de.wedoany.com-Bericht: Ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der Pennsylvania State University hat eine Methode entwickelt, um die Kosten für ultrahochfesten Beton zu senken. Dabei können die Ausgaben um bis zu 75 % reduziert werden, während die Festigkeit, Duktilität und Haltbarkeit des Materials erhalten bleiben.
Beton ist der weltweit am häufigsten verwendete Baustoff, jedoch spröde und neigt unter Zugspannung zur Rissbildung. Ultrahochfester Beton (Ultra-high-performance concrete, UHPC) zeichnet sich durch seine dichte Struktur und extreme Haltbarkeit aus und widersteht Rissen durch innenliegende Metallfasern. Diese Metallfasern führen jedoch dazu, dass die Materialkosten bis zu 30-mal höher sein können als bei herkömmlichem Beton. Das Forschungsteam führte eine Reihe von Tests durch, um die physikalische Festigkeit und Duktilität verschiedener UHPC-Mischungen zu messen, darunter experimentelle Varianten mit metallischen und nichtmetallischen Faserverstärkungen. Die Tests identifizierten mehrere optimierbare Schlüsseleigenschaften, die eine Kostensenkung bei gleichbleibend hervorragender Leistung ermöglichen. Basierend auf der Bewertung entwickelte das Team eine neue Entwurfsmethode, die Materialherstellern, Infrastrukturbetreibern und Bauunternehmen helfen kann, Geld zu sparen und stärkeren, umweltfreundlicheren Beton zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cement and Concrete Composites“ veröffentlicht.
Farshad Rajabipour, Mitautor der Studie und John-and-Harriett-Shaw-Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Leiter der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Pennsylvania State University, erklärte, dass UHPC zu einem Schlüsselmaterial für den Bau großer, langlebiger Strukturen wie Brücken, Hochhäuser oder Küsteninfrastruktur wie Fluttore geworden sei. Es trage insbesondere dazu bei, Bau- und Reparaturzeiten beim beschleunigten Brückenbau von Monaten auf Tage oder Wochen zu verkürzen. Er ist auch Mitglied des Larson Transportation Institute und des Materials Research Institute. Die Festigkeit und Duktilität des Materials beruhen auf Tausenden winziger Stahlfasern im Inneren, von denen jede 13 mm (etwa einen halben Zoll) lang und 0,2 mm dick ist. Diese Fasern verankern sich mechanisch in der Zementmatrix und bilden ein Material, das unter extremer Zugspannung flexibel bleibt.
Rajabipour wies darauf hin, dass die Fasern der Hauptgrund für den Preisanstieg seien: Die Fasern, die nur etwa 2 % des Gesamtvolumens des Materials ausmachen, seien für etwa 70 % der Gesamtkosten verantwortlich. UHPC wird oft als vorgemischte, abgepackte proprietäre Mischung verkauft, was die Nutzungskosten weiter erhöht. Zur Optimierung der Fasern stellte das Team 15 verschiedene UHPC-Mischungen her, von denen neun Metallfasern in unterschiedlichen Konzentrationen und Ausführungen verwendeten, um zu prüfen, ob mit weniger Material die gleiche Leistung erzielt werden kann. Das Team testete Fasern unterschiedlicher Länge, Breite und Form, darunter Designs mit Einkerbungen, Verdrehungen und kleinen Haken. Die weiteren sechs Mischungen verwendeten nichtmetallische Fasern aus fibrillierten Glasfäden, Basalt sowie glas- oder kohlenstofffaserverstärkten Polymeren.
Die Proben durchliefen eine Reihe von Tests zur Bewertung der Fließfähigkeit, Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität und Verbundfestigkeit. Das Team beobachtete, dass die beiden getesteten Metallfasern – Mikrostahlfasern und profilierte Stahlfasern – ihre Leistung auch dann beibehielten, wenn das Gesamtfaservolumen halbiert wurde. Fasern mit einem höheren Aspektverhältnis zeigten deutlich verbesserte Zugeigenschaften. Die Gestaltung der Verbindung zwischen Faser und Matrix, sodass die Fasern vor dem Bruch unter Belastung aus dem Beton gezogen werden, sei entscheidend für die Aufrechterhaltung einer hohen Leistungsfähigkeit. Obwohl kommerzielle nichtmetallische Fasern in ihrer Leistung noch hinter Stahlfasern zurückbleiben, könnten bessere Designs Fasern hervorbringen, die ähnliche Eigenschaften wie Metall, aber zu geringeren Kosten bieten.
Als Nächstes plant das Team, verschiedene Faserzusammensetzungen zu untersuchen, neuartige nichtmetallische Fasern zu erforschen und die Herstellungsmethoden zu optimieren. Gleichzeitig wird weiterhin an Möglichkeiten zur Reduzierung der CO₂-Emissionen im UHPC-Produktionsprozess geforscht. Rajabipour erklärte, dass Fasern nicht nur der größte Kostenfaktor, sondern auch der größte Emissionsfaktor seien. Die Forschung biete daher nicht nur Wege zur Senkung der Materialkosten, sondern auch zur Verringerung der Umweltauswirkungen. Weitere Mitautoren der Arbeit sind Abdullah Al Moman (Doktorand an der Pennsylvania State University, heute Bauingenieur für Tragwerksplanung bei Dutchland), Deepika Sundar (heute Forschungswissenschaftlerin bei CalPortland), Amir Alarab (heute Bauingenieur bei AECOM) sowie Shaohua Chu (Assistant Research Professor für Bauingenieurwesen an der Pennsylvania State University) und Jovan Tatar (außerordentlicher Professor für Bau-, Umwelt- und Architekturtechnik an der University of Delaware). Die Studie wurde vom US-Verkehrsministerium und dem Verkehrsministerium von Pennsylvania finanziert.
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