Extrem zugfeste Baustoffe der Zukunft

Anwendung von Carbon-Kurzfasern in Beton zur Erhöhung der Biegezugfestigkeit

  • Abb. 1: Mauerwerksartige, gerichtete Struktur von hochfestem Perlmutt einer Muschelschale im Elektronenmikroskop, Innenbild: Zementmörtel mit Carbon-Kurfasern, die ebenfalls eine gerichtete Struktur aufweisen.Abb. 1: Mauerwerksartige, gerichtete Struktur von hochfestem Perlmutt einer Muschelschale im Elektronenmikroskop, Innenbild: Zementmörtel mit Carbon-Kurfasern, die ebenfalls eine gerichtete Struktur aufweisen.
  • Abb. 1: Mauerwerksartige, gerichtete Struktur von hochfestem Perlmutt einer Muschelschale im Elektronenmikroskop, Innenbild: Zementmörtel mit Carbon-Kurfasern, die ebenfalls eine gerichtete Struktur aufweisen.
  • Abb. 2: Schematische Skizze des Düsenverfahrens, Innenbild: Mörtelprobe mit länglichen, gerichteten Carbon-Kurzfasern im Elektronenmikroskop (verändert nach [3]).
  • Abb. 3: Spannungs-Verformungskurven im 3-Punkt-Biegezugversuch, Innenbild: Fotographie einer Schalungsform mit Mörtelprüfkörper für den 3-Punkt-Biegezugversuch (verändert nach [3]). Die Miniaturisierung von Prüfkörpern gegenüber den in DIN-Normen vorgeschlagenen Abmessungen bildet eine wesentliche Grundlage für eine multi-parametrische Werkstoffoptimierung nach dem Augsburger Modell.
  • Abb. 4: Elektrische Leitfähigkeit von Mörtelproben in Abhängigkeit des Carbonfasergehalts, Innenbild: Wärmebild einer elektrisch beheizten Mörtelplatte mit zugemischten CF (verändert nach [4]).
  • Abb. 5: 3D-gedruckte Mörtelmasse mit gerichteten Carbon-Kurzfasern, Innenbild: Schematische Darstellung der Ausrichtung von Carbon-Kurzfasern im 3D-Druck. Mittels Rheologie-optimierter Rezepturen werden formbeständige Zementformkörper hergestellt, die unter dem eigenen Gewicht nicht zerfließen.
Manuel Hambach1, Dirk Volkmer1
 
Um die Zug- und Biegezugfestigkeit von zementären Baustoffen zu erhöhen können Mörtel- bzw. Betonmischungen reißfeste Kurzfasern zugegeben werden. Für eine effiziente Nutzung der Kurzfaserbewehrung ist dabei eine Orientierung der Fasern in Belastungsrichtung des herzustellenden Bauteils zu empfehlen.
 
Einleitung
 
Ein jüngst an der Universität Augsburg entwickeltes Düsenverfahren zur Orientierung von Kurzfasern in Zementmörteln ermöglicht dabei die Herstellung zementärer Werkstücke mit außergewöhnlich hoher Biegezugfestigkeit. Derart hergestellte zementäre Baustoffe weisen neuartige bruchmechanische Eigenschaften auf: Sie sind besonders zugfest, bruchzäh und multifunktional einsetzbar. So kann die elektrische Leitfähigkeit der zugemischten Carbonfasern ausgenutzt werden um auf einfache Weise elektrische Boden- bzw. Wandheizungselemente zu realisieren. Mittels optimierter Formulierungen rückt die Vision vom 3D-Druck unbewehrter Gebäudekonstruktionen in greifbare Nähe. 
 
Carbonfaser statt Stahl
 
Faserverstärkte Mörtel und Betone finden wachsendes Interesse in der Bauindustrie, da durch den Faserzusatz auf einfache Art und Weise die geringe Zugfestigkeit von unbewehrtem Mörtel/Beton verbessert werden kann. Speziell Carbonfasern (CF) verbinden die Vorteile von geringer Dichte und Korrosionsbeständigkeit mit hervorragender mechanischer Festigkeit. Prinzipiell sind zwei unterschiedliche Konzepte zu unterscheiden, wie die zugfesten Verstärkungsfasern in den Werkstoff Beton eingebracht werden können. Zum einen der Textilbeton, bei dem fertige Gewebe aus Armierungsfasern in die Betonschalungen eingebracht und anschließend mit Beton umhüllt werden. Dabei ersetzen die Fasergewebe die klassische Stahlarmierung, wodurch leichtere und schlankere Konstruktionen, als es mit Baustahl möglich wäre, realisiert werden können [1, 2]. Ein zweites, grundlegend unterschiedliches Konzept der Faserverstärkung von Beton ist das Zumischen von kurzen, d.h. einigen Millimeter langen, Schnittfasern in die flüssige Betonmischung.

