Der Sonderforschungsbereich TRR 277 „Additive Manufacturing in Construction (AMC) - The Challenge of Large Scale“ zielt darauf ab, die additive Fertigung (AM) in interdisziplinärer Grundlagenforschung als neuartige digitale Fertigungstechnologie im Bauwesen umfassend zu untersuchen und damit die Rahmenbedingungen für die Einführung in der Bauwirtschaft zu schaffen.

Die additive Fertigung unterscheidet sich grundlegend von den herkömmlichen überwiegend manuellen Fertigungstechniken im Bauwesen, welche auf geringe Lohnkosten ausgelegt sind, zulasten der Materialeffizienz. Ziel von AMC ist es, Material nur dort einzusetzen, wo es eine Funktion erfüllt und damit den Weg für einen ressourceneffizienten Einsatz von Materialien mit hoher Gestaltungsfreiheit im Bauwesen zu bereiten.

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Ansprechperson: Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projekt A 01: Partikelbett-3D-Druck mittels selektiver Zementaktivierung - Partikeloberflächenfunktionalisierung, Partikelbettverdichtung und Bewehrungsimplementierung

Das Projekt fokussiert sich auf den 3D-Druck von Stahlbetonbauteilen im Partikelbett. Im Vergleich zu anderen additiven Herstellungsverfahren im Bauwesen besitzen Partikelbett-3D-Druckverfahren nahezu keine Einschränkungen bei der Wahl der Geometrie und ermöglichen eine hohe Auflösung. Um die funktionelle und mechanische Leistung von gedruckten Elementen deutlich zu verbessern, wird in diesem Projekt die Multimaterial-Pulverbettdrucktechnik grundlegend untersucht. Neben der Formgenauigkeit und Auflösung der Bauteile ist die homogene mechanische Eigenschaft eine der größten Herausforderungen hinsichtlich der Anwendbarkeit von Partikelbetttechniken im 3D-Druck. Daher zielt das Projekt auf ein tiefes Prozess- und Materialverständnis ab. Zu diesem Zweck sollen der Fluidintrusionsprozess und die Kontakte zwischen Partikeln und ihren Schichten im Pulverbett sowie zwischen Partikeln und Bewehrung untersucht werden. Partikel und Bewehrung werden auf ihre verfahrenstechnischen Anforderungen maßgeschneidert. Besondere Schwerpunkte sind die Funktionalisierung der Partikeloberfläche, die Verdichtung des Partikelbetts, die Fluidinfiltration in das Partikelbett, der aktive Strukturaufbau der Matrix und die Ausbildung der Grenzfläche zwischen den Partikelbettschichten sowie zwischen Bewehrung und Matrix.

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Ansprechpersonen: Friedrich Herding, M.Sc.; Evelien Dorresteijn, M.Sc.

Projekt A 04: Integrierte additive Fertigungsprozesse zur Herstellung bewehrter Betonbauteile mit hoher Oberflächenqualität auf Basis des Shotcrete 3D Printing (SC3DP)

Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung kooperativer additiver Fertigungsprozesse zur Herstellung materialeffizienter und kraftflussoptimierter, bewehrter Betonbauteile mit präziser Oberflächenqualität und hoher Geometriegenauigkeit auf Basis des Shotcrete 3D Printing (SC3DP). Die SC3DP-Technologie, die an der TU Braunschweig unter anderem am Digital Building Fabrication Laboratory (DBFL) sowie am Smart Additive Manufacturing Material Investigator (SAMMI) entwickelt wird, bietet ein großes Potenzial zur vollen Ausschöpfung der neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung hinsichtlich der Produktion geometrisch komplexer und strukturell effizienter großmaßstäblicher Bauteile.

Hauptziel dieses Projekts ist die Grundlagenforschung zu Methoden, Entwurfswerkzeugen, Materialien und Prozessen sowie der Erforschung einer effizienten Integration von Bewehrungselementen. Hierdurch soll die Herstellung großflächiger Betonelemente mittels SC3DP unter Verwendung deutlich geringerer Mengen an Bewehrung und Beton im Vergleich zu konventionellen Betonkonstruktionsprinzipien ermöglicht werden.

Um die Integration der Bewehrung und die Herstellung von materialeffizienten Bauteilen mit komplexer und präziser Geometrie zu erleichtern, wird eine Weiterentwicklung der Entwurfsmethoden sowie der Prozess- und Materialkontrolle angestrebt. Die genaue Steuerung von Material- und Prozessparametern sowie eine hohe Geometrie- und Oberflächengenauigkeit stellen die wesentlichen Voraussetzungen für eine reproduzierbare und automatisierte Herstellung von strukturell effizienten Betonbauteilen dar.

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Ansprechpersonen: David Böhler, M.Sc.; Niklas Freund, M.Sc.; Jennifer Rudolph, M.Sc.

Ansprechperson: Alexander Gunkler, M.Sc.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Die zunehmende Automatisierung im Bauwesen, der Fachkräftemangel sowie wachsende Anforderungen an Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit stellen neue Anforderungen an das rheologische Verhalten von Betonen. Gleichzeitig steigt die Systemkomplexität durch den Einsatz alternativer Zemente und Zusatzstoffe.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines innovativen Multi-Wirkungs-Zusatzmittelkonzepts, das durch die synergetische Kombination verschiedener Additive eine präzise Steuerung von Fließgrenze und Strukturentwicklung über den gesamten Verarbeitungszeitraum ermöglicht. Im Fokus stehen dabei Betone entlang eines breiten rheologischen Spektrums – von plastischen, pumpbaren Betonen für konventionelle Anwendungen bis hin zu selbstverdichtenden oder für die additive Fertigung geeigneten Systeme. Ergänzt wird die Entwicklung durch eine detaillierte Untersuchung kolloid- und hydrationschemischer Grundlagen zur gezielten Beeinflussung rheologischer Eigenschaften.

Langfristig sollen Multi-Wirkstoff-Zusatzmittel die Entwicklung robuster, adaptiver Betone ermöglichen, die auch auf automatisierte Bauprozesse und neue Bindemitteltechnologien abgestimmt werden können.

Ansprechpartner: Jakob Beckers, M.Sc.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Im deutschen Bundesfernstraßennetz befinden sich mehr als 39.000 Brücken, davon bestehen mehr als 85% aus Stahl- und Spannbeton. Mehr als die Hälfte dieser Ingenieurbauwerke weist ein Alter von 40 bis 50 Jahre auf (Bundesanstalt für Straßenwesen; 2021). Alterung, Materialermüdung und die gestiegene Verkehrsbelastung führen zu Schädigungen der Bausubstanz und gefährden damit die Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Verkehrssystems. Im Hinblick auf die Schadensursachen an Brückenbauwerken, sind der Anteil erforderlicher Betoninstandsetzungen oder Abbrüche infolge von chloridinduzierter Bewehrungskorrosion am höchsten.

