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Zur Beurteilung von AR-Glasfasern in alkalischer Umgebung

GCA,
Buch
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Kurzbeschreibung


Zusammenfassung
Gegenstand der Arbeit ist es, die werkstoffseitigen Veränderungen von AR-Glasfasern in Abhängigkeit von der Zeit und dem Korrosionsmedium zu identifizieren und deren Aus- wirkung auf die Verbundeigenschaften abzuschätzen, um so Aussagen zur Dauerhaftigkeit von textilbewehrtem Beton abzuleiten. Da der Verbundwerkstoff aus einzelnen Kompo- nenten - Glasfaser, Schlichte, Polymerbeschichtung, Feinbeton - besteht, ist die Summe aller ablaufenden Prozesse und Wechselwirkungen ausschlaggebend für das Leistungsver- mögen des Verbundes über die gesamte Gebrauchsdauer. Die altersabhängigen Verände- rungen in der Grenzschicht zwischen den einzelnen Komponenten sind dabei besonders zu berücksichtigen.
In dieser Arbeit wurden Alterungsmethoden aus Industrie und Literatur zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von AR-Glasfasern in alkalischen Lösungen vergleichend untersucht und hinsichtlich ihrer Aussagekraft zur Beurteilung der Beständigkeit von Schlichten und Polymerbeschichtungen sowie ihrer Übertragbarkeit auf reale Betonverbunde bewertet. Die Untersuchungen wurden an ungeschlichtetem AR-Glas sowie an AR-Glas mit unter- schiedlichen Oberflächenmodifikationen in Form von Filamenten und Rovings in alkali- schen Lösungen sowie an Betonverbunden durchgeführt. Die Abschätzung der chemischen Beständigkeit anhand von Zugversuchen am Filament und am Roving in Verbindung mit rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen wird als Variante genutzt, um korrosi- onsbedingte Veränderungen an der Filamentoberfläche zu detektieren und deren Auswir- kung in der Grenzschicht und somit auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes aufzuklären.
Die Bruchspannungsverteilungen von Filamenten lassen sich mittels monomodaler, zwei- parametriger Weibull-Verteilungsfunktion analysieren. Bruchspannungsverteilungen von Glasfasern im geschlichteten Zustand zeigen im Weibull-Diagramm einen linearen Ver- lauf und lassen sich durch eine Ausgleichsgerade beschreiben. Bei der Alterung von Glas- fasern kommt es zur Neubildung bzw. zum Wachstum von Oberflächendefekten, die sich auf die Filamentbruchspannung auswirken und zum Auftreten vermengter Verteilungs- funktionen führen. Das Separieren der Gesamtverteilung in einzelne Verteilungen anhand definierter Kriterien und die Auswertung der so bestimmten Weibull-Kennwerte ermög- lichen das indirekte Erfassen von Veränderungen an der Filamentoberfläche. Die Anwen- dung der Maximum-Likelihood-Methode zur Ermittlung der Ausgleichsgerade ist für die Analyse von Bruchspannungsverteilungen vorteilhaft, bei denen das Auftreten vermengter Verteilungen nicht zu erwarten ist. Für die Auswertung vermengter Verteilungsfunktionen erweist sich die Berechnung der Ausgleichsgerade mittels linearer Regressionsanalyse als günstiger.
Die verwendeten Korrosionsmedien NaOH-Lösung und abfiltrierte Zementlösung initiieren aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung die Ausbildung verschie- dener, charakteristischer Korrosionsmerkmale. In NaOH-Lösung führt die Auflösung des Si-O-Si-Netzwerkes zur Ausbildung einer korrodierten Faserhülle, die sich bei entsprechen- der Volumenzunahme, durch die Einlagerung von Wassermolekülen, selbständig ablösen kann. Die darunter befindliche, „neue“ Glasfaseroberfläche ist unversehrt und besitzt die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Ausgangsfaser. In Zementlösung verhindert die sich bildende, schwerlösliche Ca-Si-Schicht eine vollflächige Korrosion der Faserober- fläche, so dass nur an lokal begrenzten Bereichen Glaskorrosion in lochartiger Form statt- findet. Ein steigender pH-Wert besitzt eine beschleunigte Wirkung auf die Ausbildung der jeweiligen Korrosionserscheinungen, verändert deren grundsätzlichen Mechanismus jedoch nicht. Für beide Korrosionslösungen wurde ein Schema entwickelt, das die einzelnen Kor- rosionszustände wiedergibt.
