Teilprojekt: Entwicklung eines Abstandsgewirkes mit lichtleitenden Eigenschaften im Polfadenbereich
ZIM ZF 4250107HF7
Abstract
High-Distance-Abstandsgewirke mit integriertem Lichtwellenleiter ist ein interessantes Material für Betonfertigteile im Wohnungsbau. Durch die Lichtwellenleiter wird das Tageslicht von außen durch die Betonwände in die Innenräume geleitet, wodurch transluzente Betonfertigteile entstehen. Diese ermöglichen die Beleuchtung von Räumen mit Außenlicht und damit die Einsparung von Energie. Durchscheinende Betonfertigteile können für den Bau von Treppenelementen, Badezimmern, Küchen, Fassaden usw. in Serienbauweise verwendet werden.
Um diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, einen feinkörnigen Hochleistungsbeton und ein innovatives synthetisches dreidimensionales Textil zu entwickeln. Das Abstandsgewirke ist durch die offene Struktur und die einfache Anpassungsfähigkeit bei der Betonherstellung ohne Formationslufteinschlüsse leicht zu handhaben. Die Lichtleiter sollten während des textilen Herstellungsprozesses in das Abstandsgewirke eingebracht werden, was nur bedingt möglich ist.
High-distance knitted spacer fabric with integrated fiber optics is an interesting material for precast concrete elements in residential construction. The fiber optic cable guides the daylight from outside through the concrete walls into the interior. So that translucent precast concrete elements are created. These enable rooms to be illuminated with daylight and light from outside as well as to save energy. Translucent precast concrete elements can be used for the construction of stair elements, bathrooms, kitchens, facades etc. in series construction.
In order to achieve these goals, it is necessary to develop a fine-grained high-performance concrete and an innovative synthetic three-dimensional textile. The knitted spacer fabric is easy to handle due to its open structure and simple adaptability during concrete production without formation air inclusions. The light guides should be introduced during the textile manufacturing process, which is only possible to a limited extent.
Aufgabenstellung
Ziel des Projektes LUCON ist es, transluzente Betonfertigteile für den seriellen Wohnungsbau zu entwickeln, welche sich durch Funktionalität und Design auszeichnen und maschinell sowie kostensparend herzustellen sind. Dafür ist es notwendig einen feinkörnigen Hochleistungssuspensionsbeton zu entwickeln, der in Verbindung mit einem High-Distance-Abstandsgewirke einen hochfesten Verbundwerkstoff ergibt. Durch die Entwicklung eines speziellen High-Distance-Abstandsgewirkes mit integrierten Lichtleitern im Polbereich werden Elemente für die Betonierung vorgefertigt. Textile Elemente sollen eine effiziente Fertigung der Betonbauteile ermöglichen.
Abstandsgewirke sind durch ihre offene Struktur und leicht anpassbare Fadendichte sehr gut für die Verarbeitung im Beton geeignet, ohne dass Probleme wie Lufteinschlüsse o. ä. entstehen.
Lösungsweg
Im ersten Schritt wurden von allen Partnern gemeinsam Anforderungen an die transluzenten Betonfertigteile mit integrierten Lichtwellenleitern definiert. Für den Pol des High-Distance-Abstandsgewirkes wurden PMMA-Lichtwellenleiter mit einem Durchmesser von 0,25 mm ausgewählt. Dazu wurden Abstandsgewirkestrukturen mit unterschiedlich großen Filetöffnungen der beiden Gewirkeflächen konstruiert und gefertigt. Eine besondere Herausforderung stellte die Layout-Entwicklung dar. Der PMMA-Lichtwellenleiter ist nur bis 70 °C temperaturstabil. Der üblicherweise nachgelagerte Veredelungsprozess erfolgt aber bei mindestens 180 °C. Deswegen musste über das Layout die Dimensionsstabilität der Abstandsgewirke bereits in der Rohware ohne Fixierung gewährleistet werden.
