Das Bauwesen trägt bis zu 60 % zum globalen Ressourcenverbrauch bei, mit weiter steigendem Verbrauch durch die weltweit wachsende Bevölkerung. Die Zement- bzw. Betonherstellung verbraucht weltweit 10 % der gewonnenen Energie und ist bedeutender Verursacher der globalen Treibhausgasemissionen. Durch die Bewehrung des Betons mit Kunststoffen, die mit Glas-, Basalt- oder Carbonfasern verstärkt werden, können Materialverbrauch, Baustoffkosten, Bauzeit, Gewicht, Wandstärken sowie Treibhausgasemissionen und Abfallaufkommen signifikant gesenkt werden. Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit der Verbundwerkstoffe kann mit wesentlich weniger BetonÜberdeckung gearbeitet werden. Gegenüber einer Bewehrung mit Stahl wird damit eine bis zu 80 %ige Reduzierung des Betonverbrauchs mit entsprechender Reduzierung des Gewichts der Gewerke erreicht.
Die Einsatzmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen als Betonverstärkung und allgemein für den Bau von Gebäuden und Brücken werden bisher vor allem durch die relativ geringe Temperaturbeständigkeit der organischen Matrizes (< 200 °C) und deren Brennbarkeit bzw. Brandverhalten eingeschränkt. Häufig erfüllen sie die hohen Brandschutzanforderungen im Bauwesen nicht. Eine Möglichkeit, die genannten Vorteile der textilen Verbunde im Bauwesen zu nutzen und die Brandschutzauflagen zu erfüllen, ist die Verwendung von Feinbetonsystemen oder so genannten anorganischen „Chemically Bonded Ceramics” (CBC) Matrices wie Wasserglassysteme oder Phosphatkeramiken. Wasserglasmatrices und Betonsysteme sind stark basisch und aggressiv für E-Glas- oder Basaltfasern. Aus diesem Grund werden in der Regel nur teure AR-Glas- oder Carbonfasern eingesetzt.
Das AiF-Projekt NiBreMa hat diese Herausforderung aufgegriffen und eine neue Phosphatkeramik- Matrix entwickelt, die in ihrem Ausgangszustand im sauren pH-Bereich liegt und dadurch die E-Glas- oder Basaltfasern, die gegenüber Carbonfasern wirtschaftliche Vorteile bieten, nicht angreift.
Für diesen Ansatz untersuchten die DITF gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowohl die Matrix- als auch die Prozessentwicklung.
Bei der Entwicklung des Phosphatkeramik-Schlickers spielen verschiedene Parameter eine entscheidende Rolle:
- die Auswahl an Rohstoffen; sie müssen die erforderliche Menge an Aluminium und Silikat mit geeigneten physikalischen Eigenschaften enthalten
- der pH-Wert des Schlickers; er bestimmt die Topfzeit der Matrix und die Reaktionskinetik der Alumino-Silikatsalze mit der Säurelösung
- die Viskosität und Benetzbarkeit des Schlickers; sie beeinflussen die Verarbeitbarkeit mit Basaltfasern im Pultrusions- und Wickelverfahren.
Im Projekt wurden verschiedene Schlicker mit unterschiedlichen Additiven und Füllstoffen entwickelt und getestet, um die mechanischen Eigenschaften und die Verträglichkeit für den Beton zu maximieren.
Im Hinblick auf die Prozessfähigkeit, das Aushärteverhalten und die mechanischen Eigenschaften des basaltfaserverstärkten Phosphatkeramik-Verbunds wurden beim Pultrusionsverfahren der Faservolumengehalt, die Pultrusionstemperatur, die Abzugsgeschwindigkeit und die Nachhärtetemperaturen untersucht. Die kalt ausgehärteten basaltfaserverstärkten Verbundwerkstoffe weisen gute mechanische Eigenschaften und eine gute Kompatibilität mit dem Portland-Zement-Beton auf. Die keramischen Verbundwerkstoffe maximieren die Nutzung von E-Glas und Basaltfasern für Bauanwendungen, insbesondere dort, wo die Brandschutzanforderungen von entscheidender Bedeutung sind.
