Basis for the purposeful design of the bond between high-modulus polymer fibres and cement-based matrices
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens sollte die Rolle der Oberflächeneigenschaften (Ladung, Benetzbarkeit) von Polymerfasern in Hinblick auf deren physikalisch-chemische Wechselwirkung zu zementbasierten Matrices aufgeklärt werden, um für kurzfaserbewehrte Kompositmaterialien zielführende Modifikationsansätze zur Erhöhung der mechanischen Leistungsfähigkeit abzuleiten. Die wesentlichen Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Durch nasschemische Modifizierung von gereinigten Poly(vinylalkohol)-(PVA-) Kurzfasern mit sauren und basischen Polyelektrolyten sowie verschiedenen Aldehyden konnten deren Benetzbarkeit (Polarität) und Säure-Base-Eigenschaften unabhängig voneinander eingestellt und die mechanischen Eigenschaften der Fasern verbessert werden. Anhand von Einzelfaserauszugversuchen wurde festgestellt, dass die polyelektrolytmodifizierten PVA- Fasern ebenso wie die unmodifizierten Fasern sehr feste Bindungen mit der Matrix eingehen, was kein gesteuertes Ablösen der Fasern ermöglicht und zu einem frühzeitigen Faserbruch führt. Folglich war nur eine geringe Änderung des Spannungs-Dehnungsverhaltens der zementgebundenen Komposite zu verzeichnen. Zetapotenzialmessungen in Porenlösung (flüssige Phase der frischen Zementsuspension) zeigten, dass die Ladungen auf der Faseroberfläche durch den Ionenüberschuss in der Porenlösung abgeschirmt werden und somit das durch die Polyelektrolyte eingestellte Säure-Base-Verhalten der Faseroberfläche nur eine untergeordnete Rolle für die Faser-Matrix-Wechselwirkung spielt. Die kovalente Anbindung des hydrophoben Aldehyds Butanal auf PVA-Fasern bewirkte hingegen eine signifikante Abschwächung der Bindungen zwischen Faser und Matrix, die sich bei Einzelfaserauszugversuchen in einem vollständigen Auszug der Faser bereits bei kleinen Kräften äußerte. Das Spannungs-Dehnungsverhalten der hochmoduligen Polymerkurzfasern wurde durch die Modifikationen nicht beeinträchtigt. Durch Variation der Reaktionsbedingungen konnte der Effekt der Butanal-Modifizierung gezielt eingestellt werden. Im Hinblick auf ein quasi-duktiles Verhalten kurzfaserbewehrter Betone konnte damit eine vorteilhafte, ausgewogene Faser-Matrix-Wechselwirkung erzielt werden. Die im Rahmen des Vorhabens geplante Modifizierung von hochdichten Polyethylen- (HDPE-) Fasern durch Plasmaaktivierung und anschließende chemische Modifizierung stellte sich als wenig zielführend heraus. Einerseits war die für eine gleichmäßige Aktivierung notwendige Vereinzelung der Kurzfasern in der Plasmaapparatur praktisch sehr schwer realisierbar, anderseits bewirkte die Plasmabehandlung deutliche Einbußen bei der Zugfestigkeit der Fasern. In Einzelfaserauszugversuchen wurde teilweise eine erhöhte Wechselwirkung der plasmabehandelten HDPE-Fasern mit der Matrix festgestellt, es ergab sich jedoch kein eindeutiger Einfluss auf das Spannungs-Dehnungsverhalten der faserverstärkten zementgebundenen Komposite. Auch die als Alternative erprobte strahlenchemische Aktivierung der HDPE-Fasern durch Elektronenstrahlen bewirkte eine mechanische Schädigung der Fasern. Als vielversprechende Grundlage für eine Modifizierung von HDPE-Fasern erwies sich hingegen das Aufbringen einer selbstpolymerisierenden Polydopaminschicht, die durch eine Nachvernetzung für den Einsatz im Zementstein/Beton basenstabil gemacht wurde. Dieses Konzept soll in einem Nachfolgeprojekt weiterverfolgt und auch für andere Faserarten wie Polyethylenterephthalat angewendet werden. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine Reihe komplementärer physiko-chemischer Untersuchungsmethoden (Kontaktwinkel- und Zetapotenzialmessungen, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Mikroskopie-Techniken) für die Charakterisierung von Kurzfasern methodisch weiterentwickelt. Die damit gewonnenen Daten dienten dem Nachweis der Modifizierungen und der Quantifizierung der Oberflächenfunktionalitäten der Fasern. Insgesamt kann festgehalten werden, dass Polymerkurzfasern zielgerecht modifiziert werden konnten, was die Verwendung dichterer und festerer Betonmatrices erlaubt. Somit lassen sich die mechanische Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit hochduktiler Betone weiter verbessern, was Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein soll.
Publications
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Tensile behavior of high-strength strain-hardening cement-based composites (HS-SHCC) made with high-performance polyethylene, aramid and PBO fibers. Cement and Concrete Research 98 (2017) 71-81
I. Curosu, M. Liebscher, V. Mechtcherine, C. Bellmann, S. Michel
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High-Strength, Strain-Hardening Cement-Based Composites (HS-SHCC) Made with Different High-Performance Polymer Fibers. International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018): Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, (2018) 375 – 381
M. Liebscher, I. Curosu, V. Mechtcherine, A. Drechsler, S. Michel
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Influence of fiber type and matrix composition on the tensile behavior of strain-hardening cement-based composites (SHCC) under impact loading. Schriftenreihe des Institutes für Baustoffe, Heft 2018/1, ISBN: 978-3-86780-555-1
I. Curosu
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Surface modification of poly(vinyl alcohol) fibers to control the fiber-matrix interaction in composites. Colloid and Polymer Science 297 (2019) 1079-1093
A. Drechsler, R. Frenzel, A. Caspari, S. Michel, M. Holzschuh, A. Synytska, I. Curosu, M. Liebscher, V. Mechtcherine
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Surface Modification of Polymeric Fibers to Control the Interactions with Cement-Based Matrices in Fiber-Reinforced Composites. Key Engineering Materials 809 (2019) 225-230
A. Drechsler, R. Frenzel, A. Caspari, S. Michel, M. Holzschuh, A. Synytska, M. Liebscher, I. Curosu, V. Mechtcherine
