Beton drucken, Bewehrung injizieren
Epoxidharz und Carbonfasern für materialoptimierte Tragwerke
Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung geometrisch komplexer Betonbauteile. Hohlräume, Verzweigungen und frei geformte Strukturen lassen sich ohne aufwendige Schalungen fertigen. Für tragende Konstruktionen stellt sich allerdings die Frage nach einer geeigneten Bewehrung. Während Beton hohe Druckkräfte aufnehmen kann, ist seine Zugfestigkeit begrenzt. Konventionelle Bewehrungsstäbe lassen sich bei komplexen Geometrien nur schwer in den additiven Fertigungsprozess integrieren. Am Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen der TU Kaiserslautern, heute Teil der RPTU Kaiserslautern-Landau, untersuchten Wolfgang Breit und Daniel Nyman deshalb eine Alternative.
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Zwischen 2018 und 2021 arbeiteten die beiden Wissenschaftler an dem von Zukunft Bau geförderten Forschungsprojekt Entwicklung eines Verfahrens zur Bewehrung 3D gedruckter Betonkörper. Der Ansatz: Die Bewehrung wird erst nach dem Druckprozess in den Betonkörper eingebracht. Ihre Lage und Geometrie orientieren sich an den zuvor berechneten Zugbeanspruchungen. Ziel war es, die Tragfähigkeit zu erhöhen und zugleich Beton in gering beanspruchten Bereichen einzusparen.
Bewehrung entlang der Zugkräfte
Grundlage des Verfahrens ist der 3D-Pulverdruck. Dabei wird ein trockener, zementgebundener Werkstoff schichtweise aufgetragen und durch eine gezielt aufgebrachte Bindemittelflüssigkeit in den vorgesehenen Bereichen verfestigt. Das umgebende, lose Pulver stützt die entstehende Struktur während der Herstellung und kann anschließend entfernt werden. Für die Bewehrung werden mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) zunächst die beanspruchten Bereiche ermittelt. Entlang der berechneten Zugkräfte bleiben Kanäle im Betonkörper unverfestigt. Nach dem Druck wird das lose Pulver daraus entfernt und die Kanäle werden mit einem flüssigen Bewehrungsmaterial verfüllt.
Als Injektionsmaterial untersuchten die Forschenden zunächst Epoxidharz. Dabei prüften sie, wie sich dessen Fließfähigkeit, Verarbeitungszeit und Haftung am Beton auf die Injektion auswirken. Damit das Harz in den vorgesehenen Kanälen verbleibt, wurden die Probekörper mit Wasserglas, einer wässrigen Silikatlösung, nachbehandelt. Dies verringerte die Porosität der oberflächennahen Bereiche und verbesserte zugleich die Festigkeit des Betons.
Carbonfasern verstärken das Epoxidharz
Die Versuche zeigten, dass sich gerade und gekrümmte Bewehrungskanäle mit mindestens zehn Millimetern Durchmesser zuverlässig herstellen ließen. Allerdings reichte die Festigkeit des reinen Epoxidharzes nicht aus, um die Tragfähigkeit des Gesamtsystems wie angestrebt zu steigern. Deshalb untersuchte das Forschungsteam zusätzliche Faserverstärkungen. Kurze, dem Harz beigemischte Glasfasern beeinträchtigten dessen Fließfähigkeit zu stark. Bessere Ergebnisse lieferte die Kombination mit durchgehenden Carbonfasern. Diese wurden in Form textiler Carbonschläuche in die vorbereiteten Kanäle eingeführt und anschließend mit Epoxidharz getränkt.
In Belastungsversuchen verglichen die Forschenden unbewehrte Betonkörper mit Probekörpern, deren Bewehrung entweder gerade oder entlang der berechneten Zugkräfte verlief. Ein unbewehrter Vollträger erreichte eine durchschnittliche Bruchlast von 5,24 kN. Mit gerader Carbonfaserverbundbewehrung stieg sie auf 8,03 kN, bei belastungsorientierter Bewehrungsführung auf 9,00 kN.
Weitere Versuche zeigten, dass die carbonfaserverstärkte Bewehrung hohe Zugkräfte in den umgebenden Beton übertragen konnte. Dabei versagte der Beton, bevor sich die Bewehrung aus dem Bauteil löste. Schwieriger wurde es bei komplexen Kanalgeometrien: Computertomografische Aufnahmen machten sichtbar, dass sich verzweigte Hohlräume teilweise nur unvollständig mit Harz verfüllen ließen. Die geometrische Freiheit des 3D-Drucks setzt damit auch eine sorgfältige Planung der inneren Bewehrungsführung voraus.
Die Form folgt dem Kraftverlauf
Neben der Bewehrung untersuchten Breit und Nyman, wie sich der Materialeinsatz an die statische Beanspruchung eines Bauteils anpassen lässt. Dafür entwickelten sie topologieoptimierte Träger, bei denen gering beanspruchte Bereiche ausgespart wurden. Gegenüber vergleichbaren Vollträgern wogen die experimentell untersuchten Träger durchschnittlich rund 8,6 Prozent weniger. Bei entsprechender Bewehrungsführung blieb die Tragfähigkeit weitgehend erhalten. Ergänzende FEM-Simulationen an einem größeren Unterzug zeigten weiteres Einsparpotenzial: Ein Modell mit 20 Prozent weniger Masse erreichte rechnerisch nahezu dieselbe Grenzlast wie der Vollträger.
Für die Architektur eröffnet dieser Ansatz die Perspektive, Betonbauteile und Tragwerke stärker den tatsächlichen Kraftverläufen entsprechend zu formen und somit Material zu sparen. Bis solche Bauteile in praxisüblichen Abmessungen hergestellt werden können, sind allerdings weitere Untersuchungen erforderlich. Insbesondere müssen die vollständige Verfüllung der Bewehrungskanäle und eine zuverlässige Kraftübertragung auch bei größeren Konstruktionen gewährleistet sein.
Der Forschungsbericht ist 2022 als BBSR-Online-Publikation 42/2022 erschienen und kostenlos im PDF-Format heruntergeladen werden (siehe Surftipps).
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