Materialminimierte Extrusion von Carbonbeton | Förderphase 2
In der ersten Förderperiode wurden Fortschritte bei der Entwicklung von Verfahren zum Extrudieren von dünnen, verformbaren Hochleistungsstrukturen aus Carbonbeton mit variablen Querschnitten bei minimalem Materialeinsatz erzielt. Darüber hinaus wurden erste Fortschritte bei der Erforschung von Betonplattentragwerken mit montierten Carbonbetonkomponenten erzielt. In Förderperiode 2 wird sich der Schwerpunkt von D02 von:
- der Verwendung von Vollquerschnitten zu Hohlquerschnitten,
- von der Verwendung ebener Carbonbewehrungen zu durchgehenden Bewehrungskonzepten mit geformten Carbonbewehrungen,
- vom großen CO2-Fußabdruck reiner Portlandzement-Betonmischungen (OPC) zu klinkerarmen Zementen mit der Möglichkeit der CO2-Aufnahme und
- von einzelnen Carbonbetonelementen bis hin zu zusammengesetzten, extrudierten Komponenten
verlagern. Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf der Entwicklung hochleistungsfähiger, leichter, schalungsfreier und ressourceneffizienter Komponenten aus extrudiertem Carbonbeton mit minimiertem Materialeinsatz und geringem CO2-Ausstoß. Die Forschung hat vier Hauptziele:
- Entwicklung eines Verfahrens zur Extrusion von Hohlquerschnitten mit geformten Bewehrungen. Dafür müssen eine präzise geometrische Dimensionierung und eine korrekte Zuführung der geformten Carbonbewehrung gewährleistet sein.
- Entwicklung eines skalierbaren, prädiktiven Simulationsmodells. Dieses kombiniert die zugrunde liegenden physikalisch-chemischen Prozesse mit den erforderlichen technischen Eigenschaften, um eine fehlerfreie Extrusion über den Labormaßstab hinaus zu ermöglichen.
- Verwendung von Betonmischungen mit einem um 50 % geringeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu Betonmischungen mit Portlandzement und von CO2-Nachbehandlungsstrategien, um die Umweltauswirkungen effektiv zu reduzieren und gleichzeitig ein OPC-ähnliches Aushärtungsverhalten zu erhalten.
- Zusammenbau und Verbindung verschiedener extrudierter Carbonbetonelemente zu modularen Tragstrukturen.
Team
52062 Aachen
52062 Aachen
52062 Aachen
Kooperationen
Ehemalige | Former involved
Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach (Teilprojektleiter, RWTH Aachen, 07/2020 – 06/2024)
Dr.-Ing. Matthias Kalthoff (Wissenschaftlicher Mitarbeiter, RWTH Aachen, 06/2020 – 0/2023)
Jabkob Beckers (Wissenschaftlicher Mitarbeiter, RWTH Aachen)
Grundlagen für das Extrudieren von Carbonbetonstrukturen | Förderphase 1
Ziel des Teilprojekts D02 ist die Erforschung eines materialsparenden und wirtschaftlichen Produktionsverfahrens für dünne, bewehrte Strukturen mit variablem Querschnitt aus Beton, die sich durch einfache bis stark gekrümmte und komplexe Geometrien auszeichnen. Der Fokus liegt auf einer kontinuierlichen Herstellung mit einem Extruder und auf einer anschließenden Umformung dieser Strukturen. Die Extrusion hat das technologische sowie wirtschaftliche Potential, ohne zeit- und kostenintensive Schalungs- und Bewehrungsprozesse komplexe Bauteile in hoher Präzision und Qualität herzustellen.
Durch die schnelle Fertigung wird nicht nur die Wirtschaftlichkeit signifikant erhöht, sondern auch durch Abfallminimierung und materialsparende Bauteilgeometrien der Ressourcenknappheit an Ausgangsstoffen entgegengewirkt. Durch die Integration von technischen Textilien aus Carbon im Extrusionsprozess wird die Tragfähigkeit des Bauteils noch einmal deutlich gesteigert.
