Basisvorhaben

Die Basisvorhaben befassen sich mit grundlegenden Fragestellungen zum Thema Carbonbeton.

B1: Bewehrung und Beschichtung

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Foto: filmaton.tv

Ziel des ersten Basisvorhabens ist die Entwicklung von dauerhaften und temperaturbeständigen textilen Bewehrungen und Stäben aus Carbon. Betrachtet werden die Eigenschaften der Textilbetonkomponenten und deren Wechselwirkungen sowie die Zusammenhänge zwischen Fasertyp, Schlichtesystem, Beschichtungssystem und Betonrezeptur. Um das mechanische Leistungsvermögen der Hochleistungsfasern vollständig nutzen zu können, muss Carbonbeton hinreichende Faser-Beton-Verbundeigenschaften aufweisen. Dafür werden geeignete Beschichtungen sowie verschiedene Oberflächenstrukturierungen entwickelt. Alle Ergebnisse erfahren eine ökologische Bewertung.

Vorhabenleiter
Prof. Chokri Cherif

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Steffen Rittner
Telefon: +49 351 463-39183
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B2: Bindemittel und Betone

Foto: filmaton.tv

Im Basisvorhaben B2 werden Anforderungsprofile an Bindemittel und Betone zusammengestellt , Rezepturen für hydraulisch erhärtende mineralische Matrices für Carbonbeton entwickelt, Prüftechniken sowie Prüfkriterien für Kerneigenschaften der Matrices abgestimmt. Vorhandene Lager-, Dosier- und Mischtechniken, sowie Förder-und Auftragungstechnologien werden angepasst. Ziel ist es, eine höhere Lebensdauer als bei bisher verwendeten Betonen zu gewährleisten, den Verbund zur Bewehrung zu optimieren sowie eine deutlich verbesserte Energie- und CO²-Bilanz zu erreichen. Erste Vorschläge zu Recyclingtechnologien sind auszuarbeiten.

Vorhabenleiter
Prof. Viktor Mechtcherine

Ansprechpartner
Dr.-Ing. Marko Butler
Telefon: +49 351 463-35925
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B3: Konstruktion, Bemessung, Prüfung

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Foto: TU Dresden

In Basisvorhaben B3 werden basierend auf Marktstudien Anwendungsbereiche für Carbonbeton definiert und entsprechende Konstruktionsgrundsätze abgeleitet. Die Entwicklung adäquater Bemessungs- und Sicherheitskonzepte ermöglicht die Umsetzung dieser neuartigen Konstruktionsprinzipien. Darüber hinaus wird ein Katalog standardisierter Mess- und Prüfmethoden zur Material- und Tragfähigkeitsbeurteilung von Carbonbeton unter vorwiegend ruhenden und nicht vorwiegend ruhenden Belastungen entwickelt. Ein technisches Informations-system sichert die Verbreitung, die Verwertung und die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse.

Vorhabenleiter
Prof. Manfred Curbach

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Elisabeth Schütze
Telefon: +49 351 463-36399
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B4: Multifunktionale Bauteile

CGI: HTWK Leipzig
CGI: HTWK Leipzig

Im Basisvorhaben 4 wird die Konfiguration von carbonbewehrten Bauteilen grundlegend neu betrachtet. Carbon verfügt über Eigenschaften, die ermöglichen, elektrische und digitale Funktionen, die bisher in separaten technischen Systemen abgebildet wurden, in die Carbon-Bewehrungsstruktur und die Betonmatrix zu integrieren. Aufgegriffen werden Themen wie das Monitoring der Gebäudehülle mittels Sensoren, die Energiegewinnung durch integrierte Solarzellen, Fassaden- und Raumbeleuchtung mittels LED, Tageslichtnutzung durch lichtleitende Fasern, Integration von Energiespeichern, Latentwärmespeichern und Kühlungssystemen in der Gebäudehülle.

Vorhabenleiter
Prof. Frank Hülsmeier

Ansprechpartner
Stefan Huth, M.A. Architekt
Telefon: +49 341 3076-6540
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Erste Ergebnissse aus den Basisvorhaben

Anfang 2015 startete die Phase „Basistechnologien“ mit vier Vorhaben. Jetzt, zum Ende des ersten Arbeitsjahres liegen erste Ergebnisse vor:

Basisvorhaben 1
Autor: Steffen Rittner

Probekörper Auszugsversuch-beschichteter Roving im Beton (Foto TUD ITM)
Probekörper Auszugsversuch-beschichteter Roving im Beton (Foto TUD ITM)

Das Basisvorhaben B1 beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung textiler sowie stabförmiger Bewehrung und der damit in Verbindung stehenden Beschichtung der Bewehrung für den Bereich bis 100°C und den Brandfall.

