© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Heft 12 947 DOI: 10.1002/best.201900058 FACHTHEMA ARTICLE FACHTHEMA Viktor Mechtcherine, Albert Michel, Marco Liebscher, Kai Schneider, Christoph Großmann Neue Carbonfaserbewehrung für digitalen automatisierten Betonbau Herrn Professor Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt zu seinem 80. Geburtstag gewidmet 1 Einleitung Die Verwendung von Carbonfaserbewehrung im Beton- bau bietet im Vergleich zu herkömmlicher Stahlbeweh- rung mehrere Vorteile. Da Carbonfasern (CF) eine viel höhere Zugfestigkeit, ein wesentlich geringeres spezif- sches Gewicht und vor allem keinerlei Korrosionsnei- gung aufweisen, vgl. z. B. [1, 2], ermöglichen sie den Bau wesentlich dünnerer, materialsparender Strukturen bei gleicher Tragfähigkeit und deutlich höherer Dauerhaftig- keit. Durch die geringere und efzientere Ressourcennut- zung wird außerdem der ökologische Fußabdruck des Betonbaus verringert [2]. Die derzeit vorhandenen CF-Be- wehrungen sind Verbundwerkstofe aus Kohlenstoffla- menten, die in eine thermoplastische oder duroplastische Matrix eingebettet sind. Während die Polymermatrix die einzelnen Kohlenstofflamente verbindet und die Form- stabilität der Bewehrungselemente verbessert, bedingt sie auch erhebliche Einschränkungen in Bezug auf die Ver- wendung des Verbundmaterials als Betonbewehrung. Zum einen erweichen die Polymere bei erhöhten Tempe- raturen, insbesondere im Brandfall, oder sie zersetzen sich sogar, wodurch die CF-Bewehrung die erforderliche Tragfähigkeit nicht mehr gewährleisten kann [3]. Zum anderen weist der Verbund zwischen Polymertränkung und Beton eine relativ geringe Steifgkeit und Festigkeit auf [3], speziell im Falle eines thermoplastischen Kunst- stofs. Ein weiterer kritischer Punkt der herkömmlichen Carbonbewehrung ist die Tatsache, dass zwar die Carbon- fasern selbst chemisch inert und daher äußerst dauerhaft sind. Dennoch muss die Beständigkeit einzelner Polymer- matrices in hochalkalischer Betonumgebung und unter sich ändernden Temperatur- und Feuchteverhältnissen noch nachgewiesen werden. Schließlich, und dies ist für den vorliegenden Aufsatz von besonderer Bedeutung, schränkt die Einbettung von Kohlenstofgarnen in eine Polymermatrix die technologische Flexibilität deutlich ein, insbesondere im Hinblick auf neu entstehende auto- matisierte Produktionsabläufe. Um die Vorteile der Carbonbewehrung voll zu nutzen und gleichzeitig die aufgezählten, durch die Verwendung der Kunststoftränkung bedingten Einschränkungen zu überwinden, wurde am Institut für Baustofe der TU Dresden eine neuartige Bewehrung aus mineralisch im- prägnierten Carbonfasern (mineral-impregnated carbon fber, MCF) entwickelt [3]. Als Imprägnierung wurde er- folgreich eine spezielle Suspension aus Mikrozementen, Mikrosilika, Wasser und Zusatzmitteln verwendet. Im Vergleich zu polymergebundenen Referenzmaterialien zeigte die neue Bewehrung sowohl ein deutlich besseres mechanisches Verhalten bei erhöhten Temperaturen als auch einen erheblich besseren Verbund zur Betonmatrix [3]. Ebenfalls hervorzuheben sind sehr vielfältige Verar- Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung ist eine neue Art der Armierung für den Betonbau, die im Vergleich zu beste- henden, kunststoffgebundenen Carbonbewehrungen beträcht- liche Vorteile aufweist. Die mineralische Imprägnierung erhöht die Leistungsfähigkeit der Bewehrung bei erhöhten Temperatu- ren, verbessert ihren Verbund mit der Betonmatrix und steigert deutlich die technologische Flexibilität, insbesondere im Hin- blick auf die Digitalisierung und Automatisierung der Bauteil- herstellung. Nach der Erläuterung der Technologie zur kontinu- ierlichen Imprägnierung von Carbongarnen mit speziell entwi- ckelten, feinen mineralischen Bindemittelsuspensionen werden einige Beispiele für die automatisierte Herstellung von Beweh- rungssystemen aus diesem neuen Verbundwerkstoff vorge- stellt. Diese Fälle umfassen eindimensionale Elemente wie Stäbe und Lamellen, zweidimensionale Bewehrungen in Form von Matten und dreidimensionale Systeme wie Bewehrungs- körbe für einen Balkon oder Schalenstrukturen. Schließlich wird kurz auf die Verwendung des neuartigen Komposits für die Bewehrung in hochautomatisierter additiver Fertigung wie Beton-3D-Druck eingegangen. New Carbon Fiber Reinforcement for Digital, Automated Concrete Construction Mineral-impregnated carbon fber (MCF) is a new type of rein- forcement for concrete construction, which exhibit signifcant advantages in comparison to existing polymer-based carbon fber reinforcements. Mineral impregnation considerably im- proves the performance of the reinforcement at elevated tem- peratures, enhances its bond to the concrete matrix, and in- creases technological fexibility, especially with respect to digi- tized, automated production of concrete elements. First, the technology for continuous impregnation of carbon yarns with special fne mineral binder suspensions is explained. Then several examples for the automated manufacturing of rein- forcement systems made of this new composite material are presented. These examples cover one-dimensional elements such as bars and strips, two-dimensional reinforcements in the form of mats, and three-dimensional cases such as reinforcing cage for a balcony or shell elements. Finally, the use of the novel reinforcement in conjunction with highly automated, ad- ditive construction technologies such as 3D-concrete-printing is discussed.