Wie polymere Lattice-Strukturen Beton verstärken können

Um Verbundträger zu erzeugen, gossen die Forscher Ultra-Hochleistungsbeton um die Gitter. (Quelle: University of Berkeley)

Carbonbeton als Alternative zu stahlbewehrtem Beton – diese Lösung ist mittlerweile relativ bekannt. Doch nun gibt es einen neuen Ansatz: In einer Studie, die im November in der Fachzeitschrift Materials and Design veröffentlich wurde, verstärkte ein Forscherteam das Baumaterial Beton mit 3D-gedruckten Oktett-Polymer-Gittern.

Bild oben: Die Forscher nutzten einen 3D-Drucker, um Lattice-Strukturen aus Polymeren herzsustellen. Anschließend wird die Struktur mit Hochleistungsbeton ausgegossen. Eine spezielle Kameraausrüstung zeigt, dass die Balken bei Biegeversuchen sehr flexibel sind und die meisten Risse durch das Gitter abgefangen werden. (Quelle: University of Berkeley)

Oktett-Polymer-Gitter sind für ihre einzigartige Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit bekannt. Diese Eigenschaften hoffte man, sich für das Werkstoffverhalten des so bewehrten Betons zu Nutze machen zu können. Tatsächlich war das Team mit ABS-Poylmeren erfolgreich, die Lücken wurden dabei mit Ultra-Hochleistungsbeton gefüllt.

Die Forscher experimentierten mit weiteren Variationen und verwendeten verschiedene Versionen des Polymergitters, so dass sie von 19,2 % des Gesamtvolumens des Betons bis hin zu 33,7 % reichten. Während diese Anpassungen kleine Veränderungen in Bezug auf die Druckfestigkeit und die Spitzenbelastungen bewirkten, blieben die mechanischen Eigenschaften des Betons insgesamt weitgehend gleich.

„Wenn ein Material spröde ist, kann es bis zu einer bestimmten Spitzenlast halten und versagt dann. In diesem Fall haben wir dieses Versagen nicht beobachtet. Er wurde stärker und stärker. Für uns, die wir uns für Beton interessieren, ist das erstaunlich. Sie machen etwas sehr Sprödes zu etwas sehr Duktilem.“
Claudia Ostertag, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität von Berkeley, Kalifornien

Alle getesteten Proben waren in der Lage, viel Energie zu absorbieren, unabhängig von der Dicke der Lattice-Strukturen. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, um prozentrual mehr alternative Materialien einsetzen zu können – immer mit dem Ziel, den CO2-Footprint der Betonherstellung zu reduzieren. Denn diese ist immerhin für acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich.

Das Team plant nun, mit verschiedenen Gitterformen zu experimentieren, um herauszufinden, ob verschiedene Geometrien für unterschiedliche Zwecke verwendet werden können.

„Die wichtigste Frage wird sein, wie man die beste Gitterstruktur für eine bestimmte Anwendung auswählt. Vermutlich waren weitere optimale Geometrien darauf, von uns gefunden zu werden.“
(Brian Salazar, Hauptautor der Studie)


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Quelle und weitere Infos: University of California

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