Das Vorhaben umfasst die drei Themenbereiche

  1. Faser – Schlichte – Beschichtung
  2. Textile Bewehrungsstrukturen
  3. Carbonbewehrungsstäbe

Die Arbeiten im B1 sind planmäßig verlaufen, so dass sehr gute Voraussetzungen zur Erreichung der Projektziele gegeben sind. Die Partner haben bis dato 51 unterschiedliche Beschichtungsmittel entwickelt, von denen 31 die Prüfungen wie Alkalibeständigkeit, Adhäsionsvermögen bis hin zu den Auszugsversuchen im Beton bei Temperaturen von 20°C und 100°C durchlaufen haben. Im Ergebnis konnten zwei dieser Beschichtungsmittel aufgrund überdurchschnittlicher Prüfungsresultate zur weiteren Untersuchung in Gelege-Betonverbunden empfohlen werden. Aufgezeigte Schwächen von untersuchten Beschichtungsmitteln dienen zur Weiterentwicklung der Formulierungen. Es liegen ebenfalls erste Lösungsansätze für brandfallbeständige Beschichtungen vor. Darüber hinaus sind drei neue Carbonfaserschlichten entwickelt und appliziert worden. Dieses ergab für einen Anwendungsfall besonders vielversprechende Ergebnisse. Durch die Analyse der Applikations- und Trocknungsmodule sind die notwendigen Änderungen an der Maschinentechnik vorgenommen worden. Im Rahmen des neu erarbeiteten Trocknungs- und Vernetzungskonzepts wurde die Installation zusätzlicher Infrarotstrahlungsfelder durchgeführt.

Applikationsmodul nach Überarbeitung, Grafik: TUD ITM
Applikationsmodul nach Überarbeitung, Grafik: TUD ITM

Weiterhin konnten bereits deutliche Verbesserungen an der Applikationseinheit erreicht werden. Erste Lösungen zur Verarbeitung gefachter Roving sind getestet, bewertet und für die weiterführenden Untersuchungen ausgewählt. Anhand von Strukturmustern konnten für die verbesserte Kraftübertragung mittels Formschluss erste positive Ergebnisse erreicht werden. Konzepte für Stabbewehrungen, deren Querschnittgeometrie und Funktionalisierung liegen vor.

Derzeit werden die neuen textil- und stabförmigen Bewehrungskombinationen hergestellt, so dass sie ihre positiven Eigenschaften Anfang 2016 auch in Bauteilversuchen mit größeren Abmessungen unter Beweis stellen können.

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von:

Steffen Rittner, TU Dresden
Tel.: 0351 463 39183
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Basisvorhaben 2
Autor: Kai Schneider

herstellung von Probekörpern im Gießverfahren, Foto TUD, Institut für Baustoffe
Herstellung von Probekörpern im Gießverfahren, Foto TUD, Institut für Baustoffe

Im Basisvorhaben B2 werden in enger Zusammenarbeit zwischen Industrie- und Forschungspartnern Bindemittelsysteme und Basisrezepturen für C³-Betone entwickelt.

Das Vorhaben ist in die drei Themenbereiche unterteilt:

  1. Zemente und Bindemittelsysteme für C³-Beton
  2. C³-Betone für Massenanwendungen, Fertigteile sowie Verstärkung und  Instandsetzung
  3. Innovative Materialkonzepte, Einordnung in die Wertschöpfungskette, Vernetzung

Hochfeste C³-Betone wurden mit neuartigen Bindemitteln der Fa. Dyckerhoff und Bauchemikalien der Fa. MC Bauchemie formuliert. Durch eine bis in den Feinststoffbereich optimierte Packungsdichte von Feststoffpartikeln konnte der Wasserzementwert auf Werte unter 0,3 gesenkt werden, bei gleichzeitiger Erfüllung wesentlicher betontechnologischer Anforderungen (einfache Mischtechnik, gutes Fließverhalten (vgl. Bild 1), problemlose Entlüftung). Mit einem Portlandzementklinkeranteil von unter 300 kg/m³ konnte eine deutliche Verbesserung in der Energie- und Umweltbilanz im Vergleich zu herkömmlichen Hochleistungsbetonen erreicht werden. Das Größtkorn der Gesteinskörnungen beträgt 5 mm, die Druckfestigkeit der Betone bis zu 120 MPa und das Schindmaß unter 1 mm/m. Eine hinreichende Frost-Tau-Wechselbeständigkeit ist gegeben.

