrix und bei sehr kleinen Rissbreiten sind vor allem die Kurzfasern aktiv. Mit zunehmender Rissbreite nimmt die Kurzfaserwirkung ab, während die textile Bewehrung ihr großes Leistungsvermögen voll entfalten kann (Siehe Bild 9). Der Volumenanteil und die Länge der Kurzfaser beeinflussen signifikant den Lastabtrag im textilbewehrten Beton. In Abhängigkeit von den Fasereigenschaften können sehr hohe Steigerungen des Leistungsvermögens erzielt werden (siehe Bild 10). Sowohl Volumenanteil als auch die Länge der Kurzfasern werden vor allem durch technologische aber auch ökonomische Aspekte begrenzt. Hohe Kurzfasergehalte und -längen können zu problematischen Frischbetoneigenschaften führen, die eine gute Einbettung der textilen Bewehrung erschweren. Die positiven Effekte der Kurzfaserzugabe können in diesem Fall aufgehoben werden durch den gestörten Verbund zwischen Textil und Matrix.

Bild 9 (links): Ergebnisse von Zugversuchen an Matrices mit und ohne Kurzfaser (AR-Glas 6mm) sowie beschichteter Multifilamentgarnbewehrung
Bild 10 (rechts): Ergebnisse von Dehnkörperversuchen mit textiler Bewehrung mit und ohne Kurzfaser (Ar-Glas, 6mm)

Veröffentlichungen

2011

Butler, M.; Hempel, S.; Mechtcherine, V.: Modelling of ageing effects on crack-bridging behaviour of AR-glass multifilament yarns embedded in cement-based matrix. Cement and Concrete Research, 41 (2011), pp. 403-411 – doi:10.1016/j.cemconres.2011.01.007
Silva, F.; Butler, M.; Mechtcherine, V.; Zhu, D.; Mobasher, B.: Strain rate effect on the tensile behaviour of textile-reinforced concrete under static and dynamic loading. Materials Science & Engineering A, 528, (2011), Nr. 3, pp. 1727-1734, doi:10.1016/j.msea.2010.11.014.

2010

Butler, M.; Mechtcherine, V.; Hempel, S.: Durability of textile-reinforced concrete made with AR glass fibre - Effect of the matrix composition. Materials and Structures, 43,(2010), pp. 1351 - 1368, doi: 10.1617/s11527-010-9586-8.
Lieboldt, M.; Mechtcherine, V.; Butler, M.: Application of textile reinforced concrete in prefabrication. ACI Spring 2010 Convention - TRC Symposium, March 21 - 25, Chicago, USA, 2010.
Butler, M.; Mechtcherine, V.: Crack-bridging behaviour of AR-glass multifilament yarns embedded in cement-based matrix - Modelling of ageing effects. In: Oh, B. H. et al. (eds): Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures 7, Korea Concrete Institute, pp. 1498-1503, ISBN 978-89-5708-182-2
Barhum, R.; Mechtcherine, V.: Effect of Short Fibres on Fracture Behaviour of Textile Reinforced Concrete. In: Oh, B. H. et al. (eds): Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures 7, Korea Concrete Institute, pp. 1498-1503, ISBN 978-89-5708-182-2.
Silva, F.; Butler, M.; Mechtcherine, V.; Zhu, D.; Mobasher, B.: Strength and fracture behaviour of textile reinforced concrte subjected to high rate tensile loading. In: Brameshuber, W.: Proc. Int. RILEM conference on material science MATSCI, September 8 - 10, Aachen, Germany, 2010, Vol. I, pp. 215-224.
Butler, M.; Mechtcherine, V.: Ageing of textile reinforced concrete and its effects on mechanical performance. ACI Fall 2010 Convention - TRC Symposium, October 20 - 28, Pittsburgh, USA, 2010.
Butler, M.; Mechtcherine, V.: Crack-bridging behaviour of AR-glass multifilament yarns embedded in cement-based matrix – Modelling of ageing effects. In: Mechtcherine, V.; Kaliske, M. (eds.): Fracture and Damage of advanced Fibre-reinforced Cement-based materials. Aedificatio Publishers, Freiburg, 2010, pp. 67 - 76.
R. Barhum; V. Mechtcherine: Influence of short fibres on fracture behaviour in textile reinforced concrete. In: In: Mechtcherine, V.; Kaliske, M. (eds.): Fracture and Damage of advanced Fibre-reinforced Cement-based materials. Aedificatio Publishers, Freiburg, 2010, pp. 77 - 88.

