Grundlagen der gezielten Gestaltung des Verbundes zwischen hochmoduligen Polymerfasern und zementbasierten Matrices

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine; Privatdozentin Dr. Alla Synytska, seit 10/2017
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280796894

Die Entwicklung neuer Werkstoffe ist im Bauwesen die treibende Kraft für Innovationen. Hierbei weisen neue zementgebundene Faserverbundwerkstoffe wie Hochduktiler Beton mit kurzen Polymerfasern ein besonders hohes Potential auf. Die mechanische Leistungsfähigkeit, vor allem die Duktilität, solcher Verbundwerkstoffe wird maßgeblich durch physikalische und chemische Interaktionen zwischen Fasern einerseits und zementbasierten Matrices anderseits bestimmt.Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Wechselwirkungen zwischen hochmoduligen Kunststofffasern (PVA, HDPE) mit unterschiedlichen Oberflächenfunktionalisierungen und zementgebundenen Matrices zu beschreiben, die den Wechselwirkungen zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären und daraus ein Konzept zur gezielten Gestaltung dieser Wechselwirkungen zu entwickeln. Durch die Modifikation der Faseroberflächen und die Variation der Matrixzusammensetzungen soll eine Gestaltung der Faser-Matrix-Interphase auf molekularer bzw. mikroskopischer Betrachtungsebene und damit eine zielsichere Steuerung der makroskopischen Eigenschaften (Werkstoffdesign) von Faserbetonen ermöglicht werden. Das Forschungsvorhaben ist in zwei Teilprojekte gegliedert. In einem Teilprojekt sollen die Oberflächen von PVA- und HDPE-Fasern gezielt modifiziert werden, um unterschiedliche Funktionalitäten zur Anbindung an die Zementmatrix zur Verfügung zu stellen. Dazu werden basische oder saure Oberflächeneigenschaften sowie verschiedene Grade der Hydrophobierung eingestellt. Für HDPE-Fasern ist eine Niederdruck-Plasma-Aktivierung vorgesehen, die dann als Grundlage für weitere chemische Modifizierungen dient. Eine besondere Herausforderung bei den Modifizierungsschritten ist der Erhalt der hohen Kristallinität und damit der Festigkeit im Bulkmaterial. Die Fasercharakterisierung erfolgt mit dafür adaptierten Methoden zur Erfassung der chemischen Fasermorphologie, Strömungspotentialmessung, Oberflächentopographie und Oberflächenenergie.Im anderen Teilprojekt werden durch die Einbettung der gezielt funktionalisierten PVA- und HDPE-Fasern in verschiedene Matrices Interphasen mit unterschiedlicher mikrostruktureller Gestalt und Faseranbindung erzeugt. Die Auswirkungen der Interphasengestalt auf den Faser-Matrix-Verbund werden mit Auszugversuchen an Einzelfasern untersucht. Die Gefügemorphologie und der Phasenbestand der Interphase werden eingehend untersucht und unter Berücksichtigung der Oberflächeneigenschaften der Fasern sowie der Ergebnisse der mikrostrukturellen und chemischen Charakterisierungen der Matrices erklärt. Die zeitliche Entwicklung der Material- und Verbundeigenschaften wird für unterschiedliche Lagerungsbedingungen der Proben untersucht. Zum besseren Verständnis des Verbundverhaltens der Fasern wird ein rheologisch-statistisches Werkstoffmodell entwickelt. Auf Basis aller Ergebnisse und Erkenntnisse wird ein Konzept für eine gezielte Gestaltung der Wechselwirkung zwischen Fasern und Zementmatrix erarbeitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Cornelia Bellmann, bis 9/2017