Die Bruchspannung der Filamente wird beim Durchlaufen der unterschiedlichen Korrosi- onszustände auf verschiedene Weise beeinflusst. In NaOH-Lösung führt das Ausbilden der Korrosionsschicht vorerst zu einem Bruchspannungsabfall. Das Ablösen der korrodierten Hülle lässt die Bruchspannung jedoch wieder ansteigen, bis die darunter liegende Glasfa- seroberfläche wiederum angegriffen wird. In Zementlösung wird die Bruchspannung der Filamente über einen weiten Temperatur- bzw. Zeitbereich aufgrund der Ca-Si-Schicht nicht herabgesetzt. Wird diese Schutzschicht durchbrochen, so dass eine lochartige Kor- rosion der Glasfaseroberfläche stattfindet, führt dies zur plötzlichen Abnahme der Bruch- spannung.
Die Voruntersuchungen an ungeschlichteten AR-Glasfasern bildeten die Grundlage zur Ableitung geeigneter Alterungsbedingungen zur Beurteilung der Beständigkeit unterschied- licher Schlichten auf Basis von Epoxidharzdispersionen in Kombination mit verschiedenen Silanen. In 5%-NaOH-Lösung wurde die Alterung bei einer Temperatur von 20°C über einen Zeitraum von 15 d durchgeführt. In diesem Zeitraum tritt nur eine anfängliche Kor- rosion ein. Dabei zeigt sich eine Verbesserung der Beständigkeit durch den Silanaustausch von N-Propyltrimethoxysilan (PTMO) zu 3-Aminopropyltrimethoxysilan (γ-APS). Das Einbringen von SiO2-Partikeln in die Schlichte führt zur Ausbildung einer Opferschicht, wodurch sich eine höhere Beständigkeit für die Glasfasern ergibt. In Zementlösung wur- den Alterungsbedingungen von 40 °C über einen Zeitraum von 28 d eingesetzt, um ein Absinken der Filamentbruchspannung auf das Niveau der ungeschlichteten Filamente zu erreichen. Unterschiede in der Beständigkeit von Schlichten mit verschiedenen Silanen konnten in Zementlösung nicht detektiert werden. SiO2-Partikel in der Schlichte führ- ten in Zementlösung zur höchsten Bruchspannungsabnahme innerhalb des betrachteten Zeitraums. Da die chemische Zusammensetzung der Korrosionslösung den Korrosionsmechanismus bedingt, sind zur Vorhersage der Beständigkeit der AR-Glasfasern in Beton nur Ca-haltige Lösungen mit betonähnlicher Zusammensetzung (Porenlösung) verwendbar. Die in NaOH- Lösung festgestellten Korrosionserscheinungen konnten im Beton nicht nachgewiesen wer- den. Alterungsmethoden, die die Anwendung von 5%-NaOH-Lösung vorschreiben, sind geeignet, um die Alkaliresistenz von Glasfasern unterschiedlicher chemischer Zusammen- setzung oder Oberflächenmodifikation zu prüfen. Abschätzungen über die Dauerhaftigkeit von Glasfasern in Beton lassen sich daraus nicht ableiten.
Parallel zu den Zugversuchen an den gealterten Filamenten wurde der Schlichtegehalt durch die Ermittlung des Glühverlustes bestimmt. Ein Zusammenhang zwischen der Abnahme des Schlichtegehaltes und der entsprechenden Filamentbruchspannung konnte nicht festgestellt werden, da die Verteilung der Schlichte zwischen und auf den Filamen- ten und damit die angreifbare Schlichteoberfläche den Masseverlust in stärkerem Maße beeinflusst als die unterschiedliche Alkaliresistenz. Auch an gealterten Filamenten kann sich noch (gealterte) Schlichte befinden. Durch die Alterung im Korrosionsmedium entste- hende Veränderungen wie Kristallaufwachsungen oder wasserhaltige Korrosionsschichten müssen bei der Auswertung des Masseverlustes berücksichtigt werden.
