Mineral-impregnated carbon fiber composites as novel reinforcement for concrete construction: Material and automation perspectives

Mechtcherine, Viktor; Michel, Albert; Schneider, Kai; Großmann, Christoph

doi:10.1016/j.autcon.2019.103002

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“…Here, ensuring the bond between concrete and reinforcement is a major challenge. A specific increase in the bond can be achieved, for example, by controlling the consistency of the printed concrete, 28 by using an additionally applied bonding mortar between concrete and reinforcement 29 or by using mineral‐bound carbon fiber reinforcements 30,31 . There is also a need for research into the cooperative coordination and combination of the individual combined Additive Manufacturing process steps.…”

Section: Strategies For Combined Additive Manufacturing Of Reinforcedmentioning

confidence: 99%

“…A specific increase in the bond can be achieved, for example, by controlling the consistency of the printed concrete, 28 by using an additionally applied bonding mortar between concrete and reinforcement 29 or by using mineralbound carbon fiber reinforcements. 30,31 There is also a need for For an outer wall geometry previously created in a CAD program, a slightly undulating inner "core geometry" is parametrically generated. This undulating geometry is then vertically segmented so that prebent horizontal reinforcement elements can be inserted at defined points ( Figure 8A).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Reinforcement strategies for 3D‐concrete‐printing

Kloft

Empelmann

Hack

et al. 2020

Civil Engineering Design

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The ingenious bridge, roof, and shell structures of the last century were designed from the understanding of the congenial interaction of the two materials concrete and steel. Nowadays, reinforced concrete is the most widely used material in construction. The use of system formwork and easy-to-install reinforcement support structures that are optimized in terms of labor costs, but often have inefficient use of material. In this context, Stefan Polónyi has repeatedly criticized the engineers' lost understanding of the interaction of concrete and reinforcement. With Additive Manufacturing, an innovative digital manufacturing technology is now available that allows new freedom in concrete design with a resource-efficient use of materials at the same time. With regard to practical application, the integration of reinforcement represents a central challenge in 3D-concrete-printing. The authors see here the future chance of a force-flow controlled reinforcement layout. The paper shows new strategies for the combined Additive Manufacturing of concrete and reinforcement and presents first 3D-printed reinforced concrete elements.

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Section: Strategies For Combined Additive Manufacturing Of Reinforcedmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Reinforcement strategies for 3D‐concrete‐printing

Kloft

Empelmann

Hack

et al. 2020

Civil Engineering Design

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“…The most common impregnation materials are epoxy and styrene-butadiene. Also, new concepts with cementitious impregnation exist [39]. While meshes with styrene-butadiene impregnation maintain a certain flexibility but feature a rather soft bond to the concrete or mortar matrix, an epoxy resin provides a relatively rigid material behaviour which forms a strong bond to the cementitious matrix.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Flexural and Shear Tests on Reinforced Concrete Bridge Deck Slab Segments with a Textile-Reinforced Concrete Strengthening Layer

et al. 2020

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Many older bridges feature capacity deficiencies. This is mainly due to changes in code provisions which came along with stricter design rules and increasing traffic, leading to higher loads on the structure. To address capacity deficiencies of bridges, refined structural analyses with more detailed design approaches can be applied. If bridge assessment does not provide sufficient capacity, strengthening can be a pertinent solution to extend the bridge’s service lifetime. For numerous cases, applying an extra layer of textile-reinforced concrete (TRC) can be a convenient method to achieve the required resistance. Here, carbon fibre-reinforced polymer reinforcement together with a high-performance mortar was used within the scope of developing a strengthening layer for bridge deck slabs, called SMART-DECK. Due to the high tensile strength of the carbon and its resistance to corrosion, a thin layer with high strength and low additional dead load can be realised. While the strengthening effect of TRC for slabs under flexural loading has already been investigated several times, the presented test programme also covered increase in shear capacity, which is the other crucial failure mode to be considered in design. A total of 14 large-scale tests on TRC-strengthened slab segments were tested under static and cyclic loading. The experimental study revealed high increases in capacity for both bending and shear failure.