Durch eine homogene Verteilung dieser Kurzfasern wird ein isotroper und äußerst zugfester Werkstoff geschaffen. Die Stärken dieses Konzepts liegen in der Möglichkeit der freien Formgestaltung der Bauteile, da praktische jede Geometrie, die mit Schalungsformen darstellbar ist, mit einer Faser-Zementmörtelmischung verfüllt werden kann. Weiterhin steigern die geringen Kosten die Attraktivität einer Schnittfaserbewehrung, da zum einen Schnittfasern deutlich günstiger als Fasergewebe sind und zum anderen etablierte Arbeitsabläufe auf Baustellen weitgehend beibehalten werden können. Allerdings sind der mechanischen Festigkeit einer Schnittfaserbewehrung Grenzen gesetzt, da die Faser-Zementmörtelmischungen stets fließfähig bleiben müssen, um in Schalungsformen gegossen werden zu können. Damit ist der maximale Fasergehalt auf etwa 3-5 Volumenprozent (Vol.-%) Fasern in der Mörtelmischung begrenzt und folglich auch die maximal zu erreichende Biegezugfestigkeit des Werkstoffs limitiert.

 
Ausrichtung von Kurzfasern in Zementmörtel
 
Beim Gießen von faserbewehrtem Beton in Formen oder Schalungen werden zugemischte Kurzfasern zufällig in alle 3 Raumrichtungen orientiert. Da jedoch tragende Strukturen von Gebäudekonstruktionen meist nur in einer Richtung belastet werden, bleibt bei regelloser Orientierung der Fasern ein großer Teil ihres Potentials für eine Festigkeitssteigerung ungenutzt. Würden hingegen alle Fasern parallel entlang der auftretenden Kräfte ausgerichtet, die auf das Werkstück als Zugbelastung einwirken, könnten auch geringe und damit ressourcenschonende Faserbeimischungen eine große Wirkung zeigen. Ähnliche Strategien, also gerichtete Elemente für erhöhte mechanische Festigkeit, finden sich seit Millionen von Jahren in natürlichen Strukturmaterialien. Beispiel hierfür ist zum einen natürliches Perlmutt, das eine hierarchische mauerwerksartige Struktur im submikroskopischen Bereich aufweist, wie in Abbildung 1 dargestellt ist. Ein weiteres Beispiel ist Knochenmaterial, das an stark belasteten Stellen ausgerichtete Collagenfasern besitzt, die den Knochen dort ausreichend verstärken. Diesen natürlichen Vorbildern folgend sollte eine effiziente Kurzfaserverstärkung in zementären Baustoffen ebenfalls eine Orientierung der Fasern in Belastungsrichtung vorsehen, wie Abbildung 1 (Innenbild) zeigt.
 
Für eine Ausrichtung von Carbon-Kurzfasern in einer Zementmörtelmischung kann ein simpler Ansatz angewendet werden, der die Orientierung der Fasern direkt beim Einbringen in eine Form/Schalung ermöglicht. Die Zementmasse wird durch eine Düse gedrückt, wobei, durch Anpassung des Düsendurchmessers an die mittlere Faserlänge der zugemischten Kurzfasern, eine Vorzugsorientierung beim Durchtritt durch den Düsenauslass erzielt werden kann, wie in Abbildung 2 dargestellt ist. Die Orientierung der Carbon-Kurzfasern ist beim Düsenverfahren parallel zur Durchströmungsrichtung der Zementmasse durch die Düse. Eine Analyse der Orientierungsverteilung von CF mit 3 mm Länge und einem Düsendurchmesser von 2 mm zeigt, dass etwa 70 % aller Fasern entlang der vorgesehen Vorzugsorientierung ausgerichtet werden können [3, 4]. Der zementäre Werkstoff, der mit Hilfe des Düsenverfahrens hergestellt wird, wird als „Fibracrete“, ein Kunstwort aus dem englischen „fibre“ (Faser) und „concrete“ (Beton), bezeichnet.
 
