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Projekt
Einflüsse von Stahl- und Polymerfasern auf das rheologische Verhalten und die Verarbeitungsparameter von zementbasierten Materialien im Kontext der additiven Fertigung – printFRC
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
Fachliche Zuordnung
Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
Förderung
Förderung von 2017 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387152958
Zielorientiertes Design und die Kontrolle der rheologischen Parameter von zementbasierten Materialien sind die Grundlage für die Entwicklung neuer Technologien, wie der Additiven Fertigung (AF). Diese ermöglicht nicht nur eine schnellere, ökonomischere und schalungsfreie Errichtung neuer Bauwerke und Strukturen, sondern bildet einen ganz wesentlichen Schritt von der digitalen Planung zum digitalen Bauen (Bauindustrie 4.0). Dieses Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zur Quantifizierung der Effekte der Betonzusammensetzung auf die rheologischen Eigenschaften und Prozessparameter, welche für die AF von Interesse sind. Die Untersuchungen gliedern sich in drei Hauptabschnitte: experimentelle rheologische Untersuchungen, Betrachtung der Prozessparameter und Modellierung. Die rheologischen Untersuchungen beginnen auf der Ebene des Zementleims unter Berücksichtigung verschiedener für den 3D-Druck notwendiger Zusatzmittel. Als Basis für eine analytische Modellbildung der rheologischen Eigenschaften werden im nächsten Schritt der Einfluss der Form, Größe und Packungsdichte der Gesteinskörnung sowie der Steifigkeit und des Volumengehalts einer optionalen Faserzugabe ermittelt. Als physikalische Grundlage für die zutreffende Kontaktmodellierung zweier diskreter Elemente werden Kraft-Verschiebungskurven für die Interaktionskräfte zwischen Gesteinskörnern in Zementleim bestimmt. Der Abschnitt Prozessparameter befasst sich mit den spezifischen Eigenschaften, welche für die AF entscheidend sind - Extrudierbarkeit und Grünstandfestiigkeit - einschließlich der Entwicklung geeigneter experimenteller on- und off-line Bewertungsmöglichkeiten. Die dabei gewonnen Ergebnisse werden den Ergebnissen der rheolologischen Untersuchungen gegenübergestellt, um kritische untere und obere Grenzen der rheologischen Parameter für verschiedene Prozessstadien der AF definieren zu können. Im Modellierungsabschnitt werden analytische und numerische Modelle zum rheologischen Verhalten von frischem Zementleim, Mörtel und Beton, zugeschnitten auf die AF, entwickelt. Auf Basis der generierten experimentellen Daten sollen die bestehenden Modelle zur Beschreibung von Frischbetoneigenschaften verifiziert und unter Verwendung von Multiskalenansätzen weiterentwickelt werden. Das thixotrope und transiente Verhalten zementbasierter Materialien wird in Kombination mit dem Einfluss der mesoskopischen Systemkomponenten auf die Rheologie des Materials modelliert. Das hauseigene DEM-Modell wird durch die Faktoren Thixotropie und Zeitabhängigkeit erweitert. Weiterhin werden die Effekte der Form und Größe der Gesteinskörnungen durch eine sog. clump-logic integriert. Das Modell soll durch den Vergleich virtueller Machbarkeitsstudien mit experimentellen Untersuchungen validiert werden. Das numerische Werkzeug kann dann einerseits für die zielsichere Entwicklung Mischungszusammensetzungen für die AF und andererseits für die Einstellung optimierter Prozessparameter verwendet werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