Untersuchungen zur Beständigkeit von Polymerbeschichtungen in alkalischen Lösungen wurden im Rahmen dieser Arbeit nicht an IPF ARG durchgeführt, sondern konzentrierten sich auf VET ARG, obwohl die Polymerbeschichtungen auf definiert geschlichteten IPF ARG Fasern deutlich bessere Ergebnisse erzielten. Dadurch konnten die höhere Streu- ung der ermittelten Kennwerte sowie der Einfluss der unterschiedlichen Verteilung der Polymerbeschichtung, die aus der textilen Aufmachung (IPF ARG Roving assembliert, VET ARG Direktroving) resultieren, ausgeschlossen werden. Die Rovingzugfestigkeit im Ausgangszustand wurde durch die Beschichtungen auf Styrol-Butadien-Basis um ≈ 35% erhöht und durch die Beschichtung auf Epoxidharzbasis um ≈ 70%. In 5%-NaOH-Lösung führen Temperaturerhöhungen zu einer Überlagerung der Polymerdegradation und der Glaskorrosion, so dass Aussagen zur Beständigkeit der Beschichtungen nur bei 20 °C ge- troffen werden konnten. Innerhalb der betrachteten 28 d Lagerungszeit erwiesen sich die Styrol-Butadien-Beschichtungen in NaOH-Lösung sowie in Zementlösung als beständiger. Extreme Alterungsbedingungen in Zementlösung zeigten, dass die Epoxidharzbeschich- tung aufgrund ihrer homogeneren Verteilung auf der Filamentoberfläche die Glaskorrosion behindert.
Der zweiseitige Auszugsversuch an Betonverbunden mit unterkritischem Faservolumenge- halt ist eine geeignete Methode, um Gefügeveränderungen in der Grenzschicht zwischen Glasfaser und Betonmatrix erfassen zu können. Das Aufbringen der Polymerbeschich- tungen auf IPF ARG führte zu einem deutlichen Anstieg des Leistungsvermögens, da Schlichte und Beschichtung chemisch aufeinander abgestimmt sind und die Verwendung assemblierter Rovings eine gleichmäßigere Verteilung der Beschichtung mit sich bringt. Durch die Polymerbeschichtung wird die Art der Ausbildung der Hydratationsproduk- te auf den Filamentoberflächen beeinflusst. Mit der Epoxidharzbeschichtung kann eine dichte, homogene Umhüllung der Filamente mit CSH-Phasen erzielt werden. Die Alte- rungsversuche von Betonverbunden mit VET ARG bei unterschiedlichen Bedingungen zeigte, dass durch die Poymerbeschichtung das Leistungsvermögen über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt.
Mit steigender Umgebungsfeuchte können Umwandlungen des Gefüges in der Grenzschicht sowie eine beschleunigte Degradation der Polymerbeschichtung identifiziert werden. Da hohe Temperaturen ab 60°C innerhalb von 28 d zu einem starken Abfall des Leistungs- vermögens führen, wird empfohlen, Alterungen von Betonverbunden zur Beurteilung der Beständigkeit von Polymerbeschichtungen bei Temperaturen bis 40°C durchzuführen. Die höhere Beständigkeit von vernetztem Styrol-Butadien im Vergleich zu thermoplastischem Styrol-Butadien wird anhand der Alterungsversuche nachgewiesen. Mit der Beschichtung auf Epoxidharzdispersion werden die besten Verbundeigenschaften bei der Alterung er- reicht. Die Ergebnisse der Alterung von Betonverbunden und der Alterung in Zementlö- sung stimmen hinsichtlich der Beständigkeit der Polymere überein.
Selbst bei extremen Alterungsbedingungen der Verbundprüfkörper (80 ◦C, Wasserlage- rung, 360 d), die zu einem vollständigen Verlust des Arbeitsvermögens der Betonverbun- de führten, konnten an den AR-Glasfilamenten keine korrosionsbedingten Schädigungen nachgewiesen werden. Die Abnahme des Arbeitsvermögens der hier verwendeten Beton- verbunde innerhalb des betrachteten Zeitraums ist auf Gefügeveränderungen in der Grenz- schicht zurückzuführen, nicht jedoch auf Glasfaserkorrosion.

Details
Schlagworte

Titel: Zur Beurteilung von AR-Glasfasern in alkalischer Umgebung
Autoren/Herausgeber: Christina Scheffler
Ausgabe: 1., Auflage

ISBN/EAN: 9783898632447

Seitenzahl: 170
Format: 21 x 14,8 cm
Produktform: Taschenbuch/Softcover
Gewicht: 240 g
Sprache: Deutsch

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