In diesem Projekt soll eine Methode erforscht werden, die es erlaubt mit aktuell verfügbaren Messprinzipien Bauwerke zu überwachen und zeitvariante Zustandsinformationen für eine Verknüpfung mit einem digitalen Bauwerkszwillings zur Verfügung zu stellen. Dabei werden Ansätze der Gewinnung, Aufbereitung und Verarbeitung von kontinuierlich erfassten Sensordaten eines Korrosionsmonitorings und deren Verknüpfung mit einem digitalen Lebensdauermanagementsystem untersucht. Basis hierfür ist eine adaptive Lebensdauerprognose unter kombinierter Beanspruchung aus Chloridexposition und mechanischen Einwirkungen. Selektierte und interpretierte Sensordaten dienen dabei der regelmäßigen Adaption von Modellparametern. Sowohl für die Interpretation der lokalen und ggf. fehlerhaften Sensordaten als auch für die Adaption der Parameter des Prognose-Modells sollen Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) zur Anwendung kommen. Insbesondere  mit Hilfe von Physikalisch-Informiereten Neuronalen Netzen  (PINN) werden Zustandsdaten laufend aktualisiert und zu einer Adaption der Lebensdauerprognose genutzt. Aus den lokal erfassten Sensordaten, Ergebnissen aus zusätzlich durchgeführten Bauwerksuntersuchungen und Informationen zum Spannungs- bzw. Verformungs- und Risszustand des Bauwerks werden Modellparameter abgeleitet, die eine dreidimensionale Darstellung und Prognose des Schädigungsfortschritts ermöglichen. Zudem wird es möglich, Veränderungen von Messwerten bzw. Korrelationen durch die Alterung bzw. Schädigung des Betons oder infolge der Degradation des Monitoringsystems zu erfassen. Ausgewählte Sensor- und Prognosedaten werden innerhalb eines Digitalen Zwilling mit einer Datenbank verknüpft. Mit Hilfe des Abgleichs von Prognosedaten, Daten zur Bauwerksgeometrie und der Lage der Stahlbewehrung im Bauteil sollen Problemstellen identifiziert und mit Hilfe von Augmented Reality (AR) am Bauteil visualisiert werden. Auf diese Weise können oberflächlich noch nicht sichtbare Schadstellen bei Bauwerksprüfungen leichter aufgefunden und kontrolliert werden. Die adaptive Lebensdauerprognose liefert eine zuverlässige Vorhersage des Schädigungsprozesses und ermöglicht so eine optimierte und lokal differenzierte Planung zukünftiger Instandsetzungsmaßnahmen.

Das Projekt wird in Kooperation von Dirk Lowke (Baustoffe und Bauwerksinstandhaltung) und Henning Wessels (Datengetriebene Modellierung) geleitet, um die adressierten Forschungsfragen sowohl hinsichtlich der bautechnisch-betontechnologischen Aspekte als auch im Hinblick auf die Künstliche Intelligenz in einer hinreichenden Tiefe zu untersuchen.

Ansprechpartner: Maurice Macier, M.Sc.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Ziel des Projekts ist die Leistung von Stampflehm-Bauteilen durch den gezielten Einsatz von Stampfbeton-Verstärkungen entlang der Hauptlasttrajektorien und modernster, robotergestützter Fertigungstechnik zu steigern. Durch die sortenreine Verarbeitung und Trennbarkeit von Stampflehm und Stampfbeton wird eine Stabilisierung von Stampflehmbauteilen ermöglicht, ohne die hervorragenden Recycling-Eigenschaften des Werkstoffs Lehm zu beeinträchtigen.

Die kombinierte additive Fertigung basiert auf einer fein aufeinander abgestimmten Material-Prozess-Interaktion, die beiden Werkstoffen erlaubt, voneinander zu profitieren.

Kontaktpersonen: Evelien Dorresteijn, M.Sc.; Dr.-Ing. Thorsten Leusmann

Förderung: Zukunft Bau

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines mobilen Stampflehm-Robotersystems für die Produktion auf der Baustelle unter Verwendung von Materialien aus der Region. Ein wichtiger Teil dieses Prozesses ist die Entwicklung eines automatisierten Misch-, Förder- und Beschickungsprozesses der lokalen Materialien. Das iBMB ist verantwortlich für die Charakterisierung und Entwicklung eines lokalen Materials, das im Stampflehm-Roboter-Prozess verwendet werden kann.

Ansprechpersonen: Evelien Dorresteijn, M.Sc.; Dr.-Ing. Thorsten Leusmann 

Förderung: Golehm-Initiative

Das Grundlagenprojekt „Large Particle 3D Concrete Printing“ (LP-3DCP) untersucht die Anwendbarkeit des Partikelbett-3D-Druckverfahrens mit groben Partikeln in der Bauindustrie. Ähnlich wie bei herkömmlichen Partikelbett-3D-Druckverfahren wird beim LP-3DCP-Verfahren zunächst eine Schicht von groben Partikeln aufgebracht, die im Folgenden durch das Applizieren eines Feinkornbetons lokal gebunden wird. Die Applikation des Feinkornbetons erfolgt dabei durch ein Spritzbetonverfahren. Diese Prozessschritte werden wiederholt bis die zu druckende 3D-Geometrie vollständig hergestellt ist.

Während bislang entwickelte Partikelbett-3D-Druckprozesse mit Gesteinskörnung im Mikrometer- oder Millimeter-Bereich operieren, sollen in diesem Projekt große Partikel bis zu einem maximalen Durchmesser von 63 mm für das Partikelbett verwendet werden. Für das Aufbringen des Feinkornbetons wird eine am Institut für Tragwerksentwurf (ITE) entwickelte, robotergestützte Spritzbetontechnologie angewendet. Hiermit sollen freigeformte, hochfeste Betonelemente hergestellt werden, welche mittels rezyklierter Gesteinskörnung und reduzierter Zementmenge maßgeblich die CO₂-Effizienz verbessern. In diesem interdisziplinären Forschungsprojekt werden grundlegend die Zusammenhänge zwischen Materialtechnologie, Prozesstechnologie und architektonisch-konstruktiven Aspekten untersucht.

Ansprechpersonen: David Böhler, M.Sc.; Prof. Dr.-Ing. Inka Mai

Förderung: Zukunft Bau - Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Die Verarbeitung mineralischer Baustoffe ist der technologische Kern bei der Herstellung und Instandhaltung von Bauwerken. Zwar bietet ihre Formbarkeit im Frischzustand nahezu unbegrenzte Möglichkeiten bezüglich der Bauwerksgestaltung und Ausführungstechnologien, jedoch wird heute nur ein Bruchteil dieses enormen Potenzials genutzt. Der Grund hierfür ist, dass traditionelle, einfache Bauteilgeometrien wie Wände oder Decken vermeintlich allein auf Basis empirisch gewonnener Regel „gegossen“ werden können. Diese Trugvorstellung ist die eine Ursache der bisher fehlenden tiefgehenden Auseinandersetzung mit dem rheologischen Verhalten von Baustoffen. Eine extrem hohe Anzahl von Bauschäden, eine geringe Effizienz der Bauvorgänge und Probleme beim Einsatz wechselnder Baustoffzusammensetzungen und Verarbeitungstechniken belegen jedoch die eklatanten Defizite dieser empirischen Vorgehensweise. Das Fehlen der wissenschaftlichen Grundlagen für die Beherrschung der Rheologie-basierten Prozesse stellt aber vor allem ein zentrales Hemmnis bei der Entwicklung neuer, hoch innovativer Bautechnologien dar, wie bspw. des 3D-Druckens mit Beton, sowie bei der Lösungsfindung für aktuelle technische Herausforderungen, wie z.B. das Pumpen in extreme Höhen.

