Augsburg/MR – Zur Carbonfaser als Alternative zum Baustahl forscht ein Team aus Mathematik und Chemie der Universit?t Augsburg mit Ingenieuren der Technischen Universit?t München (TUM). Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass das gemeinsam entwickelte Produktionsverfahren die gewünschte Verteilung der Fasern realisiert und der neue Werkstoff ein sehr vorteilhaftes Verfestigungsverhalten aufweist.

??Auch wenn die Carbonfasern jeweils nur einen Durchmesser von sieben Mikrometer und eine L?nge von ca. drei Millimeter haben: Durch den Verbund von Beton mit filigranen Kohlenstoff-(Carbon)-Strukturen entsteht ein Hochleistungswerkstoff, der andere zementgebundene Werkstoffe mit Blick auf die Zugfestigkeit um den Faktor zehn übertrifft“, erkl?rt Matthias Rutzen, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Festk?rperchemie. Selbst relativ kleine Mengen optimal ausgerichteter Carbonfasern führten so zu einer au?erordentlichen Steigerung der Belastbarkeit. Der ebenfalls in Augsburg entwickelte 3D-Druck von carbonkurzfaserverst?rkten Verbundwerkstoffen birgt daher ein gro?es Potenzial für innovative Leichtbaukonzepte.

Forschende der Universit?t Augsburg sowie der TUM untersuchen die Eigenschaften des Betonwerkstoffs experimentell und virtuell weiter. Der am Lehrstuhl für Festk?rperchemie entwickelte Verbundwerkstoff erh?lt durch die Carbonfasern seine au?ergew?hnlich hohe Belastbarkeit und ist gleichzeitig dünner und leichter. Aufgrund der eingegebenen Kohlenstoff-Fasern ist er flexibel an verschiedenen Stellen in einem Bauteil einsetzbar.

Forschung zum Trag- und Ermüdungsverhalten von Carbon-Beton

Die aktuelle Aufgabe für die Forschenden ist es nun, den langfristigen Einsatz des relativ neuen Baustoffes zu prüfen und das komplexe Trag- und Ermüdungsverhalten im Dauereinsatz in Bauwerken zu verstehen. Aufgrund der Anf?lligkeit von Leichtbaustrukturbauteilen besonders für schwingende dynamische Belastungen müssen dabei hochzyklische Sch?digungsprozesse bei Zug- und Biegezugbeanspruchung berücksichtigt werden. ?Diese Erforschung findet zum einen in kleineren realen Experimenten, zum anderen aber auch in Simulationen im virtuellen Labor (?virtual lab“) statt.“ erkl?rt Dr. Ursula Wei?, wissenschaftliche Mitarbeiterin der Lehr- und Forschungseinheit Angewandte Analysis. Für diese Simulationen wird der neuartige Baustoff per Computertomographie (CT) gescannt. Die entstandenen Darstellungen bieten sich für umfangreiche mathematische Berechnungen zu den Eigenschaften des ?carbonkurzfaserverst?rkten Betons unter verschiedenen Belastungen an. Eine besondere Schwierigkeit besteht dabei in der Verbindung der Prozesse auf Mikrometer- bzw. Carbonfaserskala mit den Eigenschaften des Bauteils auf Zentimeter- oder Meterskala.

Die Forschung am Ermüdungsverhalten des neuartigen Leichtbaumaterials profitiert dabei ma?geblich von der interdisziplin?ren Zusammenarbeit der Angewandten Mathematik (Prof. Dr. Malte Peter, Dr. Ursula Wei?) und Festk?rperchemie (Prof. Dr. Dirk Volkmer, Matthias Rutzen) in Augsburg. Die Ergebnisse aus CT-basierter Untersuchung der Mikrostruktur am Lehrstuhl für Festk?rperchemie liefern zusammen mit den Ergebnissen aus Experimenten an gr??eren Bauteilen der Projektpartner aus dem Massivbau (Prof. Dr. Oliver Fischer, Philipp Lauff) und der Zerst?rungsfreien Prüfung (Prof. Dr. Christian Gro?e, Manuel Raith) an der TUM die n?tigen Daten, um Simulationsmodelle zu erstellen und zu validieren. Diese erlauben es, die beobachteten Eigenschaften des neuen Werkstoffs zu erkl?ren und Vorhersagen über das Versagensverhalten am Computer zu treffen.

Hintergrund

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2020 ?Zyklische Sch?digungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab“ forschen deutschlandweit 13 Universit?ten am Ermüdungsverhalten von Baustoffen. Für das von der Universit?t Augsburg und der Technischen Universit?t München bearbeitete Projekt ?Mehrskalenmodellierung des Sch?digungsverlaufs in der lokalisierten Bruchprozesszone eines carbonkurzfaserverst?rkten Hochleistungsbetons unter hochzyklischer Zug- und Biegezugbeanspruchung“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) kürzlich eine weitere F?rderphase bewilligt.

Ver?ffentlichung:

Rutzen, M., Lauff, P., Niedermeier, R. et al. Influence of fiber alignment on pseudoductility and microcracking in a cementitious carbon fiber composite material. Mater Struct 54, 58 (2021). https://doi.org/10.1617/s11527-021-01649-2