Im Rahmen von D02 wird das Seed-Fund-Projekt "Gezielte CO2-Beaufschlagung von extrudierten Betonbauteilen" (1. Runde 2022) durchgeführt.
Publikationen | Publications
Backes, J. G. M.; Scheurer, M.; Kalthoff, M.; Gries, M.; Matschei, T.; Raupach, M.; Traverso, M. (2022) Sustainability of textile reinforcements for carbon concrete – today and tomorrow in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 2130–2138.
Beckers, J.; Kalthoff, M.; Morales Cruz, C.; Matschei, T. (2023) Possibilities of extrusion production in concrete construction in: Claßen, M.; Hegger, J.; Matschei, T.; Raupach, M. [eds.] Beiträge zur 10. DAfStb-Jahrestagung mit 62. Forschungskolloquium, 26./27.09.2023 in Aachen, p. 161–171 – DOI: 10.18154/RWTH-2023-08021
Bosbach, S.; Kalthoff, M.; Morales Cruz, C.; Adam, V.; Matschei, T.; Classen, M. (2023) Digital Prefabrication of Lightweight Building Elements for Circular Economy: Material-Minimised Ribbed Floor Slabs Made of Extruded Carbon Reinforced Concrete (ExCRC) in: Buildings 13, issue 12, 2928 – DOI: 10.3390/buildings13122928
Dhahir, M. K.; Kalthoff, M.; Neef, T.; Friese, D.; Beckmann, B.; Cherif, Ch. Matschei, T.; Mechtcherine, V.; Marx, S. (2023) Developing the Chemical Prestressing Technology for Textile Carbon Reinforced Concrete in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1428–1438 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_146
Kalthoff, M.; Bosbach, S.; Backes, J.; Morales Cruz, C.; Traverso, M.; Claßen, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2023) Fabrication of lightweight, carbon textile reinforced concrete components with internally nested lattice structure using 2-layer extrusion by LabMorTex in: Construction and Building Materials 395, 132334 – DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132334
Kalthoff, M.; Bosbach, S.; Matschei, T.; Raupach, M.; Claßen, M.; Hegger, J.(2022) Investigations on material-minimized slabs made of extruded carbon reinforced concrete in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1047–1057.
Kalthoff, M.; Nebel, H.; Morales Cruz, C.; Schmidt, L.; Weniger, A.; Backes, J. G.; Traverso, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2023) CO2 Curing for Extruded Textile Reinforced Concrete Components – Requirements and Potentials in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 349, Cham: Springer, p. 1265–1274– DOI: 10.1007/978-3-031-32519-9_128
Kalthoff, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2022) Extrusion and Subsequent Transformation of Textile-Reinforced Mortar Components—Requirements on the Textile, Mortar and Process Parameters with a Laboratory Mortar Extruder (LabMorTex) in: Buildings 12, 726 – DOI: 10.3390/buildings12060726
Kalthoff, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2022) Investigation of Rheological Test Methods for the Suitability of Mortars for Manufacturing of Textile-Reinforced Concrete Using a Laboratory Mortar Extruder (LabMorTex) in: Constr. Mater. 2, p. 217–233 – DOI: 10.3390/constrmater2040015
Kalthoff, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2022) Investigation into the Integration of Impregnated Glass and Carbon Textiles in a Laboratory Mortar Extruder (LabMorTex) in Materials 14, 7406, p. 217–233 – DOI: 10.3390/ma14237406
Kalthoff, M.; Raupach, M.; Matschei, T. (2022) Materialminimiertes Bauen mit extrudiertem Textilbeton in: Beton 72, issue 6, p. 195–198.