Die zweite Ursache für das Fehlen der rheologischen Grundlagen ist eine sehr hohe Komplexität der Baustoffsysteme. Die ausgesprochen hohe chemische Reaktivität mineralischer Bindemittel führt bereits Sekunden nach der Wasserzugabe zu einer starken Veränderung der Partikelmorphologie, zur Auflösung größerer und Bildung neuer, nanoskaliger Partikel und zur drastischen Änderung der Chemie der Trägerflüssigkeit. Sowohl die gebildeten Nanopartikel als auch die Trägerflüssigkeit interagieren wiederum mit granularen Ausgangsstoffen bis zu mehreren Zentimetern Größe (Multiskaligkeit). Weiterhin sind Baustoffsuspensionen immer komplexe Mehrphasen, die neben Wasser und verschiedensten mineralischen Partikeln auch organische Additive und Luftporen enthalten. Die Verarbeitung von Baustoffen ist schließlich durch eine enorm große Bandbreite von Verformungsraten geprägt, was wiederum extrem hohe Anforderungen an die Charakterisierung- und Simulationsmethoden stellt.

Das Ziel des beantragten SPP ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen für eine Rheologie-basierte Gestaltung von Bauprozessen sowie für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Baustoffe und bahnbrechender Verarbeitungstechnologien zu schaffen.

Dieser im Bauwesen völlig neue Ansatz wird durch eine sichere Vermeidung herstellungsbedingter Schäden sowie eine effiziente Nutzung der Materialien, Technik und Energie zu einer deutlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Bauens führen und öffnet die Tür für neue Bauformen und Bauweisen.

Die hohe Komplexität der wissenschaftlichen Fragestellung erfordert eine breite Kompetenzbündelung von Ingenieur- und Naturwissenschaftlern/innen. Aufgrund aktueller Fortschritte im Bereich der relevanten Messtechnik und Simulationsmethoden bietet ein SPP gerade zum jetzigen Zeitpunkt ideale Rahmenbedingungen, um den dargestellten Themenkomplex erfolgreich zu erforschen.

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Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Fließmittel/Partikel-Wechselwirkungen und ihr Einfluss auf die Mikrostruktur, die Viskosität und die Thixotropie zement-basierter Suspensionen

Um ein tiefgreifendes Verständnis für die grundlegenden Mechanismen der Verarbeitungseigenschaften zementbasierter Werkstoffe zu entwickeln, ist Grundlagenforschung zu den Wechselwirkungen zwischen der Mikrostruktur und den rheologischen Eigenschaften des Zementleims unabdingbar. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, den Einfluss der Fließmittel/Partikel-Wechselwirkungen auf die Mikrostruktur, die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau zement-basierter Suspensionen zu untersuchen. Die grundlegende Beschreibung der inneren Struktur zementbasierter Suspensionen stellt aufgrund der Polydispersität, der Undurchsichtigkeit, der hohen Feststoffkonzentrationen und der Hydratationsreaktion keine triviale Aufgabe dar. Daher fehlt es derzeit an einem fundamentalen Verständnis der inneren Struktur von Zementleim, welche die Verarbeitungseigenschaften von Beton maßgeblich bestimmt. Darüber hinaus beeinflusst die Mikrostruktur des frischen Zementleims die Mikrostruktur des Zementsteins und damit maßgeblich die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons. Die Mikrostruktur selbst wird durch die interpartikulären Wechselwirkungen bestimmt. Vereinfacht kommt es zu einer Agglomeration sobald die anziehenden Wechselwirkungen die abstoßenden Wechselwirkungen übersteigen. Das Verständnis des Einflusses von Fließmitteln auf die Mikrostruktur und die zuverlässige Beschreibung der interpartikulären Wechselwirkungen in zementbasierten Suspensionen stellen somit einen maßgeblichen Schritt zum grundlegenden Verständnis der rheologischen Eigenschaften dar. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen Zementleime und Mörtel mit spezifisch polymerisierten Fließmitteln hergestellt werden. Bei den Fließmitteln mit phosphat- und polycarboxylat-basierten funktionellen Gruppen werden gezielt die Hauptkettenlänge, die Seitenkettenlänge und die Seitenkettendichte variiert. Von den Leimen und Mörteln werden dann die Viskosität und der thixotrope Strukturaufbau mittels Rotationsrheometrie bestimmt. Gleichzeitig, wird der Aufbau der Mikrostruktur mittels eines in-situ-Lasermessverfahren (Dynamical Optical Reflectance Measurement with Selective Multi Depth Focus) beobachtet (Abb.). Die Kinetik des Strukturabbaus in Abhängigkeit der Scherrate wird hingegen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht adressiert. Der Einfluss der Fließmittelstruktur auf die Mikrostruktur, die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau wird abschließend auf Basis der kolloidalen Oberflächen-Wechselwirkungen, der Hydratationskinetik und eines Mikrostrukturmodells diskutiert.

Ansprechperson: David Nicia, M.Sc.

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Die Verarbeitung mineralischer Baustoffe ist der technologische Kern bei der Herstellung und Instandhaltung von Bauwerken. Das Fehlen der wissenschaftlichen Grundlagen für die Beherrschung der Rheologie-basierten Prozesse stellt aber vor allem ein zentrales Hemmnis bei der Entwicklung neuer, hoch innovativer Bautechnologien dar, wie bspw. des 3D-Druckens mit Beton, sowie bei der Lösungsfindung für aktuelle technische Herausforderungen, wie z. B. das Pumpen in extreme Höhen.

Der Grund für das Fehlen der rheologischen Grundlagen liegt in der sehr hohen Komplexität der zementären Systeme. Die hohe chemische Reaktivität mineralischer Bindemittel führt bereits wenige Sekunden nach der Wasserzugabe zu Veränderungen der Partikelmorphologie, der Auflösung größerer Zementkörner und der Bildung neuer nanoskaliger Partikel sowie zu starken Veränderungen in der Chemie der Trägerflüssigkeit. Sowohl die neu gebildeten Nanopartikel als auch die Trägerflüssigkeit interagieren ihrerseits mit körnigen Rohstoffen von bis zu mehreren Zentimetern Größe.

Zementsuspensionen sind komplexe Mehrphasensysteme, die neben Wasser und verschiedenen mineralischen Partikeln auch organische Zusatzmittel sowie Luftporen enthalten. Schließlich erfolgt das Einbringen und Verarbeiten von zementgebundenen Materialien unter einer enormen Bandbreite von Verformungsgeschwindigkeiten, die extrem hohe Anforderungen an Charakterisierungs- und Simulationsmethoden stellen.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen für das Verständnis und die zielgenaue Steuerung Rheologie-basierter Bauprozesse sowie für die Entwicklung innovativer, nachhaltiger Baustoffe und damit verbundener zukunftsweisender Verarbeitungstechnologien zu ermitteln und zu beschreiben.

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Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Rheologie von klinkerarmen Betonen mit maßgeschneiderten Fließmittelpolymeren - Steuerung und Modellierung der Viskosität und des thixotropen Strukturaufbaus

Ziel dieses Projektes ist es, die wesentlichen Einflüsse der Molekülstruktur von PCE-Fließmitteln auf die Viskosität und den thixotropen Strukturaufbau von klinkerarmen Betonen (LCC) zu verstehen und zu beschreiben, um daraus rheologische Stoffgesetze zur Steuerung der Betonverarbeitung in der Praxis abzuleiten. Zentrales Element ist die explizite Charakterisierung der Partikel-Mikrostruktur in der Bindemittelsuspension unter quantitativer Berücksichtigung sowohl der kolloidalen interpartikulären Wechselwirkungen als auch der sehr frühen Hydratationskinetik.

Die Reduzierung des Klinkeranteils in Zement und Beton ist ein vielversprechender Weg zur CO₂-Reduzierung. Moderne Betone zeichnen sich daher zunehmend durch niedrige Klinkergehalte und hohe Gehalte an Zusatzstoffen wie gemahlenem Kalkstein, Hüttensandmehl oder kalzinierten Tonen aus. Aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche dieser Stoffe, insbesondere von kalzinierten Tonen, einerseits und den gestiegenen Anforderungen an moderne Betone hinsichtlich einer leichten Verarbeitbarkeit andererseits, ist die Zugabe von Fließmitteln unerlässlich.

