V-I.3 Carbon-Carbon-Strukturen zur Betonbewehrung

Foto: DLR e.V.

Der Einsatz von Bewehrungen aus Carbonfasern im Beton ermöglicht materialsparendes und dauerhaftes Bauen. Die gegenüber konventionellem Stahlbeton deutlich dünneren Bauteile erfahren bei einer Brandbelastung aber auch eine viel schnellere Erwärmung, da weniger thermische Speichermasse im Bauteil vorhanden ist. Die schnellere Erwärmung der dünnen Bauteile führt zwangsläufig auch zu einer schnelleren Erwärmung der Bewehrungsstruktur im Betonbauteil.

Derzeit verfügbare, faserbasierte Bewehrungsstrukturen für Beton sind i. d. R. Verbundwerkstoffe aus einem Fasermaterial (z. B. Glas, Carbon) und einer polymeren Matrix (z. B. Thermoplaste, Duroplaste). Die polymere Matrix verbessert die Robustheit der Bewehrungsstrukturen, sichert den inneren Verbund und definiert die Oberflächen- und Verbundeigenschaften zum Beton. Die breite Anwendung dieser Bewehrungen im Beton wird häufig durch den ungenügenden Brandwiderstand behindert. In einem Brandfall erweicht oder zersetzt sich das Polymer. Damit wird sowohl der innere Verbund der Filamente als auch der Verbund zum Beton aufgehoben. Das Verbundmaterial aus Beton und degenerierter Bewehrung kann den einwirkenden mechanischen Belastungen nicht mehr standhalten und versagt.

Foto: TU Dresden, IfB – Simone Hempel | Cfaser im Beton

Durch den Einsatz polymerfreier Verbunde aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C, Carbon-Carbon) als Bewehrungen im Beton sollen sich Bauwerke aus C³ auch für den Lastfall Brand sicher und ökonomisch bemessen und bauen lassen. Das Temperaturverhalten der C/C-Bewehrungen unterscheidet sich prinzipiell nicht von dem der Carbonfasern, da auch die Matrix zwischen den Fasern aus Carbon besteht. Im Vorhaben soll eine Methode zur Herstellung von C/C-Strukturen zur Betonbewehrung entwickelt werden. Wesentliche Teilziele sind die Erarbeitung der stofflichen Grundlagen zur Herstellung von C/C-Verbunden aus Carbonfasern in einer Carbonmatrix, die Entwicklung der technologischen Grundlagen zur Imprägnierung, Formung und thermischen Prozessführung bei der Herstellung von CFK-Vorkör-pern und deren delaminationsfreier Pyrolyse zu C/C-Verbunden, die Bestimmung wesentlicher mechanischer und oberflächenphysikalischer Eigenschaften der C/C-Bewehrungsele-mente sowie die Ermittlung der Verbundeigenschaften zu mineralischen Matrices bei Temperaturen bis 500 °C.

Durch die Entwicklung von C/C Bewehrungselementen, deren Matrix nicht mehr aus Polymeren, sondern aus Carbon besteht, soll das Tragverhalten der bewehrten Bauteile im Brandfall deutlich verbessert werden. Die Herstellung von C/C-Verbundwerkstoffen über Polymerinfiltration und Pyrolyse (PIP) ist Stand der Technik. Beim PIP-Verfahren wird zunächst ein CFK-Vorkörper (carbonfaserverstärkter Kunststoff) hergestellt. Hierzu werden aus der Kunststoffindustrie bekannte Verfahren eingesetzt, die an die Verarbeitung spezieller Hochtemperaturprecursoren (z. B. Phenolharze) angepasst werden müssen. Im zweiten Prozessschritt erfolgt die Pyrolyse des CFK-Vorkörpers bei Temperaturen oberhalb 900 °C in Schutzgas. Dabei wird die polymere Matrix unter Abspaltung flüchtiger Bestandteile zu einer glasartigen Carbonmatrix umgewandelt. Durch den Volumenschwund der Matrix, in Wechselwirkung mit den geometrisch stabilen C-Fasergerüsten entstehen innere Spannungen, die zur Ausbildung eines Mikrorisssystems und damit zu einem porösen C/C-Vorkörper führen.

Die offene Porosität dieser C/C-Werkstoffe kann durch mehrfaches Wiederholen der PIP auf Werte unter 10 Vol.-% gesenkt werden. Der resultierende C/C-Werkstoff ist eine reine Kohlenstoffstruktur und es liegen keine polymeren Anteile mehr vor. In sauerstoffhaltiger Umgebung sind diese Strukturen bis zu Temperaturen von ca. 450 °C stabil. In sauerstofffreier Umgebung können die Strukturen mit Temperaturen bis weit über 1000 °C belastet werden, ohne ihre Festigkeit zu verlieren. Die C/C-Bewehrungsstrukturen sollen als Stäbe und voraussichtlich auch als flächige Bewehrungen hergestellt werden.

Das Vorhaben gliedert sich in folgende Arbeitspakete (AP):

AP 1    Entwicklung von C/C-Strukturen
– Anforderungsprofil und Werkstoffauswahl
– Herstellung von C/C-Strukturen

AP 2    Charakterisierung der C/C-Strukturen
– Mikrostrukturelle Charakterisierung
– Thermo-mechanische Eigenschaften der C/C-Stäbe

AP 3    C/C-Strukturen im Beton
– Verbundeigenschaften
– Mikrostrukturelle Charakterisierung
– Bewertung der Ergebnisse

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

Verbundkoordinator
Deutsches Zentrum für Luft- u. Raumfahrt e. V.

Vorhabenleiter
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dietmar Koch

Ansprechpartner
Bernhard Heidenreich
+49 711 68 62 410
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Technische Univeristät Dresden, Institut für Baustoffe
Dr.-Ing. Marko Butler
+49 351 463 35925
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Beteiligte C³-Partner

  1. Technische Univeristät Dresden – Institut für Baustoffe
  2. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Laufzeit: 01.04.2017 –  31.09.2018