Biaxiales Bruchverhalten von Naturfaserbeton

Das Ziel des Forschungsprojektes ist eine ausführliche und umfangreiche experimentelle Untersuchung und Auswertung von mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften von Beton, bewehrt mit Naturfasern. Das Projekt konzentriert sich auf diese Fasern, da sie in Österreich weitverbreitet sind, schwell wachsend und preislich günstig sind. Die Fasern können nach der Ernte ohne zusätzliche teure Vorbehandlung verwendet werden. Zusätzlich wird auch die Langzeitdauerhaftigkeit der Faserbetone unter verschiedenen Bewitterungseinflüssen untersucht. Dadurch wird die Weiterverwertung und Rezyklierung großer Ressourcen der österreichischen Agrarwirtschaft ermöglicht. Für die bruchmechanischen Prüfungen wird die Keilspaltmethode eingesetzt und die Kerbzugfestigkeit, Bruchenergie, Risswiderstand und charakteristische Länge bei uniaxialer und biaxialer Belastung des Faserbetons bestimmt. Diese Kennwerte der Materialeigenschaften sind von essentieller Bedeutung für die Wissenschaft und Baupraxis, sowie für optimale Modellentwicklungen und Bemessungsverfahren von Naturfaserbeton. Die wesentlichen Einflussparameter wie Typ, Länge und Volumenanteil der Fasern sowie die Betonqualität wird variiert und ihr Einfluss auf die uniaxialen und biaxialen bruchmechanischen Eigenschaften umfangreich untersucht. Anhand der gewonnenen mechanischen und bruchmechanischen Erkenntnisse wird ein analytisches Model entwickelt. Das vorgeschlagene Berechnungsmodell wird die wesentlichen Eigenschaften und Verhaltungsmoden der Naturfasern beschreiben. Es wird die praktische Berechnung von Konstruktionen aus Naturfaserbeton ermöglichen. Die durch das Forschungsprojekt gewonnenen bruchmechanischen Materialwerte sind nicht nur für die Wissenschaft sondern auch für Ingenieure der Praxis von großer Bedeutung. Naturfaserbetone können eine große praktische Anwendung bekommen, wie z.B. in Konstruktionen, wo es um die Wärmedämmung geht und niedrige Dichte erfordert ist. Beispiele sind die Außenwand-Wärmedämmungs- Verbundsysteme. Gleicherweise wird ein erheblicher Risswiderstand bei mehraxialer Belastung verlangt, wie bei Bodenplatten, Kellerwänden, Industrieböden oder bei Erhaltung und Erneuerung der bestehenden Konstruktionen. Eine sehr signifikante Einsetzbarkeit ergibt sich für Konstruktionselemente aus Naturfaserbeton bei zyklischer Belastung, bei der eine größere Energie-Absorptionsfähigkeit und ein großer Risswiderstand notwendig sind. Die gewonnenen Ergebnisse des Forschungsprojektes werden wichtige Informationen über die mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften der Naturfaserbetone liefern. Es wird ein Wissensdurchbruch im Bereich des Bauwesens erhofft, in dem erneuerbare, nachhaltige und umweltfreundliche Faserbetone ermöglicht und deren Ausnützung beschleunigt werden.

Beton ist das am häufigsten verwendete künstliche Material der Welt mit einem jährlichen Verbrauch von 3 Tonnen pro Person. Beton ist ein Verbundwerkstoff, der sehr großen Druckbelastungen tragen kann, aber unter Zugbelastung schwach ist. Aus diesem Grund wird Beton üblich Verstärkt in Form von Bewehrungsstäben oder Faserbewehrung aus Stahl, Kunststoff oder Glas. Die traditionelle Bewehrung ist jedoch extrem ressourcen- und energieintensiv in der Herstellung und führt zu hoher Kohlendioxidemission. In diesem Forschungsprojekt wurde eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Faserbeton: der Naturfaserbeton (NFC) entwickelt und seine physikalischen, mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften unter verschiedenen Belastungszuständen bestimmt. Der Einfluss aller wesentlichen Parameter, die die NFC-Eigenschaften beeinflussen, wie verschiedene Arten von Naturfasern (Hanf, Flachs, Seegras usw.), die Faserlänge, der Volumenanteil und die Matrixzusammensetzung sowie ihre Wechselwirkung wurden detailliert analysiert. Zusätzlich wurde die Beständigkeit (Langzeitverhalten) des Naturfaserbetons unter verschiedenen Umweltbedingungen untersucht und der Einfluss des Alterungsprozesses auf die Eigenschaften analysiert. Der Abfall der Eigenschaften wurde durch Zugabe von puzzolanischen Materialien (verschiedene Flugaschen) und durch den Schutz der Naturfasern in alkalischer Umgebung der Zementmatrix durch Faserimprägnierung (mit Leinsamenöl) verzögert. Die gewonnenen Ergebnisse des Forschungsprojektes liefern einzigartige, umfassende und grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften der Naturfaserbetone unter biaxialer (Zug-Druck) Belastung. Die Ergebnisse führten zu einer Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Erkenntnisse auf dem Gebiet zementartigen Naturfaser-Verbundwerkstoffen, die die mögliche Anwendung und Nutzung dieses hochattraktiven, umweltfreundlichen und nachhaltigen Baumaterials in der Zukunft beschleunigen werden.