Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten ZELUBA®

Forschungsschwerpunkt

Hybride Werkstoffsysteme

Wie kann man möglichst ressourcensparend, kostengünstig und ästhetisch ansprechend bauen? Hybride Werkstoffsysteme vereinen die Vorzüge verschiedener Baumaterialien. So lassen sich leistungsstarke Bauelemente mit hervorragenden mechanischen und bauphysikalischen Eigenschaften unter minimalem Material- und Energieeinsatz herstellen. Wir entwickeln hybride Werkstoffsysteme mit einem hohen Anteil nachwachsender und recycelter Rohstoffe. Insbesondere mehrgeschossige Gebäude könnten dadurch künftig nachhaltiger hergestellt werden. Durch die schlanken Aufbauten erweitern sich gleichzeitig die architektonischen Gestaltungsspielräume.

Faserverbundkunststoff

Das Foto zeigt einen ungefähr halbkreisförmigen Körper im Wasser. Die Oberfläche hat eine bräunliche Gewebestruktur.
© Fraunhofer WKI
Die Einsatzmöglichkeiten von Faserverbundkunststoffen (FVK) sind sehr vielfältig. Beispiel hier (Bildmontage): Prototyp für einen leichten Schwimmkörper mit einer wasserfesten FVK-Hülle aus Flachsfasern und biobasiertem Polymer. Der Kern besteht aus recyceltem Balsaholz, das aus ausgedienten Windkraft-Rotorblättern stammt.

Faserverbundkunststoff (FVK) ist ein Verbundwerkstoff, der aus einer Polymermatrix und verstärkenden Fasern besteht. Aufgrund seiner hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignet er sich für vielfältige Anwendungen in der Bauindustrie, etwa als verstärkende Komponente in Holzbaukonstruktionen oder als Außenhülle für leichte Sandwich-Elemente. Wir entwickeln Faserverbundkunststoffe mit anwendungsspezifischen Eigenschaften.

Je nach Einsatzzweck verwenden wir duroplastische Polymere (z. B. Epoxid und Polyester) oder thermoplastische Polymere (z. B. Polyethylen, Polypropylen). Sowohl bei den Polymeren als auch bei den Verstärkungsfasern liegt unser Fokus auf nachwachsenden Rohstoffen. Wir entwickeln Faserverbundkunststoffe mit biobasierten Polymeren und ersetzen Glas- und Carbonfasern durch pflanzliche und mineralische Fasern, etwa aus Flachs oder Basalt. Außerdem erforschen wir hybride Lösungen, bei denen beispielsweise zwei oder mehr Fasertypen kombiniert werden, um ein ausgewogenes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften, Kosten und Umweltverträglichkeit für den spezifischen Anwendungsfall zu erreichen.

Darüber hinaus verfolgen wir weitere Ansätze, um die Leistungsfähigkeit von Faserverbundkunststoffen gezielt zu verbessern. Dazu gehört unter anderem die Modifikation der Polymermatrix durch Additive. Wir mischen verschiedene Arten von Nanopartikeln  ein und testen die Eigenschaften der daraus hergestellten Faserverbundkunststoffe. 

Holz-Faserverbundkunststoff-Systeme

Foto zeigt die Schnittkante einer Holzplatte, deren Unterseite vollflächig mit einem graubraunen Material beklebt ist.
© Fraunhofer WKI
Durch die Kombination aus Holz (hier: ca. 8 cm starkes Brettsperrholz aus Fichte) und Faserverbundkunststoff (ca. 5 mm starke Schicht auf der Unterseite) entstehen schlanke, leistungsstarke Bauteile.

Holz hat eine hohe Festigkeit im Verhältnis zu seinem Gewicht und bietet zudem eine hohe Anpassungs- und Verarbeitbarkeit. Allerdings sind die Zug- und Druckfestigkeiten von Holz sehr variabel, wodurch es sich in tragenden Konstruktionen bisher nur eingeschränkt verwenden lässt. Durch die Kombination mit Faserverbundkunststoff lässt sich dieser Nachteil ausgleichen. Wir entwickeln passende Faserverbundkunststoffe und Herstellungsverfahren für Holz-Faserverbundkunststoff-Systeme (Holz-FVK-Systeme).

