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The bond between polymer fibers and the surrounding cementitious matrix is essential for the development of concrete reinforcement. The single fiber pull-out test (SFPT) is the standard characterization technique for testing the bond strength. However, the different phases of debonding cannot be distinguished by the SFPT. This study investigates the debonding of different polymer fibers from the surrounding cementitious matrix with a modified SFPT and proposes methods to change the SFPT setup to generate more valuable information on the debonding mechanism. The SFPT was equipped with linear variable differential transformers (LVDT), digital image correlation (DIC) and acoustic emission (AE) analysis. The results demonstrate that the modified SFPT allows a better understanding of the different phases of debonding during fiber pull-out. Furthermore, bond strength values calculated by different methods reveal that the chemical bond of the investigated polymers is not different as reported by previous studies. Deformation measurements performed using LVDTs and DIC are suitable measuring techniques to characterize the debonding mechanism in SFPT. A correlation between recorded AE and debonding phases was not found.
Corrosion of steel reinforcements in concrete constructions is a big topic for the building industry. Polymeric materials are a possible alternative due to their ability to withstand corrosion. To replace steel reinforcements, fibers with high mechanical properties and a good bonding ability between fiber and concrete are needed. Today different approaches for concrete reinforcement by polymer fibers have been investigated. The bonding ability of the fibers can be increased by mechanical anchoring, e.g. crimped or embossed fibers, as well as by a chemical bonding between concrete and fiber surface. To realize the requirements of high mechanical properties and a good bonding behavior, a fiber that is drawn from a co-extruded filament shall be produced and tested. The filament owns an innovative core-shell-structure. The core maintains the fiber-stiffness and the tensile strength while the shell allows using another material to affect the bonding behavior of the fiber. This study shows the usage of fibers with differing shell materials to examine their influence on the mechanical properties of the fiber in total and the adhesion abilities to concrete. As core material, an unfilled polypropylene (PP) is used. The shell materials are varied using different polymers e.g. polypropylene or ethylene acrylic acid copolymer, as well as two PP based compounds filled with wood particles and calcium carbonate blended with a maleic anhydride based coupling agent. The mechanical properties of the fibers are tested by fiber tensile tests to compare the younǵs modulus and the tensile strength. The influence of the shell phase on the bonding ability to concrete is evaluated by the interfacial shear strength calculated from single fiber pull-out tests. Microscopy is used to interpret changes before and after pull-out. The results depict incredible positive effects and allow new insights in possible materials for fiber reinforced concrete constructions.
Nachhaltigkeit und Ressourceneinsparung sind die Themen der Stunde. Vor allem die Bauindustrie hat ein großes Potenzial, umweltfreundlicher zu agieren, da dieser Industriezweig einer der größten Kohlenstoffdioxid-Emitter ist. Durch die Verlängerung der Lebenszeit von Bauwerken und die Einsparung von Baumaterialien kann nachhaltiger und ressourcenschonender gearbeitet werden. Eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen ist der Einsatz alternativer Beton-Bewehrungen.
Der Grundbaustoff Beton hat sehr gute Druckfestigkeiten, weist allerdings Defizite bei der Zugfestigkeit auf. Zur Verbesserung der Zugfestigkeit wird dem Beton ein Material mit hoher Zugfestigkeit beigemischt. Dieses wird „Bewehrung“ genannt. Stand der Technik in der Bauindustrie ist momentan die Bewehrung mit Stahlstäben und -matten. Der Stahl begrenzt allerdings die Lebenszeit von Bauwerken, da es durch das Eindringen von Chloriden, Sulfaten oder Kohlendioxid früher oder später zu Korrosion kommt. Um den Korrosionszeitpunkt hinauszuzögern, verwendet die Industrie eine dicke Betonschutzschicht, um den Stahl zu schützen. Die Verwendung einer korrosionsbeständigen alternativen Bewehrung würde die Lebensdauer (Dauerhaftigkeit) von Bauwerken steigern und gleichzeitig eine Verringerung der verwendeten Baumaterialien bewirken. Dies würde einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Bauindustrie leisten.
Eine Substanz, die als Bewehrungsmaterial eingesetzt werden kann, ist Polypropylen (PP). Polypropylen ist ein sehr korrosionsbeständiges Polymer, das die gerade beschriebenen Effekte erzielen würde. Allerdings ist Polypropylen als Standardmaterial nicht für die Bewehrung von Beton geeignet. Seine mechanischen Eigenschaften sind nicht vergleichbar mit denen von Baustahl. Gleichzeitig ist die Adhäsion von Polypropylen zu Beton nicht ausreichend, um eine effiziente Verstärkung erzielen zu können.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Lösungswege zu entwickeln, wie aus PP eine alternative Betonbewehrung hergestellt werden kann. Zuerst wurde sowohl das Problem der niedrigen mechanischen Eigenschaften von Polypropylen als auch die Schwierigkeit der geringen Adhäsion zu Beton getrennt untersucht. Im Anschluss wurden Methoden eruiert, mithilfe derer eine Kombination der mechanischen Eigenschaften mit der Adhäsion zu Beton bei gleichbleibenden Eigenschaften möglich ist. Hierfür wurde ein Reaktivextrusions- und ein Co-Extrusionsprozess untersucht.