Für normalfeste Betone kommen neue, nachhaltige Bindemittel der Fa. Opterra zum Einsatz. Die Arbeiten zur Optimierung des Kornbandes der Betone dauern noch an, um auch hier den Anforderungen aus Betontechnologie, Konstruktion und Ökologie zu genügen.

Völlig neue Ansätze werden bei der Gestaltung von sehr zementarmen oder zementfreien Betonen verfolgt. Bei Untersuchungen zur Eignung von marktverfügbaren Geopolymeren und alkaliaktivierten Bindern konnte deren grundsätzliche Eignung für C3 gezeigt werden. Des Weiteren wurden die Arbeiten mit ɣ-C2S-basierten Bindemitteln vor kurzem begonnen.

Der Verbund zwischen den C³-Betonen und C3-Bewehrungen hängt maßgeblich von den Eigenschaften beider Komponenten ab. Bei der Bewehrung sind die Oberflächenchemie der Garnbeschichtung und Formgebung der Garne, bei Beton die Frischbetonkonsistenz, Festigkeit und Mineralbestand die wichtigsten Einflussparameter. In Zusammenarbeit mit B1 konnten deutliche Verbesserungen des Verbundes zwischen Bewehrung und Beton erreicht werden. Zur Charakterisierung des Verbundverhaltens wurden mit B3 Prüfverfahren abgestimmt und zur Materialcharakterisierung eingesetzt.

Im Gießverfahren hergestelltes ebenes Bauteil mit komplexer Geometrie oder einfach_ einSchwibbogenaus Carbonbeton, Foto: TUD, Institut für Baustoffe
Im Gießverfahren hergestelltes ebenes Bauteil mit komplexer Geometrie oder einfach ein Schwibbogen aus Carbonbeton, Foto: TUD, Institut für Baustoffe

Die bisherigen Fortschritte bei der Betonentwicklung ermöglichen schon jetzt die Anwendung neuartiger Bauverfahren zur Herstellung ebener C3-Bauelemente mit komplexer Innenstruktur, siehe Bild.

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von:

Kai Schneider, TU Dresden
Telefon: 0351 – 463 42855
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Basisvorhaben 3
Autoren: Karoline Holz und Elisabeth Schütze

Aufbau der Zugprüfung für Carbonbeton mit textilem Gelege, Grafik: IMB RWTH Aachen
Aufbau der Zugprüfung für Carbonbeton mit textilem Gelege, Grafik: IMB RWTH Aachen

Im Basisvorhaben B3 werden Grundsätze zu Konstruktion, Bemessung und Prüfung von Carbonbeton erarbeitet.

Das Vorhaben gliedert sich in die drei Bereiche:

  1. „Konstruktionsgrundsätze und Anwendungspotentiale“
  2. „Bemessungs- und Sicherheitskonzepte“
  3. „Standardisierte Prüfkonzepte und Technisches Informationssystem“

Unter Leitung des Instituts für Betonbau der HWTH Leipzig wurden nachhaltige Anwendungsbiete für den Baustoff Carbonbeton erarbeitet und zusammengestellt. Im Weiteren wird geprüft, inwieweit die Konstruktionsgrundsätze aus den angrenzenden Bereichen Stahlbeton, Textilbeton und Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) auf Carbonbeton übertragen werden können.

In enger Zusammenarbeit zwischen Partnern des Instituts für Massivbau TU Dresden, dem Ingenieurbüro Grassl und Hentschke Bau erfolgt die Zusammenstellung von national und international verfügbaren Bemessungsansätzen für FVK stabbewehrte Bauteile. Damit werden zugleich Lücken in der Nachweisführung für Carbonbeton aufgezeigt. Außerdem erfolgt eine Wertung der Anwendungsfelder und Nachweise im Vergleich zwischen Stahlbeton und Carbonbeton. In Kooperation zwischen dem Institut für Statik und Dynamik der TU Dresden und der Firma Dlubal wird eine Bemessungssoftware für Carbonbeton entwickelt. Dafür wurden bereits entsprechende spezifische finite Elemente für Dlubal-Software adaptiert und implementiert.

In Zusammenarbeitmit dem Institut für Massivbau der RWTH Aachen, der MFPA Leipzig und dem Institut für Massivbau der TU Dresden wurden Festlegungen für die zukünftigen Standard-versuche zur Materialcharakterisierung von Carbonbeton getroffen. Dafür wurden in mehreren Serien mit verschiedenen Materialkombinationen Ringversuche zum Verbund- und Zugtragverhalten von Carbonbeton mit textilem Gelege durchgeführt. An den verschiedenen Standorten wurden zudem geeignete Versuchseinrichtungen für die Materialcharakterisierung von Carbonbeton unter nicht vorwiegend ruhender Beanspruchung aufgebaut und getestet. Erste Ergebnisse liegen sowohl für kleinformatige Zugversuche als auch für Bauteilversuche vor.