Parallel wurde vom IAB Weimar eine Betonrezeptur durch Korngrößenoptimierung von Ultrahochleistungsbetonen (UHPC) entwickelt, die sowohl die geforderten Festigkeitseigenschaften (Biegezugfestigkeit von ≥ 12 N/mm²) aufweist, als auch eine vollständige Durchdringung des Abstandsgewirks (frei von Entmischungen und Lunkern) gewährleistet. Dazu wurde ein spezielles High-Distance-Abstandsgewirke entwickelt. Die hexagonale Filetöffnung mit einer Weite von ca. 1,5 cm × 0,5 cm erfüllte die Anforderungen an Layout und Dimensionsstabilität. Die Polfadendichte beträgt 32/cm². Das Durchdringen des Abstandsgewirks mit Beton wurde über Betonierversuche geprüft. Dazu wurden Schalungen aus beschichtetem Holz für die liegende Herstellung angefertigt. Die Probekörpergrößen betrugen bis 30 cm × 40 cm. In diese wurden zugeschnittene Abstandsgewirkteile zunächst ohne Lichtleiter lose eingelegt. Die Textilien wurden innerhalb kürzester Zeit vom Beton (Größtkorn 0,5 mm) durchdrungen. Anschließend sollte der Polfaden sukzessive durch Lichtleiter ersetzt werden (Abbildung 1).
Bei der Verarbeitung der Lichtleiter entstanden Probleme. Der erste Lichtleiter riss bereits beim manuellen Durchdrehen eines Maschenbildungsvorganges. Im Verlauf der Maschenbildungsvorgänge rissen weitere Lichtleiter ab. Der Grund bestand in den Spannungsunterschieden der geschärten Lichtleiter. Die an der Maschine angebrachten zusätzlichen Fadenführungselemente konnten diese aber nicht kompensieren. Trotz weiterer Maßnahmen, wie z. B. Lockerung der Fadenwippe, Änderung der Bindung und Einsatz weicherer Blattfedern, konnten die auf Teilkettbaum geschärten Lichtleiter nicht verarbeitet werden.
Für den prinzipiellen Funktionstest wurden die Lichtleiter rein manuell in das Abstandsgewirke eingebracht. Nur High-Distance-Abstandsgewirke ohne Lichtwellenleiter im Pol konnten im kleintechnischen Fertigungsverfahren von dem Projektpartner BB Beton und Bauwaren GmbH als Funktionsmuster zufriedenstellend verarbeitet werden.
Ergebnis und Anwendungen
Im Vorhaben LUCON wurden Lichtleiter auf Teilkettbaum geschärt. Durch zu hohe Spannungsdifferenzen konnten diese aber nicht auf einer doppelbarrigen Raschelmaschine verarbeitet werden. Die weichen PMMA-Lichtleiter bringen im Gegensatz zu einem herkömmlichen monofilen Fadenmaterial andere Eigenschaften und Anforderungen mit sich. Im Vergleich zu einem üblichen Polfaden sind diese weichen Lichtleiter stark dehnbar und haben eine geringe Bruchfestigkeit. Ein PMMA-Lichtleiter mit einem Durchmesser von 0,25 mm hat eine Höchstzugfestigkeit von 9,1 cN/tex und eine Höchstzugkraftdehnung von 113 %, währenddessen ein vergleichbares Polyester-Monofil mit dem Durchmesser von 0,25 mm eine Höchstzugfestigkeit von 38 cN/tex und eine Höchstzugkraftdehnung von 38 % aufweist.
Trotz der enormen Festigkeitsunterschiede zu den textilen Polfadenmaterialien ist es gelungen, die Lichtleiter zu schären. Eine weitere Verarbeitung des Teilkettbaumes war aber nicht möglich. Für Funktionstests wurden die Lichtleiter wirktechnisch von Spulen verarbeitet (Abbildung 2) und manuell eingebracht. Die großflächige Integration der Lichtleiter auf der High-Distance-Raschelmaschine hätte eine Verarbeitung der Lichtleiter von Teilkettbaum vorausgesetzt. Dies konnte nicht wie geplant realisiert werden. Transluzente textile Betonfertigteile für die industrielle Fertigung konnten so nicht hergestellt werden. Die Verwertung der gewonnenen Teilergebnisse wird in weitere Forschungsarbeiten und Schulungen einfließen.
Abb. 1: Variationen bei der Einarbeitung der Lichtleiter in den Polfadenbereich 
Abb. 2: High-Distance-Abstandsgewirke mit Polfaden aus Monofil (links und rechts) und einem Lichtleiter als Polfaden (Mitte)
Ansprechpartner
Katrin Liersch
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Forschungsstellen:
FS 1: IAB – Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH
FS 2: BB Beton und Bauwaren GmbH
FS 3: Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e. V.
FS 4: OOO VO-BETON Limited Liability Company, RUS