Die Zugfestigkeit von Polypropylen kann durch eine starke Orientierung der Molekülketten signifikant erhöht werden. Der dafür nötige Verstreckungsprozess ist die Basis für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. In einem ersten Schritt wurden verschiedene PP-Typen auf deren Verstreckbarkeit untersucht und in der Folge mit makroskopischen und nanoskaligen Füllstoffen ausgerüstet, um so die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul zu steigern. Im zweiten Schritt wurde der Einfluss von mehreren aufeinander folgenden Verstreckungsstufen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht.
Die hohe chemische Stabilität von PP verhindert eine gute Adhäsion zu Beton. Folglich wurde die natürliche Adhäsion von verschiedenen Polymeren zu Beton untersucht, um mögliche andere Polymere als Additive zur Adhäsionsverbesserung zu identifizieren. Der Unterschied in der Polarität zwischen Beton und PP ist sehr hoch, weshalb der Einfluss einer Hydrophilierung von PP auf die Adhäsion zu Beton durch Van der Waals Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen analysiert wurde. Dies berücksichtigend konnte ein Reaktivextrusionsprozess mit einem Vinylsilan entwickelt werden, der eine kovalente Bindung von PP zu Beton ermöglicht.
Um eine optimierte PP-Faser zur Bewährung von Beton zu erhalten, mussten die zuvor erlangten Erkenntnisse hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton in einer Faser vereint werden. Diesbezüglich wurde einerseits die Reaktivextrusion mit Füllstoffen und einem angepassten Verstreckungsprozess optimiert. Andererseits wurden verschiedene Materialien in einem Co-Extrusionsprozess kombiniert. ,Eine wichtige Erkenntnis besteht darin, dass eine Faser mit einer Verbundaußenschicht aus silanisiertem PP und Holzfasern in Kombination mit einem optimierten Verstreckungsprozess, eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton erzielt.
Zur differenzierten Beurteilung der Ergebnisse wurde ein spezieller Testaufbau basierend auf einem Einzelfaserauszugstest entwickelt, der die verschiedenen Adhäsionsmechanismen einer modifizierten PP-Faser zu Beton unterscheiden kann und dadurch wiederum eine Modifizierung der Faser speziell auf einzelne Adhäsionsmechanismen ermöglicht.
Zusammenfassend konnten mit dieser Arbeit mehrere Lösungsansätze aufgezeigt werden, wie eine alternative Bewehrungsfaser für Beton aus Polypropylen hergestellt werden kann.
A new approach for the friction and wear characterisation of polymer fibres under dry, mixed, and hydrodynamic sliding conditions is developed. The production process of the tested polymer fibres is described and an introduction in fibre-reinforced concrete is given. Tribotesting is done on an optimised tribometer capable of measuring the friction and wear behaviour of polymer fibres with diameters of a few 100 µm under lubricated conditions. Three extruded polypropylene macro fibres with varying diameters are characterised under tribological conditions found in an industrial concrete mixing process. It is shown that detailed friction and wear data of polymer fibres can be gathered.
Ausgehend von der herkömmlichen Pin-on-Disc-Prüfmethodik wurde ein Tribologieprüfstand hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit zur Fasercharakterisierung optimiert und angepasst. Die Methodik wird erläutert und erste Anwendungen im Bereich der tribologischen Charakterisierung von Einzelfasern werden vorgestellt. Der Prüfungsablauf zur Untersuchung der Polymerfasern, deren Durchmesser nur einige 100 µm betragen, ist so generiert, dass eine Erfassung der Daten als Funktion der Zeit im Bereich von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Faserverschleiß kontinuierlich während der Messung bereits in den ersten Minuten erfolgen kann. Der Prüfmodus startet hierbei mit Linienlast und entwickelt sich dynamisch zur Flächenlast durch Änderung der Auflagefläche der Faser während der Messung. Es wird gezeigt, dass Einzelfasern hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften in unterschiedlichen tribologischen Systemen charakterisiert werden können. Die Abhängigkeit der Verschleißraten von Fasermaterial, Oberflächenrauheit der Gegenkörper und Schmiermittelraten wird dargestellt.
Ausgehend von der herkömmlichen Pin-on-Disc-Prüfmethodik wurde ein Tribologieprüfstand hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit zur Fasercharakterisierung optimiert und angepasst. Die Methodik wird erläutert und erste Anwendungen im Bereich der tribologischen Charakterisierung von Einzelfasern werden vorgestellt. Der Prüfungsablauf zur Untersuchung der Polymerfasern, deren Durchmesser nur einige 100 µm betragen, ist so generiert, dass eine Erfassung der Daten als Funktion der Zeit im Bereich von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Faserverschleiß kontinuierlich während der Messung bereits in den ersten Minuten erfolgen kann. Der Prüfmodus startet hierbei mit Linienlast und entwickelt sich dynamisch zur Flächenlast durch Änderung der Auflagefläche der Faser während der Messung. Es wird gezeigt, dass Einzelfasern hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften in unterschiedlichen tribologischen Systemen charakterisiert werden können. Die Abhängigkeit der Verschleißraten von Fasermaterial, Oberflächenrauheit der Gegenkörper und Schmiermittelraten wird dargestellt.