Obwohl einige PCE auch Systeme mit kalzinierten Tonen wirksam dispergieren, wurde eine hohe Viskosität bzw. Klebrigkeit beobachtet. Dies ist keine überraschende Tatsache, da sich die Randbedingungen bezüglich Partikeloberflächenladung, der Ionen in der flüssigen Phase, des Feststoffgehaltes und der Partikelgrößenverteilung deutlich von Portlandzement-Systemen unterscheiden. Zur Steuerung der Frischbetoneigenschaften ist daher ein umfassendes Verständnis des Einflusses der PCE-Molekülstruktur auf die Viskosität und Thixotropie in Betonen mit niedrigen Klinker- und hohen Zusatzstoffgehalten wichtig.

In der beantragten Forschung sollen daher maßgeschneiderte Fließmittel mit unterschiedlicher Seitenkettenlänge, Seitenkettendichte und Hauptkettenlänge untersucht werden. Sowohl die Viskosität als auch der thixotrope Strukturaufbau werden bestimmt, nicht nur am Leim, sondern auch am Mörtel und Beton. Zusätzlich werden die kolloidalen interpartikulären Wechselwirkungen, die Hydratationskinetik sowie die Partikel-Mikrostruktur quantifiziert. Basierend auf FBRM-gekoppelten rheologischen Messungen zur Bestimmung der in-situ-Agglomeratgröße wird ein Mikrostrukturmodell für die rheologischen Eigenschaften entwickelt. Die Neuheit dieses Modells besteht darin, dass es gezielt die Partikel-Mikrostruktur der Bindemittelphase erfasst und damit die Lücke zwischen Effekten auf der Nanoskala (PCE-Molekülstruktur, kolloidale Wechselwirkungen, Hydratation) und der Makroskala (rheologische Eigenschaften) schließt. Um das volle Potenzial von LCC für zukünftige Anwendungen auszuschöpfen, sind eine leichte Verarbeitbarkeit und robuste Frischbetoneigenschaften Schlüsselanforderungen. Unter diesen Gesichtspunkten wird das Modell eine umfassende Steuerung und Vorhersage der Mechanismen ermöglichen, welche die Viskosität und Thixotropie der klinkerarmen Betone signifikant beeinflussen.

Ansprechperson: David Nicia, M.Sc.

Von Mikro zu Makro - grundlegende Betonmodellierung unter Berücksichtigung lokaler Scherraten- und Mikrostrukturinhomogenitäten aufgrund des Verarbeitungsprozesses unter Verwendung eines skalenübergreifenden Ansatzes

Bei der Betonverarbeitung, z.B. beim Pumpen, wird das Fließverhalten durch die rheologischen Eigenschaften a) des Kernbetons und b) der wandnahen Grenzschicht bestimmt. Daher erfordert die Modellierung des makroskopischen Fließverhaltens bei der Verarbeitung eine Beschreibung der Prozesse der rheologischen Eigenschaften von Kernbeton und Grenzschicht sowie der Grenzschichtbildung. Die scherinduzierte Partikelmigration (SIPM) muss als dominierender Mechanismus berücksichtigt werden, wobei größere Partikel in Bereiche mit geringeren Scherraten migrieren. Auch das Upscaling von der Modellierung des Zementleims zum Beton ist von Relevanz. Heute existieren Modelle, die überwiegend auf Partikelwechselwirkungen basieren, nur für Zementleim, während die bestehenden Rheologiemodelle für Beton weitgehend auf der Kontinuumsmechanik oder DEM basieren und mittels empirischer Daten validiert wurden. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, das makroskopische Fließverhalten von Beton sowohl hinsichtlich des Einflusses der wandnahen Grenzschicht als auch in Abhängigkeit der Partikelwechselwirkungen im Zementleim zu untersuchen und zu modellieren. Diese stellen die Schlüsselfragen für die grundlegende Modellierung der Betonrheologie dar. Um Partikelwechselwirkungen in rheologische Modelle auf der Makroskala zu implementieren, muss die Herausforderung der Übertragung der Effekte auf der Zementleimebene auf die Betonskala gelöst werden. Da die Rheologie von Zementleim von dessen Mikrostruktur abhängt, müssen grundlegende Modelle die Mikrostrukturbildung berücksichtigen. Diese ist von den Scherraten, die auf den Zementleim im Beton wirken, abhängig. Diese auf den Zementleim wirkende lokale Scherrate ist deutlich höher als die globale Scherrate und wird durch die Packungsdichte und die relative Geschwindigkeit zweier benachbarter Partikel bestimmt. Größere Partikel unterliegen der SIPM, was zu einer inhomogenen Partikelverteilung auf Makroebene führt, sodass die lokalen Scherraten ebenfalls variieren, z.B. in Abhängigkeit des Feststoffanteils. Diese Inhomogenität ist in der Grenzschicht ausgeprägter als im Kernbeton. Jedoch muss auch der Kernbeton als inhomogen betrachtet werden, wenn Unterschiede in der globalen Scherrate vorliegen. Ziel des vorliegenden Projektes ist daher die Untersuchung und Modellierung der zeit- und scherabhängigen Mikrostruktur und der rheologischen Eigenschaften zementbasierter Suspensionen. Die zu behandelnden Schlüsselfragen thematisieren die a) SIPM, b) Grenzschicht und ihre Bildungsmechanismen, c) durch größere Partikel induzierte lokale Scherraten und d) deren Einfluss auf Mikrostruktur und Rheologie unter Berücksichtigung von Partikel-Wechselwirkungen. Dies ist nur mit einem skalenübergreifenden Ansatz von der Mikro- zur Makroskala möglich, der im Rahmen des Projektes mittels Experimenten und numerischer Simulationen realisiert wird.

Ansprechpersonen: Mahmoud Eslami Pirharati, M.Sc.; Prof. Dr.-Ing. Inka Mai

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Entwicklung von Betonen mit niedrigem Treibhauspotential, guter Verarbeitbarkeit, Festigkeit und Dauerhaftigkeit aus lokal verfügbaren Ausgangsstoffen

Die Ziele des Vorhabens sind:

• Die Entwicklung von Betonrezepturen mit deutlich verbesserter Ökobilanz (im Folgenden „Ökobeton“) bei gleicher technischer Leistungsfähigkeit (Verarbeitbarkeit, Festigkeit und Dauerhaftigkeit) im Vergleich zu Lösungen nach heutigem Stand der Technik.
• Die Entwicklung eines neuen Modells zur Beschreibung der technischen Leistungsfähigkeit der Ökobetone.
• Die Entwicklung von Methoden zur bauaufgabenbezogenen, kombinierten technischen und ökologischen Bewertung der Betone unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus.

Gleichzeitig sollen mit Hilfe eines innovativen, praxisgerechten Rezepturentwicklungskonzepts bestehende Hürden für die Marktakzeptanz von Ökobeton überwunden werden. Zu den bestehenden Hürden gehören:

• die hohen Stoffkosten, die sich aus den komplexen Anforderungen an die Betonausgangsstoffe klassischer Ökobetone ergeben (und dadurch auch die Umweltbilanz beeinträchtigen).
• die erschwerte Verarbeitbarkeit von Ökobetonen aufgrund der sehr hohen Viskosität.
• die häufig geringere technische Leistungsfähigkeit der Ökobetone, insbesondere in Bezug auf einige Dauerhaftigkeitsaspekte. Die im Rahmen dieses Projektes erarbeiteten stofflichen und methodischen Lösungen sollen abschließend am Beispiel zweier konkreter Bauaufgaben validiert werden.