Kruppa, H.; Kalthoff, M.; Neef, T.; Reißig, S.; Mechtcherine, V.; Raupach, M.; Matschei, T.; Vollpracht, A. (2023) Alkali-Activated Binder Requirements for Extrusion and 3Dd-Printing of Carbon Reinforced Concrete in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 349, Cham: Springer, p. 1275–1283 – DOI: 10.1007/978-3-031-32519-9_129
Morales Cruz, C., Bosbach, S., Kalthoff, M., Beckmann, B., Matschei, T. and Classen, M. (2024), Materialminimierte Rippen- und Wabendecken aus extrudierten Carbonbetonstegen. Beton- und Stahlbetonbau, 119: 873-881. https://doi.org/10.1002/best.202400069
Neef, T.; Kalthoff, M.; Müller, S.; Backes, J. G.; Raupach, M.; Matschei, T.; Traverso, M.; Mechtcherine, V. (2023) Extrusion of High Yield Strength Carbon Reinforced Concrete with Mineral Impregnated Rovings in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1568–1576 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_160
Neef, T.; Kalthoff, M.; Müller, S.; Morales Cruz, S.; Raupach, M.; Matschei, T.; Mechtcherine, M. (2025) Mineral-impregnated carbon fibers reinforcement for concrete elements manufactured by extrusion, Cement and Concrete Composites, Volume 157, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105909
Scheurer, M.; Dittel, G.; Kalthoff, M.; Raupach, M.; Matschei, T.; Gries, T. (2023) Evaluation of Properties of Impregnated Reinforcement Textiles Cured Within Concrete for Applications in Concrete Extrusion in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 349, Cham: Springer, p. 1293–1302 – DOI: 10.1007/978-3-031-32519-9_131
Scheurer, M.; Kalthoff, M.; Matschei, T.; Raupach, M.; Gries, T. (2022) Analysis of Curing and Mechanical Performance of Pre-Impregnated Carbon Fibers Cured within Concrete in: Textiles 2, issue 4, p. 657–672 – DOI: 10.3390/textiles2040038
Unger, R.; Kalthoff, M.; Müller-Pfefferkorn, R.; Nagel, W. (2022) Managing research data in civil engineering research projects in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 2668–2675.
Dissertation | Doctoral thesis
Matthias Kalthoff:Extruded Thin-walled Textile Reinforced Concrete Components with Flexible Shape [Doktorarbeit | doctoral thesis]. RWTH Aachen, Datum der mündlichen Prüfung | Date of oral examination: 25.05.2023, publiziert | published: 2023, https://publications.rwth-aachen.de/record/960721/files/960721.pdf | DOI: 10.18154/RWTH-2023-06358
Studentische Arbeiten | Student's works
Fromm, N. (2023)Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von multipel getränkten Carbontextilien im Extrusionsprozess [Institutspraktikum | institute's internship] (mit | with B03)
Gümüskaya, B. (2022) Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Herstellung von extrudierten carbonbewehrten aufgelösten Deckenelementen [Masterarbeit | Master's thesis] (mit | with C02)
Hartig, C. (2021) Experimentelle Analyse der Aushärtung und Verbundeigenschaften vorimprägnierter Carbonfasern in Beton [Masterarbeit | Master's thesis] (mit | with B02)
Lube, A. (2023) Experimentelle Untersuchungen zur Vorspannung von extrudierten Carbonbetonbauteilen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Marbach, J. M. (2023) Gezielte CO2-Beaufschlagung von extrudierten Bauteilen [Institutspraktikum | institute's internship]
Marbach, J. M. (2023) Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von multipel getränkten Carbontextilien im Extrusionsprozess [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis] (mit | with B03)
Müllerschön, P. (2022) Untersuchung zur Aushärtung von Tränkungen vorimprägnierter Carbonfasern im Beton für den Extrusionsprozess [Masterarbeit | Master's thesis] (mit | with B02)
Nguyen, T. L. (2022) Anforderungen an Geometrie und Formgebung bei Textilbetonelementen [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis] (mit | with B02)
Sabusch, C. (2023)Experimentelle Untersuchungen zur Entlüftung und Verdichtung von Betonen im Extrusionsprozess [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]
Beckers, J. (2024) Extruded carbon-reinforced concrete elements as concrete shear connectors for the production of dissolved sandwich elements [Masterarbeit | Master's thesis]
Weiss, G. (2024) Selbstheilung von extrudierten, textilbewehrten Carbonbeton durch den Zusatz des Enzyms Carbonanhydrase [Bachelorarbeit | Bachelor's thesis]