Völlig neuartiges Bruchverhalten
 
Bei der mechanischen Prüfung zeigen unbewehrte Mörtel und Betone Sprödbruchverhalten, wohingegen für faserverstärkte Baustoffe meist plastische Deformation unter hohen Lasten typisch ist. Die Verstärkungswirkung der Armierungsfasern beruht dabei auf der Ableitung von Spannungen vom Initialriss weg ins umliegende Material. Die Fasern sorgen dafür, dass sich nicht mehr ein einzelner Riss ausbildet, sondern die Deformationsenergie auf zahlreiche Sekundärrisse verteilt wird. Durch dieses Ableiten der Spannungen aus der Initialrisszone kann die Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit des Werkstoffs Mörtel/Beton deutlich erhöht werden.
 
In Abbildung 3 ist eine Messkurve (3-Punkt Biegezugversuch) einer faserfreien Zementmörtelprobe, einer Probe mit 3 Vol.-% orientierten Carbon-Kurzfasern, einer Probe von Knochenhartgewebe (Rinderknochen) und einer Probe von europäischem Buchenholz dargestellt. Rinderknochen stellt, wie bereits erwähnt, ein extrem zugfestes und bruchzähes natürliches Strukturmaterial dar. Buchenholz ist ebenfalls ein natürliches Strukturmaterial, das als besonders tragfähiges Konstruktionsholz überaus geschätzt wird. Die beiden natürlichen Materialien sollen nachfolgend als Vergleichsobjekte dienen.
 
Ein direkter Vergleich der Festigkeit der beiden Zementmörtelproben ergibt, dass die Probe mit 3 Vol.-% gerichteten CF eine absolute Biegezugfestigkeit von 120 MPa aufweist, die die Festigkeit der unbewehrten Zementmörtelprobe (ca. 7 MPa) um den Faktor 17 übersteigt. Im Vergleich zu den in der Fachliteratur dokumentierten relativen und absoluten Biegezugfestigkeiten stellt das hier vorgestellte Material daher einen zementären Baustoff dar, der bisher nicht erreichte Festigkeiten bei relativ geringem Fasergehalt (3 Vol.-% CF) erreicht. Anhand der Form der Spannungs-Verformungskurven wird ersichtlich, dass die faserfreie und faserverstärkte Zementmörtelprobe völlig unterschiedliche Bruchmechanik aufweisen: Bei der faserfreien Probe ist das bereits erwähnte und typische Verhalten für unbewehrten Zementmörtel festzustellen, das sich in einem Sprödbruchverhalten bemerkbar macht. Die Probe mit 3 Vol.-% Carbonfasern zeigt hingegen sog. „deflection hardening“, das als Indikator für faserverstärkte Hochleistungsbetone in der Fachliteratur diskutiert wird. Weiterhin wird ersichtlich, dass die Probe mit 3 Vol.-% gerichteten Carbonfasern ähnlich hohe Biegezugfestigkeit wie die Probe von Knochenhartgewebe (ca. 150 MPa) oder Buchenholz (ca. 130 MPa) aufweist. Dies ist ebenfalls ein Indiz dafür, dass das Material einen neuartigen Hochleistungsbaustoff darstellt.
 
Elektrisch leitfähige Zementmörtel
 
Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit der Carbonfasern von 102 Ω-1 cm-1 im Vergleich zu nur etwa 10-8 Ω-1 cm-1 von zementären Baustoffen, wird durch Zumischen von CF die elektrische Leitfähigkeit von Zementmörtel deutlich erhöht. Abbildung 4 zeigt, dass die Zugabe von weniger als 0,5 Volumenprozenten Carbon-Kurzfasern (3 mm Faserlänge) die elektrische Leitfähigkeit des Zementmörtels um 4 Zehnerpotenzen steigert. Die durchgehend gute Leitfähigkeit des Materials kommt dabei durch die Ausbildung eines Kontaktbrückennetzwerks von sich berührenden Carbonfasern zustande [5]. Weiterhin kann die gute Leitfähigkeit des Zementmörtels (ca. 10-2 Ω-1 cm-1) genutzt werden, um, durch Anlegen einer geringen elektrischen Spannung (3 bis 12 V), ein Werkstück aus Zementmörtel mit zugemischten CF beheizen zu können (vgl. Abb. 4 Innenbild). So wäre beispielsweise eine Beheizung von Böden oder Wänden ohne zusätzliche Heizelemente einfach und kosteneffizient zu realisieren. Weiterhin wäre eine Widerstandsbeheizung von Faserbetonen optimal für die Enteisung von Verkehrswegen, wie z. B. Brücken, Geh- oder Radwege geeignet.
 