Ansprechperson: Jens Brack, M.Sc.

Förderung: Dres. Edith und Klaus Dyckerhoff-Stiftung

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Ziel des Projektes ist die Quantifizierung und Darstellung der industrierelevanten Potenziale und der Performance additiver Fertigungsverfahren im Stahlbetonbau am Beispiel des Shotcrete 3D Printing (SC3DP). Hierfür werden

• Herstelldauer
• Herstellkosten (z.B. Personal, Energie, Equipment) und
• Dauerhaftigkeitseigenschaften des Materials

jeweils für ein additiv und ein konventionell hergestelltes Stahlbetonbauteil mit unterschiedlicher geometrischer Komplexität bestimmt.

Diese Daten ermöglichen eine erste Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit additiver Fertigung im Bereich des Stahlbetonbaus und stellt damit eine wichtige Grundlage für zukünftige industrienahe Forschungs- und Entwicklungsstrategien im Betonbau dar.

Ansprechpersonen: David Böhler, M.Sc.; Prof. Dr.-Ing. Inka Mai

Förderung: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

HAndlungsFähigkeit und Flexibilität in einem reversiblen Verfahren (TAP HAFF)

Pfadabhängigkeit als Risiko und Herausforderung für die Gestaltung obertägiger Bauwerke am Endlagerstandort

In TRANSENS wird transdisziplinär geforscht. Die interessierte Öffentlichkeit und andere außerakademische Akteure werden planvoll in Forschungskontexte und in transdisziplinäre Arbeitspakete (TAP) eingebunden.

Flexibilität statt linearer Ablauf des Verfahrens: schrittweises Vorgehen, Haltepunkte im Verfahrensablauf, die Option von begründeten Rückschritten und die Reaktion auf neue Forschungsergebnisse sind die Themen im transdisziplinären Arbeitspaket (TAP) HAFF.

Das iBMB analysiert obertägige Lagerungskonzepte für hochradioaktive Abfälle und entwickelt daraus in einem transdisziplinären Verfahren idealtypische Konzepte für obertägige Anlagen von Tiefenlagern bestehend aus Eingangslager mit Konditionierungsanlage sowie dessen Infrastruktur und der baulichen Transportinfrastruktur unter Tage.

Besonders geeignete Konzepte werden in 3D in einer interaktiven virtuellen Umgebung visualisiert (VR). Bei der Ausgestaltung der Konzepte liegt der Fokus auf Monitoring, Rückholbarkeit, Ökobilanz und Baukosten. Wesentliches Element ist dabei ein lernfähiges Lebenszyklusmanagementsystem, mit dem zu jedem Zeitpunkt der aktuelle bauliche Zustand der Infrastruktur bewertet werden kann. Diese Informationen können dann an etwaigen Haltepunkten im weiteren Entscheidungsprozess berücksichtigt werden.

Ansprechperson: Sina Bremer, M.Sc.

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Das Vorhaben adressiert die Thematik des Partikelbett 3D-Druckens und schlägt einen innovativen numerischen Ansatz zur Simulation und Vorhersage des Druckprozesses vor. Eine der vielversprechendsten Partikelbett-3D-Druckverfahren ist die Selektive Zementintrusion. Dieses Verfahren basiert auf der lokalen Einbringung eines Fluids (Zementleim) in ein Partikelbett (Gesteinskörnung) und dessen anschließende Erstarrung und Erhärtung. Der Hauptvorteil dieser Technik ist die hohe Auflösung und die Möglichkeit nahezu beliebig geformte Bauteile herzustellen. Bisher wurde diese Technik erfolgreich an klein- und mittelskaligen Objekten mit Festigkeiten von bis zu 70 N/mm² angewendet. Um eine erfolgreiche Anwendung in der Bauindustrie zu realisieren, sind jedoch noch grundlegende Fragen zu klären. Geeignete Modelle zur Beschreibung und Vorhersage des Druckprozesses sind daher unerlässlich.

Das Ziel dieses Projektes ist es, den Prozess des Partikelbett-3D-Druckens numerisch zu untersuchen und das Eindringen des Fluids in das Partikelbett zu prognostizieren. Basierend auf den experimentell bestimmten Eingangsparametern, wie den rheologischen Eigenschaften des eindringenden Fluids und der Durchlässigkeit des Partikelbetts, soll die endgültige Eindringtiefe, welche die Qualität des gedruckten Teils (mechanische Eigenschaften, Dauerhaftigkeit und geometrische Präzision) bestimmt, vorhergesagt werden. Als Ergebnis soll ein numerisches Werkzeug stehen, welches den Druckprozess simulieren und prognostizieren kann. Das Werkzeug wird in der Lage sein, das Fließen des Zementleims im Prozess vorherzusagen und zu optimieren.  Die Originalität und das Innovationspotentials des Forschungsansatzes basiert auf zwei Merkmalen: (I) Beschreibung des Partikelbetts als poröses Medium und (II) explizite Berücksichtigung des Strukturaufbaus im Zementleim infolge Thixotropie. Um diese Ziele zu erreichen, ist Grundlagenforschung im Hinblick auf (a) die spezifische Charakterisierung und Steuerung der rheologischen Eigenschaften des Zementleims für das Partikelbett 3D-Drucken, (b) die Packung und Permeabilität des Partikelbetts und (c) die numerischen Methoden zur Simulation und Vorhersage des Druckprozesses notwendig.

Ansprechpersonen: David Böhler, M.Sc.; Prof. Dr.-Ing. Inka Mai

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

In dem Projekt soll ein sensorgestütztes und webbasierendes Diagnose- und Monitoring-System, mit dem AKR-(Alkali-Kieselsäure-Reaktion)-Schäden an Verkehrs- und Ingenieurbauwerken analysiert und die Entwicklung des Schadensverlaufs und der Sanierungsmaßnahme bestimmt wird, entwickelt werden. Dazu ist ein valides Messverfahren und -system zur Erfassung und Analyse bauwerks- und sanierungspezifischer Parameter zu entwickeln. Die technischen Entwicklungsziele innerhalb des FuE-Projektes beinhalten einen hohen Innovationsgrad und ein hohes technisches Risiko.

Die Hauptaufgaben der TU BS im vorliegenden FuE-Projekt umfassen zum einen die Ermittlung der Einflussfaktoren und technischen Parameter eines AKR-Schadenverlaufs anhand eines neu zu entwickelnden Laborversuchsaufbaus. Zum anderen die Entwicklung von Algorithmen für die Filterung und Analyse der Monitoringdaten, sowie die Mitwirkung bei der Validierung in Frage kommender Sensorsysteme für das angestrebte Monitoringsystem. Dabei bestehen enge Schnittstellen zu den beiden Kooperationspartnern IMF und ME, die im Folgenden, in der Beschreibung der Arbeiten, thematisiert werden.

Die Entwicklung von AKR-Kenndaten, d.h. die Ermittlung der Einflussfaktoren und technischen Parameter für die Analyse- und Prognose des Schadensverlaufs, wird im Teilprojekt B der TU BS durch Simulation von AKR-Schäden an einem Labor- und Technikumsmodell, durchgeführt. Im Teilprojekt A von IMF werden in Praxisversuchen Vergleichskenndaten des AKR-Schadensverlaufs zwischen sanierten und nicht sanierten Bereichen am Objekt ermittelt. Hieraus sollen letztlich, zusammen mit den von der TU BS untersuchten AKR-Schädigungsreaktionen und Einwirkungsfaktoren mathematische Modelle zur Bestimmung eines geeigneten Instandsetzungszeitpunkts und die Empfehlung eines Sanierungssystems abgeleitet werden.

