Gezielte Einstellung der Verbundeigenschaften und Dauerhaftigkeit hochduktiler Kurzfaserbetone auf Basis von Fasern aus recyclierbaren Polymeren und nachhaltigen Matrices

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine; Privatdozentin Dr. Alla Synytska
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455631638

Durch Bewehrung mit polymeren Kurzfasern können hochduktile, dauerhaft dehnungsverfestigende Betone (engl.: SHCC) erzeugt werden. Voraussetzung hierfür sind ausbalancierte Faser-Matrix-Wechselwirkungen und eine ausreichende Konstanz der Verbundeigenschaften über die gesamte Nutzungsdauer. Im Vorgängerprojekt wurde nachgewiesen, dass durch Oberflächenmodifizierung der Fasern deren Wechselwirkung zu zementreichen Betonmatrices und damit die Duktilität des Verbundwerkstoffs gezielt beeinflusst werden kann. Im aktuell beantragten Vorhaben soll das Verständnis dieser Zusammenhänge durch eine systematische Variation der Oberflächeneigenschaften von Fasern aus recyclebaren Polymeren sowie die Konzentration auf neuartige, nachhaltige Betonmatrices vertieft und ausgeweitet werden. Die Untersuchungen umfassen zudem das Langzeitverhalten der faserbewehrten, nachhaltigen Betone.Das Vorhaben gliedert sich in zwei Teilprojekte. Im ersten Teilprojekt werden hochmodulige Kunststofffasern (PE, PP, PET) durch chemische Anbindung und Vernetzung unterschiedlicher Substanzen modifiziert, um einerseits ein breites Spektrum verschiedener Oberflächeneigenschaften (unpolar, sauer, basisch) einzustellen und andererseits die chemische Beständigkeit der Fasern in alkalischen Matrices zu verbessern. Ein Schwerpunkt ist eine abschnittsweise Modifizierung, die eine gute Anbindung der Faserenden in der Matrix bei gleichzeitiger Ablösung und Rissüberbrückung durch die mittleren Faserbereiche ermöglichen soll.Im zweiten Teilprojekt werden die modifizierten Fasern in nachhaltige Betonmatrices eingebettet. Die Verwendung von kalziniertem Ton und Kalksteinmehl, in Anlehnung an das LC³-Konzept (Limestone Calcined Clay Cement), ermöglicht die Halbierung des Zementklinkergehalts bzw. den Verzicht auf die industriellen Nebenprodukte Flugasche und Silikastaub. Die Faser-Matrix-Wechselwirkungen werden über Einzelfaserauszugsversuche quantifiziert und die ausgebildeten Faser-Matrix-Interphasen morphologisch und physikalisch-chemisch charakterisiert, um schließlich die Faser- und Matrixeigenschaften in Beziehung zu setzen. Ein weiteres Augenmerk richtet sich auf die Schädigungsmechanismen der Faser. Das Spannungs-Dehnungsverhalten der hochduktilen Betone wird mittels einaxialer Zugversuche erfasst. Dabei sollen die Einflüsse des Mischregimes auf die Qualität des Dispergierens von Fasern und Feinstpartikeln sowie den Faser-Matrix-Verbund untersucht werden. In Langzeitlagerungsversuchen in unterschiedlichen Expositionen wird außerdem der Einfluss der Fasermodifizierungen auf die Dauerhaftigkeit der Komposite aufgeklärt. Auf Basis der Ergebnisse beider Teilprojekte wird ein empirisches Werkstoffmodell zur Verbundausbildung und ein Konzept für die gezielte Gestaltung der Faser-Matrix-Wechselwirkung nachhaltiger, hochduktiler Betone entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Marco Liebscher