3D-Druck von Fibracrete
 
Das vermutlich größte Anwendungspotential dürfte der neue Werkstoff wohl zukünftig in Anwendungen entfalten, bei dem es um den 3D-Druck freitragender, bewehrungsfreier Gebäudekonstruktionen gehen wird und der Architekten und Bauplanern bislang unbekannte Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen könnte. Erste Versuche zum 3D-Druck des Werkstoffs wurden an der Universität Augsburg bereits erfolgreich durchgeführt, wie Abbildung 5 zeigt. So konnte beim Durchtritt der Mörtelmasse durch die Druckerdüse ebenfalls eine Ausrichtung der Carbon-Kurzfasern nachgewiesen werden (Abb. 5 Innenbild). Die so hergestellten faserverstärkten Werkstücke weisen bei der mechanischen Prüfung, im Vergleich zu faserfreien Mörtelproben, eine deutlich erhöhte Biegezugfestigkeit und Bruchzähigkeit auf und zeigen damit das Potential auf, das der 3D-Druck für die automatisierte Fertigung künftiger Bauwerke birgt [6].
 
So könnte mittels eines 3D-Druckers mit geeignetem Düsendurchmesser und Materialdurchsatz ein am Computer definierter Verfahrweg die Orientierung der Verstärkungsfasern nach den späteren Belastungsszenarien des Bauwerks ermöglichen. So ließen sich beispielsweise Betonkonstruktionen mit hoher Festigkeit, ohne Stahlarmierung und ohne Schalungsformen schnell und kostengünstig herstellen. Bevor jedoch die Fertigung von „Großkonstruktionen“ (z. B. ganze Gebäude) im 3D-Druck routinemäßig technisch realisierbar wird, müssen zunächst 3D-Druckersysteme entwickelt werden, die die großtechnische Verarbeitung von Portlandzementbindemitteln (typischerweise mehrere Tonnen Material pro Stunde) zuverlässig zu bewältigen vermögen. Weiterhin wird auch ein Anpassen oder gar eine Neukonzeption von Normen und Regelwerken der Bauindustrie unausweichlich werden, um eine Bemessungsgrundlage für die Planung von 3D-gedruckten, kurzfaserverstärkten Bauwerken zu schaffen.
 
Zusammenfassung
 
Das Zumischen von Carbon-Kurzfasern kann die Zugfestigkeit von zementären Baustoffen erheblich verbessern. Durch das Düsenverfahren kann weiterhin eine Ausrichtung der Kurzfasern in Zementmörteln erreicht werden, womit ein Werkstoff (Fibracrete) mit extrem hoher Biegezugfestigkeit (120 MPa) und Bruchzähigkeit bei relativ geringem Fasergehalt (1-3 Vol.-% Fasern) hergestellt werden kann. Die elektrisch leitfähigen Carbonfasern können außerdem für eine Widerstandsbeheizung genutzt werden, um z. B. kostensparend eine Wand- oder Bodenheizung zu realisieren oder Fahrbahnen zu enteisen. Der 3D-Druck bietet weiterhin die Möglichkeit, das Konzept des Düsenverfahrens zu automatisieren und hin zu einer baustellentauglichen Technologie der Zukunft zu führen, die eine Grundlage für material- und kosteneffiziente Gebäudekonstruktionen liefern könnte.
 
Danksagung
 
Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung der Firma Schwenk Zement sowie für die Unterstützung durch Fördermittel der Forschungsinitiative ZukunftBAU.
 
Zugehörigkeit
1Lehrstuhl für Festkörperchemie, Institut für Physik, Universität Augsburg, Augsburg
 
Kontakt   
Lehrstuhl für Festkörperchemie
Universität Augsburg
Augsburg 
dirk.volkmer@physik.uni-augsburg.de
 

Literatur
[1] Brückner, A.; Ortlepp, R.; Curbach, M.: Textile Reinforced Concrete for Strengthening in Bending and Shear. Materials and Structures 39 (2006) 8, S. 741-748
[2] Kahnt, A.; Schladitz, F.; Tietze, M.; Scheerer, S.; Curbach, M.: Car-bonbeton - Hochleistungsbaustoff mit Effizienzpotenzial / Carbon Concrete - a High-Performance Material with Great Efficiency Po-tential. DETAIL (2016) 4, S. 302-308
[3] Hambach, M., Möller, H., Neumann, T., Volkmer, D.: Portland cement paste with aligned carbon fibers exhibiting exceptionally high flexural strength (> 100 MPa). Cement & Concrete Research (2016) 89, S. 80-86.
[4] Hambach, M., Möller, H., Neumann, T., Volkmer, D.: Carbon fibre reinforced cement-based composites as smart floor heating materials. Composites Part B – Engineering (2016) 90, S. 465-470.

 

 

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