Ansprechpersonen: Sina Bremer, M.Sc.

Förderung: AiF Projekt GmbH, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des BMWi

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Bauwerke werden zweckgebunden für eine vorgesehene Nutzungsdauer entworfen und für planmäßige Einwirkungen nachgewiesen. Das Nachweiskonzept setzt in der Regel den Idealzustand des Bauwerks bei der Erstellung als für die gesamte Nutzungsdauer gegeben voraus. Tatsächlich ändern sich der Zustand der Baustoffe und damit die Eigenschaften des Bauwerks im Laufe der Nutzungsdauer, sodass dessen Zuverlässigkeit und Qualität mit der Zeit abnehmen und die Trag- und Gebrauchssicherheit beeinträchtigt sein kann. Der Prozess der „Zustandsänderung“ von Baustoffen und Tragwerken kann je nach Art des Baustoffes und der Einwirkung chemische oder physikalische Ursachen haben und findet auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen statt.

Ziel des Forschungsverbundes ist die Entwicklung von Ansätzen zur Beschreibung und Bewertung der Zustands- und Qualitätsänderung von Bauwerken des Konstruktiven Ingenieurbaus unter chemischen und physikalischen Einwirkungen. Die zur Zustandsänderung beitragenden in der Regel mehrfach gekoppelten Prozesse sollen mit homogenisierenden Modellen im Rahmen der Kontinuumsmechanik und der Theorie poröser Medien mit dem Ziel beschrieben werden, die Phänomenologie der Alterung numerisch untersuchen und für Einzelfälle prognostizieren zu können. Die Prognosemodelle sollen die Phänomene nicht getrennt als „Insellösungen“ abbilden, sondern das Zusammenwirken der Prozesse erfassen, um eine integrale Aussage über die Qualität eines Bauwerks zu ermöglichen. In Weiterentwicklung der zurzeit vorhandenen makroskopischen Modelle sollen die Mechanismen auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen der Materialstruktur untersucht, beschrieben und experimentell validiert werden. Auf Grundlage der numerischen und experimentellen Ergebnisse sollen vereinfachende Ingenieurmodelle bis zur Anwendung auf Tragwerksebene entwickelt werden.

Die Weiterbildung der Doktoranden erfolgt in einem strukturierten Doktorandenprogramm, in dem die erbrachten Leistungen mit Leistungspunkten honoriert werden. Das Ausbildungskonzept umfasst fachliche Komponenten im Bereich der experimentellen Baustoffwissenschaften, der mathematisch-mechanischen Modellbildung und der Tragwerksanalyse sowie den Erwerb überfachlicher Qualifikationen im Bereich des wissenschaftlichen Arbeitens und des Wissenschaftsmanagements. Aufgrund der baustoffübergreifenden Fragestellung eröffnet sich den Doktoranden die Möglichkeit, völlig unterschiedliche Phänomenologien zu verstehen, zu bewerten und mit entsprechenden Prognosemodellen zu beschreiben.

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Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Alterungseinflüsse auf das Zusammenwirken einbetonierter Bewehrung und extern aufgeklebter Kohlefaserlamellen bei verstärkten Betonbauteilen

Alterung, Materialermüdung und die gestiegene Verkehrsbelastung an vielen Betonbrücken an Bundesfernstraßen in Deutschland erfordern Instandsetzungs- oder auch Verstärkungsmaßnahmen. Eine wirtschaftliche Methode zur Ertüchtigung von Stahlbetonbauteilen ist das Verstärken mit aufgeklebter Bewehrung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Die extern aufgeklebte Armierung erhöht die Belastbarkeit der gealterten Betonbauteile und bewirkt somit eine Verlängerung der Lebensdauer. Die Tragwirkung dieser Instandsetzungsmaßnahme wird hauptsächlich durch den Klebverbund zwischen dem aufgeklebten Kohlefaserkunststoff und Beton beeinflusst. Der Klebeverbund wird jedoch durch Umwelteinflüsse, Alterungserscheinungen und Ermüdungsschädigung über den Nutzungszeitraum erheblich beeinträchtigt. Um die Standsicherheit dieser verstärkten Bauteile zu gewährleisten, muss die Tragfähigkeit des Klebeverbundes sichergestellt sein. Die Untersuchung und Modellierung des Verbundtragverhaltens sind bei mit aufgeklebten CFK-Lamellen verstärkten Betonbauteilen von entscheidender Bedeutung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der inneren Kräfte in Beton, Stahl und aufgeklebter Bewehrung eines verstärkten Betonbauteils bei Dauerlast Beanspruchungen. Dazu müssen Ansätze entwickelt werden, mit denen die Kraftaufteilung zwischen eingelegter und aufgeklebter Bewehrung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Verbundverhältnisse ermittelt werden können.

Experimentelle Untersuchungen an gemischt bewehrten Stahlbetonbalken werden dabei als Grundlage für die Modellierung des zeitabhängigen Verbundtragverhaltens unterschiedlicher Bewehrungsstränge sowie das Degradationsverhalten des Betons dienen. Ferner werden hochmoderne faseroptische Messsysteme für die Erfassung der Dehnungszustände des verstärkten Bauteils über den Untersuchungszeitraum eingesetzt.

Mit der Beschreibung des zeitabhängigen Materialverhaltens und den Degradationsmodellen des Verbundtragverhaltens, wird es möglich sein, ein Prognosemodell zu erstellen, das in der Lage ist, eine Aussage über die Resttragfähigkeit des verstärkten Bauwerks zu treffen.

Ansprechperson: Zhuo Chen, M.Sc.

Einfluss mechanischer Materialeigenschaften auf die Dauerhaftigkeit instandgesetzter Stahlbetonbauteile

Bei einer klassischen Betoninstandsetzung wird der geschädigte Beton abgetragen, bis der "gesunde" Kernbeton erreicht ist. Anschließend erfolgt eine Reprofilierung des zuvor abgetragenen Betons mit Hilfe eines zementären Instandsetzungsmörtels oder -betons. Nach einer solchen Instandsetzung wird ein Bauteil in der Regel als neuwertig betrachtet.

Neueste Forschungsergebnisse ermöglichen es nun, den gültigen Ansatz zur probabilistischen Lebensdauerbemessung nach Gehlen auch für die Berechnung der Restlebensdauer eines Stahlbetonbauteils im Hinblick auf carbonatisierungsinduzierte und chloridinduzierte Korrosion zu übertragen. Die Grundlage der Berechnungsansätze bildet das 2. Fick’sche Gesetz, womit sich die Diffusionsmechanismen von CO₂ und Chlorid-Ionen beschreiben lassen. Die Alterung eines Bauteils und seiner Materialwiderstände gegen chemischen Angriff wird im Falle der Carbonatisierung mit Hilfe des Wurzel-Zeit-Ansatzes und im Falle des Chlorideindringens über die Anpassung des Chloriddiffusionskoeffizienten mit Hilfe eines experimentell ermittelten Altersexponenten berücksichtigt.

