Plastisches Schwinden und Rissbildung in 3D-gedruckten Betonelementen – Mechanismen und Gegenmaßnahmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424803818

Der 3D-Druck mit Beton hat das Potenzial einen Durchbruch in der Baubranche zu erzielen. Er ermöglicht eine schalungsfreie, schnellere, wirtschaftlichere und weniger arbeitskraftintensive Fertigung von Gebäuden und Strukturen als bisherige Verfahren. Einige Herausforderungen müssen jedoch bewältigt werden, bevor die neue Technologie breite Anwendung in der Baupraxis finden kann. Plastisches Schwinden und damit verbundene Rissbildung sind zwei große derartige Herausforderungen. Sie gefährden die Dauerhaftigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ästhetik der gedruckten Elemente. Das plastische Schwinden kann außerdem deren Formstabilität beeinträchtigen und die geometrische Präzision der digitalen Konstruktion einschränken. Die Gründe für die erhöhte Gefahr eines ausgeprägten plastischen Schwindens und Rissbildung im Zusammenhang mit dem 3D-Druck sind: 1) fehlende Schalung, um frisches Material vor Wasserverlust zu schützen, 2) Schwierigkeiten mit der Nachbehandlung, 3) Verwendung von Materialzusammensetzungen mit einem erhöhten Mehlkorn- und Leimgehalt sowie einer steiferen Konsistenz im Vergleich zu herkömmlichem Beton.Ziel dieses Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis der Mechanismen des plastischen Schwindens von 3D-gedruckten Betonstrukturen und der damit verbundenen Rissbildung zu gewinnen. Auf dieser Basis sollen effiziente Strategien entwickelt werden, um das plastische Schwinden und seine Folgen zu reduzieren. Diese Hauptziele werden schrittweise erreicht, indem folgende Herausforderungen gemeistert werden: 1) Entwicklung geeigneter experimenteller Ansätze zur Quantifizierung des plastischen Schwindens 3D-gedruckter Betone und der daraus resultierenden Rissbildung; 2) Entwicklung genauer experimenteller Methoden zur Bestimmung der maßgebenden Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Permeabilitätskoeffizient, Wasserrückhaltevermögen, Zugfestigkeit und Hydratationsgrad im Kontext der additiven Fertigung; 3) Simulation des plastischen Schwindens und der Rissbildung unter Verwendung der ermittelten Materialeigenschaften und experimentelle Verifizierung der erhaltenen Simulationsergebnisse unter Verwendung der entwickelten Versuchsanordnungen für freies und behindertes plastisches Schwinden; 4) Analyse von Ansätzen zur Reduzierung der Rissgefahr mit Hilfe der Simulationen und Experimente und Beurteilung ihrer Effizienz. Das experimentelle Programm zur Reduzierung der Rissgefahr berücksichtigt schwindreduzierende Zusatzmittel (SRA), superabsorbierende Polymere (SAP), Beschleuniger und Nachbehandlungsmittel.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Sadegh Ghourchian