Für eine optimierte Verbreitung und Verwertung und systematische Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse wird ein technischen Informationssystems entwickelt. Dafür wurden unter anderem diverse Prüfprozesse aus den Basisvorhaben B1, B2 und B3 innerhalb der Software DETACT der Firma Symate abgebildet. Nachdem bereits die ersten Versuchsergebnisse aus den Basisvorhaben eingepflegt wurden, sollen nun kontinuierlich alle vorhanden und neu hinzukommenden Versuchsdaten in dem System erfasst werden. Zeitgleich wird am technischen Informationssystem TISC³ gearbeitet, mit dem über eine Schnittstelle zu DETACT unter anderem die automatisierte Auswertung der Daten erfolgen kann.

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von:

Elisabeth Schütze, TU Dresden
Tel: 0351/463 36399
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Basisvorhaben 4
Autorin: Jana Reise

Themenvielfalt in B4, Grafik HTWK Leipzig
Themenvielfalt in B4, Grafik HTWK Leipzig

Im Basisvorhaben 4 „Multifunktionale Bauteile aus Carbonbeton“ sollen die Potentiale des Carbonbetons für energie- und materialeffiziente Gebäudehüllen und deren multifunktionale Aktivierung untersucht werden.

Das Vorhaben ist in folgende Themenbereiche gegliedert:

  1. „Gebäudehülle“
  2. „Funktionsintegration“
  3. „Synergetische Vernetzung“

In diesen 3 Gebieten werden entsprechend unterschiedliche Forschungsansätze zur Multifunktionalität von Carbonbeton verfolgt.

Die einzelnen Lösungsansätze hinsichtlich Gestaltung, Materialkombination/-konfiguration oder technischer Umsetzung wurden in den Arbeitsgruppen der unterschiedlichen Themenbereiche zunächst von jedem Partner separat konzipiert, in ersten Gesprächen mit Partnern diskutiert und schließlich in gemeinsamen 1-2-tägigen Ideenworkshops zusammengebracht.

Im Themenbereich „Gebäudehülle“ beschäftigten sich die Arbeitsgruppen mit funktional geschichteten, massiven carbonbewehrten Gebäudehüllen bzw. mit schlanken Sandwichaufbauten in Carbonbeton. Hier wurden verschiedene Geometrien (Freiformen, kristalline Strukturen) und Lastabtragungsprinzipien (Krümmung, Faltung) sowie Materialien (Zuschläge, Dämmstoffe) untersucht, um das Potential der textil- und stabbewehrter Fassadenstrukturen auszuschöpfen und die Gebäudehüllen so zu gestalten, dass sie möglichst schlank möglichst große Lasten abtragen und zugleich eine maximale Dämmleistung erreichen. Hier existieren bereits Lösungsansätze zu Schichtaufbauten, Formgestaltung und Materialien.

Im Themenbereich „Funktionsintegration“ werden Photovoltaikkomponenten, elektrische Speicher, lichtleitende Fasern im gedämmten Sandwichquerschnitt, LEDs sowie Sensorikfunktionen auf ihr Integrationspotential in den Carbonbeton bzw. in Carbonbeton-Gebäudehüllen untersucht. Hier wurden zunächst potentielle Einsatzgebiete des multifunktionalen Carbonbetons hinsichtlich seines Mehrwertes in Wohn-, Arbeits-, Lern- und Kulturbauten aufgezeigt sowie erste Implementier-/Applikationsprinzipien der Komponenten im Zusammenspiel mit dem Carbonbeton konzipiert und diese zum Teil bereits in Handmustern realisiert. Auch in diesem Themenbereich wurden zum Teil bereits Festlegungen zu Schichtaufbauten, Technologien und Materialien vorgenommen.

Nach Sichtung der unterschiedlichen Lösungsansätze der Ideenworkshops wird aktuell im Themenbereich „Synergetische Vernetzung“ an Konzepten zu einer sinnvollen (symbiotischen) Kombination der Funktionen sowie an einer systemübergreifenden Schnittstellenlösung gearbeitet. Die Lösungen werden anschließen experimentell erprobt.

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von:

Stefan Huth, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig
0341 3076 6540
E-Mail: email hidden; JavaScript is required

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