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“…Textilbewehrung für einen hinreichenden Verbund mit der Betonmatrix und zum Ausnutzen der Zugfestigkeit von Carbonfasern unerlässlich ist [21]. Gegenüber den handelsüblichen kunststoffgetränkten Carbonfaserstrukturen haben mineralisch getränkte Carbonfaserbewehrungen mehrere Vorteile: eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit [23]; einen besseren Verbund mit der Betonmatrix; dadurch weist der Verbundwerkstoff auch eine ausgeprägtere multiple Rissbildung bei Zugbeanspruchung sowie geringe Rissöffnungen auf, was der Dauerhaftigkeit zugute kommt [24]; geringere Materialkosten; höhere Umweltverträglichkeit; höhere Dauerhaftigkeit (zu Langzeiteigenschaften der Polymertränkung im Beton liegen noch keine abgesicherten Erkenntnisse vor); hohe physikalische und chemische Kompatibilität mit umgebendem Beton und die Möglichkeit einer formfreien Ablage [24], auch in sehr schmalen und komplexen Bahnen. …”

Section: Introductionunclassified

“…Durch die Verwendung frisch getränkter, noch nicht ausgehärteter Faserstränge ergeben sich fast unbegrenzte technologische Gestaltungsmöglichkeiten. Dies wurde am Institut für Baustoffe der TU Dresden zunächst durch die Herstellung von ein‐, zwei‐ und dreidimensionalen Bewehrungsstrukturen demonstriert [24], Bild 1. Die ersten Ideen und Implementierungsbeispiele zur Verwendung der neuartigen Bewehrung in die additive Fertigung mit Beton‐3D‐Druck wurden in [19, 25] vorgestellt.…”

Section: Introductionunclassified

3D‐Druck mit Carbonbeton: Technologie und die ersten Untersuchungsergebnisse

Neef

Müller

Mechtcherine

2020

Beton und Stahlbetonbau

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Der 3D‐Druck mit zementgebundenen Materialien erfordert geeignete Lösungen für die Integration der Bewehrung während des Herstellungsprozesses. Im vorliegenden Aufsatz wird eine neue Technologie vorgestellt, die mineralisch imprägnierte Carbonfasergarne (engl: mineral‐impregnated carbon‐fibre, MCF) für diesen Zweck verwendet. Diese neue Art der nicht korrosiven Bewehrung weist hervorragende mechanische Eigenschaften, hohe Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit auf. Entscheidend ist jedoch, dass MCF eine extrem hohe technologische Flexibilität bietet, da sie im frischen Zustand leicht geformt und vollautomatisch verarbeitet werden kann. Der Artikel beschreibt eine neue Düse, die für die Integration der MCF‐Bewehrung direkt in Betonfilamente bei den extrusionsbasierten 3D‐Druck‐Verfahren entwickelt wurde. In jede Betonschicht wurden gleichzeitig drei Carbongarne eingeführt. Die bestehenden Prüfverfahren wurden angepasst, um das Zug‐ und Biegeverhalten von gedrucktem Carbonbeton sowie die Qualität des Verbunds zwischen Bewehrung und Beton zu beurteilen. Die Versuche ergaben eine mechanische Leistung des gedruckten Betons, die mit der von Textilbeton aus Carbonfasern vergleichbar ist. Die präsentierte Forschung hat die Machbarkeit und das sehr hohe Potenzial der neuen Technologie in Bezug auf die Digitalisierung und Automatisierung des Betonbaus nachgewiesen.

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Mineral-impregnated carbon fiber composites as novel reinforcement for concrete construction: Material and automation perspectives

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Reinforcement strategies for 3D‐concrete‐printing

Reinforcement strategies for 3D‐concrete‐printing

Flexural and Shear Tests on Reinforced Concrete Bridge Deck Slab Segments with a Textile-Reinforced Concrete Strengthening Layer

3D‐Druck mit Carbonbeton: Technologie und die ersten Untersuchungsergebnisse

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