Verbund zwischen UHPFRC und Konstruktionswerkstoffen

Die hervorragenden Eigenschaften von ultrahochfestem faserverstärkten Beton (UHPFRC) sind Dauerhaftigkeit, Festigkeit und Duktilität. Vielfältige Möglichkeiten für neue Entwicklungen im Bauwesen eröffnen sich daher. Zum einen erlauben die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften des UHPFRC die Umsetzung von schlanken und leichten Bauteilen, die in ihrer ästhetischen Leichtigkeit Stahltragwerken gleichkommen. Zum zweiten kann seine Fließfähigkeit im Verarbeitungszustand genutzt werden, um einen guten Verbund zu andern Konstruktionswerkstoffen herzustellen. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist die Glas-Beton-Verbundbauweise, die die Robustheit von Stahlbeton mit der Eleganz und Transparenz von Glas verbindet. Mischbauweisen (Verbundbauweisen) sind durch einen guten Verbund zwischen unterschiedlichen Elementen möglich. Viele Faktoren beeinflussen den Verbund, wie die chemische Zusammensetzung, die Benetzung, die Rauheit und die Gestalt der Oberfläche, was zu verschiedenen Verbundmechanismen führt. Die komplexen Zusammenhänge sind für UHPFRC und weitere Materialien noch nicht untersucht. Vorhandene Modelle berücksichtigen nur eine mittlere Rautiefe und die Betonfestigkeit. Dieses Forschungsvorhaben ist ein multi-disziplinärer Zugang, um die erwähnten Phänomene zu studieren. Untersuchungen der Grenzfläche mittels Elektronenmikroskopie und industrieller Computertomographie werden Aufschlüsse über die chemischen und geometrischen Mechanismen des Haftverbundes geben. Mit Hilfe thermodynamischer Modelle und der Messung der Oberflächenenergien sollen zwischenmolekulare Kräfte ermittelt werden. Die vorgeschlagene Theorie basiert auf der Korrelation zwischen wahrer Kontaktfläche und Haftkraft. Deshalb muss die Oberflächengeometrie im feinmikroskopischen Maßstab vermessen werden. Die erforderliche Auflösung der Messung und die Datenauswertung hängen von den Benetzungseigenschaften des aufgebrachten UHPFRC ab. Ein umfangreiches mechanisches Testprogramm wird die erforderlichen Daten liefern, um ein Berechnungsmodell für den Haftverbund und auch eine Spannungs-Verformungsbeziehung zu finden. Die Ergebnisse des Projekts werden die Basis für das zuverlässige Bemessen von innovativen Verbundbauweisen mit UHPFRC darstellen. Darüber hinaus sollte das theoretische Modell, das auf einfache Weise die auftretenden Phänomene beschreibt, auch auf andere Materialien übertragbar sein.

Ultra hochfester Beton (UHPC) ist ein neuartiger, mineralischer Werkstoff, der nicht nur in der Architektur sondern auch in der Nachhaltigkeit von Infrastrukturbauwerken wie Brücken eine enorme Entwicklung bewirkt. Da er immer in Verbindung mit Komponenten aus anderen Werkstoffen (Stahlstäbe, Glasscheiben, Stahlfasern, Glasfasern) eingesetzt wird, spielt seine Haftfähigkeit an diesen Materialien eine große Rolle. Bekannte Klebewirkungen wie das Anklammern an feinste Oberflächenstrukturen durch langkettige Riesenmoleküle treten bei UHPC nicht auf. Deshalb wurden in diesem Projekt die ihm eigenen Haftmechanismen und die Stärke der Haftung an Stahl und Glas auf Mikro- und Makroebene erforscht. Es zeigt sich, dass die Haftung an glatt poliertem Stahl, wo ausschließlich Anziehungskräfte zwischen den Partnermolekülen wirken können, prinzipiell so hoch ist, dass unter Belastung der UHPC zuerst versagt. Diese hohe Qualität der Haftung kann aber nur erreicht werden, wenn die Schrumpfung des UHPCs, die sich während der Erhärtung einstellt, klein ist. Anderenfalls entstehen schon wenige Stunden, nachdem der Kontakt zwischen dem zähflüssigen UHPC und seinem Partner hergestellt wurde, Risse. Da sich der UHPC in diesem jungen Alter noch sehr leicht verformen lässt, stellen sich vorerst keine inneren Zwänge ein. Im Laufe der Erhärtung ändert sich dies und entlang jedes Risses konzentrieren sich innere Spannungen in der Kontaktfläche, die versuchen, den UHPC vom Untergrund abzulösen. Das Projekt liefert alle Erkenntnisse, um die Reduktion der Haftung infolge innerer Zwänge im Anwendungsfall rechnerisch vorhersagen zu können. Aus chemischer Sicht könnte die Haftung an Glas noch besser sein als auf Stahl. Jedoch ist die Oberflächenenergie des Glases so groß, dass es unmittelbar nach der Benetzung das Wasser des flüssigen UHPCs vermehrt an seine Oberfläche saugt. Dadurch sind die bei der Erhärtung entstehenden Moleküle des UHPCs um wenige Zehntel- Nanometer weiter entfernt von der Oberfläche. Das reicht aus, um die Haftung an Glas nur ungefähr halb so groß werden zu lassen wie an Stahl. In einem Versuchsprogramm mit unterschiedlichen Beanspruchungsrichtungen der Kontaktfläche wird entdeckt, dass sich bekannte Gesetze der Reibung auf das intermolekulare Kräftespiel in der Kontaktfläche übertragen lassen. Für Stahl kann sogar gezeigt werden, dass der Reibungsbeiwert im Molekülmaßstab gleich hoch ist wie man ihn bei Bauteilgröße beobachten kann. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen lässt sich die Wirksamkeit von aufgerauten Oberflächen aus physikalischer und geometrischer Sicht erklären. Aufgrund der gegenüber Stahl erstaunlicher Weise größeren Reibung zwischen Glas und UHPC -was zwar auf Makroebene noch nicht bestätigt wurde- ergibt sich bei Glas auch eine höhere Effizienz durch Aufrauen. Vermutungen, dass das in Porenräumen eingelagerte Wasser für die Haftung verantwortlich sei, können eindeutig widerlegt werden. Das ist für die Dauerhaftigkeit solcher Haft-Verbindungen in der Baupraxis von großer Bedeutung.