Hochtemperatur-Hybridimprägnierung und -beschichtung für Carbonfaserbewehrung in Carbonbeton

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Curbach; Privatdozentin Dr. Alla Synytska
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426372877

Carbonbeton besitzt hohes Anwendungspotenzial in den Bereichen Verstärkung und Neubau. Sein Einsatz ist jedoch bisher aufgrund des mangelhaften Hochtemperaturverhaltens eingeschränkt. Betonabplatzungen, Erweichung und Abbau der Polymere (Schlichte, Tränke) sowie Oxidation der Carbonfasern infolge hoher Temperaturen beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften von Carbonbeton. Weitere Untersuchungen zum Materialverhalten unter hoher Hochtemperaturbelastung sind folglich erforderlich, auch um eine umfangreiche und verlässliche Datenbank zu generieren. Die bisher bekannten Testmethoden für die Materialcharakterisierung sind häufig inkonsistent und zudem nicht zwangsläufig auf Hochtemperaturbedingungen übertragbar, weshalb die Entwicklung geeigneter Testverfahren nötig ist.Um das vorzeitige Versagen eines Carbonbetonbauteils bei Hochtemperaturbelastung zu verhindern, werden bekannte hochfeste Feinkornbetone durch Zusatz von PP-Fasern modifiziert. Darüber hinaus werden (a) Carbonfaserstränge mit einer temperaturstabilen, auf Siliziumdioxid-Hybridpartikeln basierenden Imprägnierung getränkt und (b) wird auf diese zusätzlich eine Kaolinit-Hybridpartikel-basierte Schutzschicht aufgebracht. Die plättchenförmigen Kaolinitpartikel, die mit einer Kombination aus flammhemmenden, intumeszenten und verkohlenden Polymeren funktionalisiert sind ordnen sich schichtartig um den Faserstrang an, wobei ein Adhäsionsvermittler die Haftung am Faserstrang und zum Beton hin sicherstellt. Bei hohen Temperaturen oder Feuer entsteht durch Verbrennung der Polymere eine dichte Kohleschicht, verstärkt durch plättchenförmige Tonpartikel. Diese bildet an der Faserstrang/Beton-Grenzfläche eine wirksame Barriere für Sauerstoff in die eine Richtung, für flüchtige Verbrennungsprodukte in die andere. Sie wirkt als Hitzeschutzbarriere, verlangsamt die Erweichung des Polymers und verhindert dessen Abbau. Die flammhemmende Komponente erstickt eine vorhandene Flamme und verhindert die Selbstentzündung von brennbarem Polymermaterial. Die intumeszierende Komponente kompensiert lediglich den Massenverlust der Kaolinite während des Phasenübergangs.Die Neuentwicklungen für Imprägnierung und Beschichtung werden auf Faserstränge aufgebracht. An diesen werden Zug- und Verbundtests im Normal- und Hochtemperaturbereich mit den entwickelten Versuchsaufbauten (inkl. Probengeometrie, Lasteinleitung, Messsystem, Heizmethode) durchgeführt. Ergebnis wird Grundlagenwissen über (1) die Verwendung von Kaolinit-Beschichtungen als Schutz gegen Zersetzung von mit Siliziumdioxid-Hybridpartikeln imprägnierten Kohlefasersträngen und (2) mechanische Kennwerte derartiger Carbonfaserstränge in Kombination mit Beton, jeweils bei unterschiedlich hohen Temperaturen, sein. Es werden (3) Empfehlungen für die Betonzusammensetzung mit reduzierter Abplatzneigung und (4) Testaufbauten zur Bestimmung grundlegender mechanischer Eigenschaften von Carbonbeton unter hoher Temperaturbelastung zur Verfügung gestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen