Mineral-impregnated carbon fiber (MCF) reinforcements based on geopolymer

Der Verbundwerkstoff Carbonbeton ist eine vielversprechende Materialklasse für den Bau von leichtgewichtigen, langlebigen und nachhaltigen Strukturen. Hochmoderne Bewehrungen aus Carbonfaser-verstärkte Kunststoffen (CFK) werden durch die Imprägnierung von Endlosfaserbündeln mit einer Polymermatrix hergestellt, was ausreichende Lastübertragungskapazität und Prozessrobustheit gewährleistet, und jedoch durch hohe Temperaturen oder raue Umgebungen erheblich zerstört wird. Stattdessen resultiert der Erfolg mineralimprägnierter Carbonfasern (MCFs) aus ihrer strukturellen Flexibilität, inhärenten Wärmebeständigkeit und hervorragenden Kompatibilität mit zementären Substraten. Geopolymere (GPs) haben sich kürzlich als praktikable Beschichtungsalternative herausgestellt, aufgrund einer einzigartigen Kombination vieler Vorteile, wie Nachhaltigkeit, Quellenvielfalt, ausreichendes Verarbeitungsfenster, Synthese durch kontrollierte thermische Aktivierung bei niedrigen Temperaturen und Hitzebeständigkeit. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung und Erprobung schnell abbindender MCFVerbundwerkstoffe und zugehöriger Verarbeitungstechnologien ab, was für industrielle Anwendungen und den baulichen Brandschutz von großer Bedeutung ist. Aufgrund der Neuartigkeit der mineralischen Imprägnierungstechnologie müssen Herausforderungen in Bezug auf die Prozesskette und Mischung gemeistert werden, um das volle Materialpotenzial zu erkunden, bevor die Technologie auf Schlüsselmärkte übertragen wird. Dementsprechend gibt das einleitende Kapitel einen umfassenden Überblick über faserverstärkte Geopolymer (FRG)-Systeme unter Temperatureinwirkung. Das Entwicklungskonzept baut auf einer systematischen Untersuchung mehrerer zusammenhängender, wichtiger Verarbeitungsaspekte der GPImprägnierung in Bezug auf Verarbeitungsqualität und Festigkeitsentwicklung von der Mikro- bis zur Makroskala und in Verbindung mit einer automatisierten und kontinuierlichen Fertigungstechnologie auf. Ergebnisse zahlreicher Experimente zeigten, dass gezielte Wärmehärtung die mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur der GP-Matrizen und resultierenden MCFs nachhaltig beeinflußt. Hierdurch wurde eine schnelle Aushärtung und hohe Festigkeit von MCF innerhalb der ersten Stunden der Wärmebehandlung erreicht, und zwar vergleichbar mit konventionellen CFRPs. Die Eindringfähigkeit von Aluminosilikatpartikeln in ein dichtes Faserbündel wurde durch die Anwendung von Flugasche (FA) mit systematisch variierter Partikelgrößenverteilung untersucht. Dabei erwies sich die maximale Partikelgröße, die nahe dem Durchmesser einzelner Filamente liegt, als am effizientesten. Sie verbesserte sowohl die mechanische Leistung von MCF als auch seine Bindung an Beton. Darüber hinaus wurde eine experimentelle Kampagne zur Rolle der Faserschlichte auf die Verarbeitungsqualität und die endgültige Verbundleistung durchgeführt. Die jeweilige Imprägnierungsqualität wurde umfassend durch ein unterschiedliches Spreizungsverhalten und Benetzbarkeit des Garns erklärt, was zu deutlichen Unterschieden in der Filament-Matrix-Verteilung und mechanischen Eigenschaften von MCF führte. Zur Verbesserung der Formstabilität, Packungsdichte und gezielten Abstimmung der Verbundeigenschaften im Beton wurde der Effekt der Oberflächenprofilierung und prototypischen Wickeltechnik auf MCF untersucht. Schließlich wurde die Verbundqualität der MCF durch den Garnauszugversuch in GP-Beton bei erhöhten Temperaturen validiert und mit einer verfügbaren CFK-Bewehrung verglichen. Diese Tests generierten auf das Verbundverhalten bezogene Parameter, die dann zur Formulierung eines dreidimensionalen numerischen Modells verwendet wurden. Durch angemessene parametrische Kalibrierungen wurde eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Charakterisierungen erreicht, um die Leistung des Materials für zukünftige Anwendungen vorherzusagen.