Der Beitrag der Mechanik bei der Beschreibung von Alterungsprozessen in einer Instandsetzungsschicht wurde in den gängigen Modellen zur Lebensdauerbemessung bislang nicht integriert. Dass hier Forschungsbedarf besteht, wird bei der Betrachtung der Steuerbarkeit von Spannungsverteilungen zwischen Instandsetzungsmaterial und Altbeton über die Variation des E-Moduls in der Instandsetzungsschicht deutlich. Ein weiches System entzieht sich einer Belastung während ein steiferes den Altbeton ggf. entlastet und selbst den Lastabtrag übernimmt. Infolge von Verformungen (hervorgerufen aus Belastung, Schwindprozessen oder Temperaturdehnung) kommt es lange vor einer mit dem Auge sichtbaren Rissbildung zu einer Mikrorissbildung in der Zementsteinmatrix. Damit einher geht eine Veränderung der dauerhaftigkeitsrelevanten Materialwiderstände.

Ziel der Arbeit ist es deshalb, im Sinne einer möglichst hohen Lebensdauer, ideale Kombinationen mechanischer Kenngrößen zwischen Altbeton und Instandsetzungsmaterial zu bestimmen. Betrachtet werden soll dabei die Spannungsverteilung im Bauteilquerschnitt und die daraus resultierende Mikrorissbildung. Diese Betrachtungen sollen im Weiteren mit Untersuchungen zum Einfluss der Mikrorissbildung auf den Chloriddiffusionskoeffizienten und den Carbonatisierungswiderstand in Zusammenhang gebracht werden.

Ansprechperson: Dr.-Ing. Stefan Ullmann

Rissbildung entlang der Klebeverbindung zwischen Beton und CFK-Lamellen

Die Sanierung gealterter Gebäude und Infrastrukturbauwerke ist im Bauwesen immer wichtiger geworden. Oft haben die Ingenieure mit alten Gebäuden zu tun, die eine nachträgliche Verstärkung benötigen. Ein Material, welches die Anforderungen für Verstärkungen erfüllt, leicht zu verarbeiten ist und gute mechanische Eigenschaften aufweist, ist Kohlefaserverstärker Kunststoff (CFK). Ein wichtiger Punkt der Verstärkung ist die Überprüfung der Klebeverbindung zwischen Beton und Lamellen, weil das Verbundversagen, die sogenannte Entkoppelung, spröde ist und ohne Vorankündigung eintritt. Im Zuge vorheriger Untersuchungen wurde eine mögliche Korrelation zwischen der Rissbildung und einem Koeffizienten des Verbundes, der von der Bruchenergie abhängig ist, herausgestellt. Die Rissbildung wurde bisher mithilfe von Rauhigkeitsparametern dargestellt, aber die die Rissbildung beeinflussenden Faktoren sind noch Gegenstand der Forschung.

Ziel des Projektes ist es, die Eigenschaften des Betons zu untersuchen, die maßgebend für die Rissbildung sein können. Die zu untersuchenden Parameter sind die mechanischen Eigenschaften der Gesteinskörnung und des Zementsteins sowie Form und Kornverteilung (Sieblinie) der Gesteinskörner. Das Forschungsprogramm wird in zwei Teile gegliedert. Zunächst wird das Augenmerk auf die kleine Ebene (Mesoskala) gelegt um die Mechanismen besser zu verstehen. In diesem Forschungsabschnitt wird der Schwerpunkt auf die Untersuchung der Proben mithilfe des Mikro CTs und die sich anschließende Auswertung (Segmentierung und Rekonstruktion) der Bilder gelegt. Gewonnene Erkenntnisse werden in der zweiten Phase des Projektes in weiteren Versuchen validiert. Hier sind vor allem Experimente auf der Makroebene geplant, bei denen Proben zyklisch belastet werden. Anhand der Ergebnisse des Versuchsprogramms soll ein in der Praxis anwendbares Ingenieurmodell entwickelt werden.

Ansprechperson: Matteo Lunardelli, M.Sc.

Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton

Die Rissbildung durch das Zugversagen von Beton ist ein wesentliches Merkmal des Stahlbetonbaus. Im Fall von Trennrissen können sich bereits sehr kleine Rissbreiten aufgrund des erhöhten Stofftransports durch die Risse negativ auf die Dauerhaftigkeit von Bauteilen auswirken. Insbesondere die realitätsnahe Vorhersage des Wassertransports ist von zentralem Interesse. Zum Einfluss der Rissbreite auf die Durchflussmenge wurden in diversen Forschungsarbeiten bereits wichtige Erkenntnisse gewonnen. Neben der Rissbreite haben auch die Rauheit der Rissflanken sowie der Rissverlauf einen großen Einfluss auf die Durchflussmenge.

Zum besseren Verständnis dieser Zusammenhänge ist die Durchführung verschiedener Experimente geplant. Dazu gehören die Untersuchung der Rauheit verschiedener Betone mittels Digitalmikroskopie sowie die Bestimmung des Rissverlaufes in Abhängigkeit verschiedener Faktoren wie beispielsweise des Bewehrungsgrades und der Gesteinskörnung mittels mikro-Computertomografie. Desweiteren sollen Durchflussversuche an bewehrten Probekörpern mit definierten Rissbreiten an der Probenoberfläche durchgeführt werden.

Ziel des Teilprojektes ist es, ein Ingenieurmodell zur Vorhersage des Flüssigkeitstransportes durch Trennrisse zu entwickeln. Als Grundlage dafür wird das um den Durchflussbeiwert ξ (0 [lt] ξ [lt] 1) erweiterte „cubic-law“-Modell nach Hagen-Poiseuille genutzt. Demnach ergibt sich der Durchfluss durch einen Trennriss zu q = (ξ∙g∙I∙b∙w³)/(12∙ν) [m³/s].

Darin ist g die Gewichtskraft, I der Druckgradient, b die Risslänge orthogonal zur Fließrichtung, ν die kinematische Viskosität des Wassers und w die Rissbreite an der Bauteiloberfläche. Das „cubic-law“-Modell soll weiter optimiert und gegebenenfalls auf zusätzliche Lastfälle erweitert werden. Von besonderem Interesse sind darin ξ und w. Beide Parameter sollen mithilfe der aus den Ergebnissen der Untersuchungen gewonnenen erweiterten Wissens- und Datengrundlage zum Einfluss der Betoneigenschaften und der Bewehrung besser beschreibbar werden.

Die erweiterte Datengrundlage aus den experimentellen Untersuchungen soll die stochastische Beschreibung der Rauheit und des Rissverlaufes ermöglichen. Die Ergebnisse sollen schließlich in ein Ingenieurmodell für den Flüssigkeitstransport übertragen werden.

Ansprechperson: Lena Mengel, M.Sc.

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Materials auf Tonbasis, mit dem eine langlebige Schalung im Extrusionsverfahren gedruckt werden kann. Als Anwendungsfall wird in diesem Projekt die Herstellung einer Betonsäule adressiert. Die Vorteile der additiven Fertigung einer tonbasierten Schalung liegen neben der großen Gestaltungsfreiheit der Form in der Umweltfreundlichkeit, da das Material wiederverwendet werden kann. Das Hauptziel der TU Braunschweig ist die Entwicklung eines tonbasierten Materials mit ausreichender Grünstandsfestigkeit bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der TU Braunschweig (Deutschland) und der USI in Mendrisio (Schweiz) durchgeführt, wo das Gesamtkonzept und die Roboterbahnplanung entwickelt werden.

