Jahresbericht 2006 - Departement Bau, Umwelt und Geomatik - ETH ...

Abb. 11: Links: 3D Rekonstruktion der Stahlfaserneines stahlfaserverstärkten Beton Probekörperseines CT-Scans. Rechts: Drei verschiedene Ebenendurch denselben rekonstruierten Probekörper.Abb. 13: Einfaches Modell, wie sich die Fasern im Betonfluss ausrichten.Faserausrichtung und Faserverteilungin faserverstärktem BetonP. Stähli, R. Custer, J.G.M. van Mier / IfBEntwicklung von hochfestemSchaumbetonD. Meyer, J. G. M. van Mier / IfBUm die mechanischen Eigenschaften vonfaserverstärktem Beton zu verbessern, kannman einerseits das Faservolumen erhöhen(hybride Fasersysteme) oder versuchen, dieFasern in Spannungsrichtung auszurichten.In diesem Projekt wurde versucht, die Fliesseigenschaftenvon Frischbeton (selbstverdichtend)auszunutzen, um die Fasern zu verteilenund auszurichten. Aus einer Mischungvon faserverstärktem Beton, mit 3 % der 30mm langen geraden Stahlfasern, konnte dieFaserverteilung und die Faserausrichtung andrei verschiedenen Orten des „U-förmigenProbekörpers“, wo der Beton in drei verschiedeneRichtungen floss, bestimmt werden. DiePrismen des U-förmigen Probekörpers wurdenmit „A“, „B“ und „C“ für „fallen“, „horizontalfliessen“ und „steigen“ bezeichnet. Drei verschiedeneBetonmischungen, welche sich nurin der Viskosität unterschieden (Fliessmittelgehalt),wurden untersucht. Die Faserverteilungund die Faserausrichtung wurden mittels CT-Scan am Universitätsspital Zürich ermittelt.Das Resultat eines solchen Scans ist in Abbildung11 dargestellt. Die Ergebnisse der Biegeprüfungenzeigen, dass die mechanischenEigenschaften von der Verteilung und Ausrichtungder Fasern abhängig ist. Die Verteilungund Ausrichtung der Fasern kann wiederummit der Viskosität des Frischbetons beeinflusstwerden, was die Resultate der CT-Scans zeigen(Abb. 12). Ein mögliches einfaches Model, wiesich die Fasern in fliessendem Beton ausrichtenkönnen, ist in Abbildung 13 gegeben.Schaumbeton ist ein Material mit einer hohenPorosität – bis zu 80% Luftporen – dadurch istdas Material sehr leicht, jedoch weist es nureine geringe Festigkeit auf. Ebenfalls nachteiligist die verhältnismässig grosse Streuungder Eigenschaften von Schaumbeton. DerHauptgrund für die grosse Varianz der Eigenschaftengeht schon aus den verwendetenProteinen und der Herstellungsmethode derSchäume hervor.Durch die Anwendung einer neuen Methodeder Schaumherstellung – Schäumen mitMembranen – ist es gelungen, die Varianz derEigenschaften infolge der Schaumqualität undder Eigenschaften des verwendeten Schaumsselbst, deutlich zu senken. Gleichzeitig ermöglichtdiese Methode mehr Einfluss auf dieSchäume zu nehmen.Um die Festigkeit zu steigern, werden nebender Optimierung der Porenstruktur Kunststofffasernder geschäumten Matrix zugegeben. ImRahmen der mechanischen Versuche wurdefestgestellt, dass die verwendeten Kunststofffasernnur wenig Einfluss auf die Druckfestigkeithaben. Im Gegensatz dazu kann die Biegezugfestigkeitauf ein Vielfaches gesteigertwerden. Gleichzeitig mit der Biegefestigkeitwurde auch die Duktilität erheblich vergrössert.Die vorteilhaften Eigenschaften wie dasgeringe Gewicht, die Dampfdurchlässigkeitund die geringe Wärmeleitfähigkeit werdenbei richtiger Anwendung von den Kunststofffasernnicht beeinträchtigt (Abb. 14, 15).Abb. 14: Vergleich von Mischungen mit und ohneFaserverstärkung in Bezug auf Biegefestigkeit undDichte.Abb. 15: Rissbilder von kunststofffaserverstärktemSchaumzement a) einzelner Riss b) mehrere Rissehervorgerufen durch gesteigertes Faservolumen,das beigemischt wurde.Abb. 12: Längsschnitt im Zentrum eines „B“Prismas für jede der drei getesteten Mixturen.22