Carbonfaserverstärkung kombiniert mit der ausrichtenden Wirkung des 3D-Drucks
Es wird seit langem versucht, die Verwendung herkömmlicher Stahlbewehrung durch geeignete alternative Materialien abzulösen. Dabei steht vor allem die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund. Durch aktuelle werkstoffwissenschaftliche Grundlagenforschung an der Universität Augsburg wurde ein innovativer zementgebundener Verbundwerkstoff mit ausgerichteten Carbonkurzfasern entwickelt, der deutliche Vorteile im Hinblick auf Dauerhaftigkeit und Tragfähigkeit gegenüber Stahlbeton bietet.
In dem neuen Werkstoff kommen durch thermische Behandlung oxidierte Carbonkurzfasern zur Verwendung, die mittels eines düsengestützten Herstellungsverfahrens in Beanspruchungsrichtung orientiert werden. Die Fasern werden bei einer bestimmten Temperatur im Muffelofen erwärmt, wodurch die Faseroberfläche einerseits von der im Werk aufgebrachten Schlichte befreit und andererseits mit Sauerstoff angereichert wird. Dadurch ergibt sich ein deutlich besserer Verbund zwischen Faser und Zementmatrix. Die Fasern werden hydrophil, wodurch weniger Faseragglomerationen entstehen. Dies ist besonders wichtig, da der Beton durch eine wenige Millimeter breite Düse extrudiert werden muss, um eine Faserausrichtung zu bewirken. Durch dieses Extrusionsverfahren können in der Ebene etwa doppelt so viele Fasern in der gewünschten Richtung ausgerichtet werden, als es bei gegossenen Probekörpern der Fall ist.
Die Carbonkurzfasern bewirken, dass sich im Betonquerschnitt nach dem Initialriss weitere Risse einstellen, sodass statt einem einzelnen Ma-kroriss viele Mikrorisse vorhanden sind. Dadurch ergibt sich mit fortschreitender Verformung der Effekt einer höheren Tragfähigkeit, welcher Verformungs- oder Dehnungsverfestigung genannt wird. Die Steigerung der Biegezugfestigkeit im Nachrissbereich kann so bei 3,0 Vol.-% Carbonfasern um mehr als das 13-fache auf 120 MPa [1] im Vergleich zu unbewehrten Proben gesteigert werden. Bemerkenswert ist dabei, dass Druck- und Biegezugfestigkeit gleich groß sind. So können – ganz ohne Betonstahl – sehr hohe Zugspannungen aufgenommen werden. Weitere Vorteile des neuen Verbundwerkstoffs sind die sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und die Verwendbarkeit von recycelten Carbonfasern.
