Extruded thin-walled textile reinforced concrete components with flexible shape

  • Extrudierte, dünnwandige Textilbetonbauteile mit flexibler Umformung

Kalthoff, Matthias; Matschei, Thomas (Thesis advisor); Mechtcherine, Viktor (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Eine der zentralen Herausforderungen im Betonbau besteht derzeit darin, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Dafür werden sowohl in der Wissenschaft als auch in den F & E Abteilungen der Industrie innovative Methoden erprobt, CO2-reduzierte Materialien entwickelt und Konstruktionsprinzipien umgesetzt. Dabei werden neben der Entwicklung neuer ressourcenschonender Baumaterialien innovative Herstellverfahren wie die additive Fertigung erprobt, um das Material lediglich dort einzusetzen, wo es tatsächlich benötigt wird. Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz von Textilbeton, bei dem gitterförmige Bewehrungen aus z. B. Glas-, Basalt-, Aramid- oder Carbonfasern verwendet werden, die eine deutlich höhere Zugfestigkeit als konventioneller Baustahl aufweisen. Als chemisch inerte Werkstoffe bieten insbesondere Carbonfasern den zusätzlichen Vorteil der Korrosionsunempfindlichkeit und sind somit für die Realisierung dauerhafter materialsparender Hochleistungsbetonelemente besonders geeignet. Ein innovatives Verfahren zur Umsetzung neuartiger Konstruktionsprinzipien aus Carbonbeton stellt das Extrusionsverfahren dar. Hierbei werden feste bis zähflüssige Materialien durch einen Extruder gefördert und durch ein formgebendes Mundstück gepresst. Auf diese Weise können maßhaltige lineare Bauteile effizient und schalungsfrei hergestellt werden. Erste Ansätze zur Integration von flexibel getränkten Textilien in einem Laborextruder wurden bereits 2012 am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) durchgeführt. Für die Umsetzung von Hochleistungstextilbetonelementen mit nachgeschalteter longitudinaler und transversaler Umformung mit einem Laborextruder fehlt es an den technischen und wissenschaftlichen Grundlagen. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Stand der Forschung zum Textilbeton, zur Betonextrusion und zur Form optimierter Konstruktionen dargestellt. Im Anschluss sind die 4 wissenschaftlichen Artikel, die den Kern zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragestellungen dieser Arbeit darstellen, aufgeführt. In Kapitel 2 werden die Grundlagen für die Entwicklung eines innovativen Mundstücks dargelegt, mit der die Integration von beliebig steif getränkten Textilien im Betonextrusionsprozess ermöglicht wird. In Kapitel 3 wird die Entwicklung eines Testverfahrens beschrieben, mit dem Betonmischungen bereits vor der eigentlichen Extrusion ausreichend genau beschrieben werden können, um eine fehlerfreie Extrusion im LabMorTex vorherzusagen. In Kapitel 4 wird das Umformverhalten des (un-)bewehrten, mikrofaser- und textilbewehrten Betons nach der Extrusion untersucht. Ziel der Untersuchungen ist es, die technischen Grenzen des longitudinalen und transversalen Umformens für die Realisierung materialminimierter Strukturen aufzeigen zu können. In Kapitel 5 wird der Entwurf und in Kapitel 6 die Ausführung eines innovativen Wand- bzw. Deckenelements beschrieben, welches aus extrudierten textilbewehrten Bauteilen zusammengesetzt wird. Zusätzlich wird das Deckenelement mit einem äquivalenten Stahlbetonsystem gleicher Abmessungen und Biegetragfähigkeit verglichen, im Hinblick auf die Nachhaltigkeit überprüft und statisch bemessen. Ziel der Untersuchung ist die exemplarische Umsetzung der in Kapiteln 2-4 erlangten Erkenntnisse in einem Bauteil. Abschließend werden in Kapitel 6.3 die Ergebnisse der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen des extrudierten Betons dargestellt und diskutiert.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Baustoffkunde [311110]