Ansprechpersonen: Evelien Dorresteijn, M.Sc.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), CRC/Transregio 277 Additive Manufacturing in Construction (AMC), Swiss National Science Foundation (SNSF)

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Ziel ist der Aufbau einer Geräteinfrastruktur ("RheoStruc3D Lab") für die integrale Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften und der Mikrostruktur von Werkstoffen während der Verarbeitung bei der additiven Fertigung (3D Drucken) im Bauwesen. Das "RheoStruc3D Lab" stellt eine deutschland- und europaweit alleinstehende Forschungsinfrastruktur dar, welche exzellente neue Forschungsmöglichkeiten zur Untersuchung und Beschreibung bislang nur unzureichend bekannter Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften zementbasierter Stoffsysteme sowie deren Struktur und Rheologie in den unterschiedlichen Prozessschritten bei der additiven Fertigung bietet. Ziel ist die Erarbeitung der wissenschaftlichen und technischen Grundlagen im Hinblick auf die Entwicklung innovativer Materialien und die Optimierung der einzelnen Prozessschritte für die additive Fertigung im Bauwesen unter besonderer Berücksichtigung der Verfahrens-Werkstoff-Interaktion.

Die Investition in die neue Geräteinfrastruktur umfasst:

1. Sonde zur laseroptischen Bestimmung der Mikrostruktur und Partikelgrößenverteilung von frischen, nicht erhärteten Feststoffsuspensionen
2. Präzisions-Rheometer zur Charakterisierung der scherratenabhängigen rheologischen Eigenschaften mit Integration der Sonde aus 1.
3. Hochleistungslabormischer für das Mischen und Homogenisieren der Suspensionen
4. Labor-Multiprozess-3D-Drucker für zementbasierte Werkstoffe zur Realisierung des Transfers zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung im halbtechnischen und technischen Maßstab

Laut §19 Abs. 2 VOL/A wird über die Auftragsvergabe informiert:

Zu 1.: Der Zuschlag für eine laseroptische Sonde ParticleTrack G400 wurde im Juli 2018 an die Firma Mettler-Toledo erteilt.
Zu 2.: Der Zuschlag für ein Rheometer MCR 502 wurde im März 2018 an die Firma Anton Paar erteilt.
Zu 3.: Der Zuschlag für einen Hochleistungslabormischer Eirich R08W wurde im Juni 2018 an die Firma Dyckerhoff erteilt.
Zu 4.: Der Zuschlag für einen 3D-Partikelbettdrucker für mineralische Materialien wurde im September 2019 an eine Firma für Maschinen [&] Automation in Italien erteilt.

Ansprechpersonen: Dr.-Ing. Inka Dreßler, Dr.-Ing. Hans-Werner Krauss

Förderung: NBank/EFRE

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Während in der industriellen Fertigung bereits das Thema „Industrie 4.0 – Mensch-Roboter-Kooperation“ diskutiert wird, ist das Bauwesen noch nicht einmal in der Industrie 3.0 angelangt. Zwar hat die Digitalisierung in Form von Entwurfs-, Berechnungs- und Simulationsprogrammen bereits Einzug in das Planungswesen gehalten. Das Bauen an sich hat sich allerdings nicht wesentlich geändert. So werden die hochwertigen Werkstoffe und industriell hergestellten Fertigteile noch immer nach dem Prinzip „Stein auf Stein“ verarbeitet. Menschliches Handeln führt zu variierender Bauteilqualität sowie kostenintensiven Arbeitsprozessen. Die Diskrepanz zwischen theoretisch planbarem und real umsetzbarem ist dementsprechend hoch und wird auch in Zukunft zunehmen, sofern kein Umdenken stattfindet. Einen Lösungsansatz bietet die Digitale Fabrikation, die in der Lage ist, innovative Konstruktionen bei steigender Bauteilqualität und effizientem Ressourceneinsatz zu realisieren.

Ziel dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens ist es daher ein Verfahren für die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile zu entwickeln. Dabei soll auf den Einsatz von Schalungselementen, die die Formgebung der Bauteile sowie deren Wirtschaftlichkeit bestimmen, verzichtet werden. Stattdessen soll ein innovatives, robotergestütztes Herstellungsverfahren entwickelt werden, das auf der aus dem Tunnelbau bekannten Spritzbetontechnologie basiert. Zur Realisierung des Vorhabens sollen Erkenntnisse aus den Bereichen Maschinenbau, Informatik und den Materialwissenschaften mit denen des Bauwesens zusammengeführt werden.

Grundlage für die Durchführung des Forschungsvorhabens ist ein Forschungsgroßgerät, das die Bezeichnung „DBFL – Digital Building Fabrication Laboratory“ trägt. Das von der DFG geförderte Großgerät ist in seiner Konzeption und Ausführung einzigartig. Innerhalb des Arbeitsraumes können frei orientierbare Bearbeitungsköpfe Material additiv auftragen, hochfeste Materialien subtraktiv bearbeiten sowie „Pick and Place-Operationen“ kooperativ ausführen.

Die erste Phase des Teilprojekts des iBMBs beschäftigt sich mit der Entwicklung einer geeigneten Spritzbetonrezeptur für das Herstellungsverfahren. Dabei muss die Spritzbetonrezeptur auf die Anforderungen, die sich aus einem vorgelagerten Pumpprozess und dem anschließenden Prozess des Spritzbetonauftrags ergeben, abgestimmt werden. In einer zweiten Projektphase sollen die thermischen und mechanischen Bauteileigenschaften modelliert werden.

Ansprechperson: Niklas Nolte M.Sc.

Förderung: Niedersächsische Technische Hochschule (NTH)

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.

Im Projekt sollen material- und verfahrenstechnische Innovationen geschaffen werden, mit denen die Instandsetzung von Beton- und Stahlbetonbauteilen bei starkem chemischen Angriff (Biogasanlagen und Abwasserbauwerke) deutlich wirtschaftlicher und effizienter als mit heute üblichen Methoden erfolgen kann. Beabsichtigt ist die Entwicklung eines Verbundwerkstoffs (Mörtelsystem), bestehend aus einem alkalisch aktivierten und faserbewehrten Mörtel und einer stahlfreien Bewehrung (z.B. Glasfasergewebe). Das Material soll gegenüber aggressiven Medien beständig sein und rissüberbrückende Eigenschaften aufweisen, um auch bei veränderlichen Rissbreiten im Bauteil dauerhaft eine hohe Dichtigkeit und Säurebeständigkeit zu garantieren. Aufgrund der extremen Umgebungsbedingungen und der besonderen Materialeigenschaften hängt der Erfolg einer Instandsetzung in hohem Maße von den im Rahmen des Projekts zu entwicklenden Techniken und Verfahren zur Applikation des Materials ab. Die zu entwicklenden material- und verfahrenstechnischen Innovationen ermöglichen eine deutlich wirtschaftlichere Instandsetzung sowie eine höhere Lebensdauer der instandgesetzten Anlagen.

Angestrebt ist die Entwicklung eines zementfreien Mörtelsystems auf Basis von alkalisch aktivierten Bindemitteln mit rissüberbrückenden Eigenschaften sowie geeigneter Applikationstechniken für verschiedene Einsatzgebiete und Randbedingungen. Damit soll die Instandsetzung von Stahlbetonoberflächen mit Trennrissen (mit/ohne veränderliche Rissbreiten) bei starkem chemischem Angriff mit erheblichen Vorteilen gegenüber heute üblichen Instandsetzungsmaßnahmen in Bezug auf die Lebensdauer, die Wirtschaftlichkeit und die Arbeitshygiene möglich sein.

Ansprechpersonen: Dr.-Ing. Stefan Ullmann

Förderung: AiF Projekt GmbH, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des BMWi

Dieses Forschungsvorhaben wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Lowke bearbeitet.