Entwicklung einer Beton-/PCM-Rezeptur sowie Untersuchungen zu bauphysikalischen Eigenschaften von PCM-haltigen Betonbauteilen
Phasenwechselmaterialien zählen zu den Innovationen der letzten Jahre im Baubereich. Insbesondere für Neubauten mit großen Fensterflächen, Gebäuden in Leichtbauweise, aber auch bei der energetischen Ertüchtigung von Bestandsgebäuden eröffnen diese Materialien neue Perspektiven. Zur Reduktion des Kühlenergiebedarfs bei gleichzeitiger Erhaltung des Nutzerkomforts, wird PCM bereits heute Baustoffen beigemengt. Die Speicherkapazität eines Bauteils, wird dabei dadurch erhöht, dass die PCM-Bestandteile einen Phasenwechsel von fest zu flüssig vollführen und dabei Energie aufnehmen (Abb. 1 rote Kurve).
Zur Erhöhung der Speicherfähigkeit eines Bauteils mittels PCM bestehen verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist, den PCM-Anteil im Bauteil gleichmäßig verteilt zu erhöhen. Dieser Ansatz ist jedoch dadurch begrenzt, dass PCM nicht eigenständig tragfähig und somit auf ein Trägermaterial angewiesen ist. Im Zusammenwirken mit PCM erfährt das Trägermaterial dann anteilsabhängig einen Festigkeitsverlust, woraus sich die Obergrenze für die PCM-Zugabe ergibt. Bei der Nutzung von Zementwerkstoff als Trägermaterial treten bspw. bereits bei einem Massenanteil von weniger als 10% erhebliche Beeinträchtigungen im Hinblick auf Standfestigkeit und Gebrauchstauglichkeit des Bauteils auf. Einen geeigneten Lösungsansatz bieten hierfür additive Fertigungsverfahren. Die additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material ein Bauteil schichtweise aufgebaut wird. In diesem Projekt soll eine robotergestützte Spritztechnologie zum Einsatz kommen (s. Abb. 2 und 3). Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung, der aus dem Tunnelbau bereits bekannten Betonspritztechnologie, mit der sich hochfeste Betone erzeugen lassen.
Die Fertigung eines Bauteils kann mit Hilfe dieses Verfahrens vollautomatisiert und individuell auf der Grundlage vielfältiger Informationen aus einem digitalen 3D-Modell erfolgen. Neben der Möglichkeit, die äußere, haptisch erfahrbare Kontur des Bauteils dadurch frei gestalten zu können, bieten die Verfahren zudem die Möglichkeit, das Objekt auch im Inneren auf neue Weise zu strukturieren und somit den Bedürfnissen besser anzupassen. Der für die additiven Verfahren charakteristische schichtweise Aufbau soll in diesem Projekt genutzt werden, um auch das Bauteilinnere nach funktionalen Anforderungen neu zu arrangieren.
Die Abb. 3 zeigt in vier Schritten die Strukturierung eines ebenen Betonbauteils, am Beispiel einer linienförmig belasteten Wandscheibe. Mit Hilfe von digitalen Analysemethoden können die für den Lastabtrag notwendigen Bereiche definiert werden. Das Volumen ist abhängig von der Güte des Ausgangsmaterials.
Die Abb. 4 zeigt in vier Schritten die Strukturierung eines ebenen Betonbauteils, am Beispiel einer linienförmig belasteten Wandscheibe. Mit Hilfe von digitalen Analysemethoden können die für den Lastabtrag notwendigen Bereiche definiert werden. Das Volumen ist abhängig von der Güte des Ausgangsmaterials.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, die volle thermische Leistungsfähigkeit des Latentwärmespeichers in einem Betonbauteil zu erreichen. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von PCM, aber auch von dem umgebenen Trägermaterial, wird das Potenzial der Speicherfähigkeit des PCM oftmals nur eingeschränkt nutzbar. Dieses Problem soll durch eine gezielte Zugabe leitfähiger Materialien in dem automatisierten Prozess behoben werden. Ein erster Ansatz diesem Ziel näher zu kommen besteht in der Nutzung von Stahlfasern, die sich auch gleichzeitig positiv auf die Biegezug- und Schubfestigkeit sowie das Riss- und Verformungsverhalten des Betons auswirken. Um die Speicherfähigkeit von Betonbauteilen mittels PCM zu optimieren, soll damit begonnen werden, die Bereiche im Zuge einer thermisch-energetischen Simulation zu identifizieren und räumlich zu positionieren. Entscheidend für die Umsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Endeffektors, mit dem sowohl das PCM als auch das leitende Medium präzise dosiert werden können. In Parameterstudien werden unterschiedliche Konstruktionen analysiert und in optimierter Form produziert.