2009

Butler, M.; Hempel, S.; Mechtcherine, V.: Zeitliche Entwicklung des Verbundes von AR-Glas- und Kohlenstofffaser- Multifilamentgarnen in zementgebundenen Matrices. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 213-226 – ISBN 978-3-86780-122-5 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244045698955-31655
Lieboldt, M.; Mechtcherine, V.: Medientransport durch Verstärkungsschichten aus textilbewehrtem Beton. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 185-196 – ISBN 978-3-86780-122-5 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244045285527-10721
Butler, M.; Mechtcherine, V.; Hempel, S.: Experimental investigations on the durability of fibre-matrix interfaces in textile-reinforced concrete. Cement & Concrete Composites 31, (2009), pp. 221 - 231.
Butler, M.; Hempel, S.; Mechtcherine, V.: Zeitliche Entwicklung des Verbundes von AR-Glas- und Kohlenstofffaser-Multifilamentgarnen in zementgebundenen Matrices. In: Curbach, M.; Jesse, F. (eds.): Proc. 4th colloquium on textile reinforced structures (CTRS4), 3. - 5. Juni, Dresden, Germany, 2010, pp. 123-226.
Butler, M.; Lieboldt, M.; Mechtcherine, V.: Application of textile reinforced concrete (TRC) for structural strengthening and in prefabrication. In: van Zijl, G. P. A. G.; Boshoff, W. P. (eds.): Proc. Int. concerence on Advanced Concrete Materials (ACM 2009), November 17-19, Stellenbosch, South Africa, 2009, pp. 127-136.
Butler, M.; Mechtcherine, V.; Hempel, S.: Auswirkungen der Matrixzusammensetzung auf die Dauerhaftigkeit von Betonen mit textilen Bewehrungen aus AR-Glas. Beton- und Stahlbetonbau 104, Heft 8, 2009, S. 485-495.
Scheffler, C.; Förster, C.; Mäder, E.; Heinrich, G.; Hempel, S.; Mechtcherine, V.: Aging of alkali-resistant glass and basalt fibres in alkaline solutions: Evaluation of the failure stress by Weibull distribution function. Journal of Non-Crystalline Solids 355 (52-54), 2009, pp. 2588-2595.
Hempel, S.; Butler, M.; Mechtcherine, V.: Vergleich des Verbundverhaltens von AR-Glasfasern und Kohlenstofffasern in zementgebundenen Matrices. In: Stark, J. (ed.): Tagungsbericht 17. Int. Baustofftagung (ibausil), 23. - 26. September, Weimar, Germany, pp. 2-0019 - 2-0024.
Butler, M.: Zur Dauerhaftigkeit von Verbundwerkstoffen aus zementgebundenen Matrices und alkaliresistenten Glasfaser-Multifilamentgarnen. Dissertation am Institut für Baustoffe, Technische Universität Dresden, (2009)

2008

2007

Mechtcherine, V.; Lieboldt, M.; Altmann, F.: Preliminary tests on air-permeability and water absorption of cracked and uncracked strain hardening cement-based composites. In: Audenaet, K.; Marsavina, L.; de Schutter, G.(eds): Proceedings of the International RILEM Workshop on Transport Mechanisms in Cracked Concrete, Ghent, September 2007. pp. 55-68
Mechtcherine, V; Lieboldt, M.: Effect of cracking on air-permeability and water absoption of strain hardening cement-based composites. In: Reinhardt, H.-W.; Naaman, A. (eds.): RILEM-Symposium on High-Performance Fibre Reinforced Cementitious Composites HPFRCC5. RILEM PRO 53, 2007, pp. 10-13
Mechtcherine, V. ; Schulze, J.; Dudziak, L.: Reducing the cracking potential of high-strength and ultra-high-strength concretes by internal curing. In: 51. Ulmer BetonTage, Kongressunterlagen. und in: Beton + Fertigteil-Technik 73 (2007) 2, 18-20
Butler, M.; Hempel, S.: Dauerhaftigkeit von textilbewehrtem Beton. In: Curbach, M.; Häußler-Combe, U.; Mechtcherine, V. (eds.): Tagungsband 48. Forschungskolloquium des DAfStb, Dresden, 2007. S. 103-116
Hempel, S.; Butler, M.: Microscopic investigations on durability of textile reinforced concrete. In: Fernandes, I.; Guedes, A.; Noronha, F.; Teles, M.; dos Anjos Ribeiro, K. (eds.): Proc. 11th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials, Porto, 2007. – CD-ROM

2006

Mechtcherine, V.; Dudziak, L.; Schulze, J.; Stähr, H.: Internal curing by Super Absorbent Polymers – Effects on material properties of self-compacting fibre-reinforced high performance concrete. In: O. M. Jensen et al. (eds.): International RILEM Conference on Volume Changes of Hardening Concrete: Testing and Mitigation. RILEM Proceedings PRO 52, RILEM Publications S.A.R.L., pp. 87-96, 2006