Ein Forschungsansatz besteht darin, mehrere Lagen von Polymermatrix und Verstärkungsgewebe als Zugkomponente in eine Holzkonstruktion einzubringen. Hierfür testen wir verschiedene Herstellungsmethoden. Per Vakuuminfusion lässt sich eine hohe Qualität und Reproduzierbarkeit erzielen. Das Hand-Lay-Up-Verfahren ermöglicht in-situ-Anwendungen. Somit kann Faserverbundkunststoff sogar zur Verstärkung bestehender Holzkonstruktionen eingesetzt werden, sofern die Holzbauteile zugänglich sind. 

Holz-Beton-Verbundsysteme

Die Nahaufnahme zeigt ein Bauteil, das aus drei Schichten besteht (von unten nach oben): Brettsperrholz (80 mm), dünne Klebschicht, Beton (50 mm). Das Brettsperrholz hat einen Riss, der sich von der Unterseite des Balkens nach oben zieht.
© Fraunhofer WKI
Diverse mechanische Tests unter Berücksichtigung von Umweltbedingungen geben Aufschluss über die Belastungsgrenzen und das Langzeitverhalten von HBV-Systemen; hier: epoxidharzverleimtes HBV-Bauteil im Biegetest.

Wir erforschen Holz-Beton-Verbundsysteme (HBV-Systeme) als eine Alternative zu Stahlbeton. Sie eignen sich insbesondere für den Einsatz unter Biegebeanspruchung, in welchem hohe Zugspannungen an der Unterseite des Verbundsystems auftreten, etwa bei Unterzügen oder Deckenplatten. Anstelle von Stahl wird Holz eingesetzt, um die im Verbund auftretenden Zugkräfte aufzunehmen.

Beispielsweise entwickeln wir Deckenplatten, bei denen zunächst eine Balkenkonstruktion mit einer Decklage aus Holzwerkstoffplatten installiert wird. Die Decklage ist fester Bestandteil der Konstruktion und dient gleichzeitig als Schalung und mögliche Stützung der Decke. Sie wird mit einem Kleber bestrichen und anschließend mit Frischbeton ausgegossen. Die Betonschicht sorgt für eine hohe Festigkeit in der Druckzone, während das Holz Zugkräfte aufnimmt. Im Verbund ergibt sich somit eine hohe Biegefestigkeit. Im Vergleich zu Stahlbetondecken werden große Anteile an Zugbewehrung und Beton eingespart. Außerdem erleichtern HBV-Systeme die Verarbeitung auf der Baustelle, denn im Gegensatz zur konventionellen Bauweise wird die Schalung nach Aushärtung des Betons nicht entfernt.

Zementäre Systeme

Das Foto zeigt ein Textilgewebe mit grober Webstruktur, dass zwischen zwei Lagen Beton mit sehr feiner Körnung eingebettet ist.
© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau
Textilbetone, hier mit einer Verstärkung aus Naturfasergewebe, sind sehr tragfähig und bruchfest.

(Stahl-)Beton ist ein bewährter Baustoff, der jedoch ökologische und wirtschaftliche Nachteile hat. Bei der Zementherstellung werden durch chemische Prozesse große Mengen CO2 freigesetzt. Auch das Gewicht und die langen Transportwege wirken sich negativ auf die CO2-Bilanz aus. Zudem werden die Rohstoffe, insbesondere Kies und Sand, durch den globalen Bauboom immer knapper und dadurch teurer. Deswegen entwickeln wir zementäre Verbundwerkstoffe (neuartige Betone), die mit weniger Material auskommen und setzen alternative Rohstoffe ein.

Herkömmlicher Beton besteht aus Zementstein (Matrix) und Zuschlägen (Gesteinskörnung). Ein Forschungsansatz besteht darin, synthetische und natürliche Fasern und -gewebe als Verstärkung der Matrix einzusetzen, um deren Tragfähigkeit und Duktilität zu erhöhen. Mit solchen Textilbetonen lassen sich Zement und Stahl einsparen. Darüber hinaus erforschen wir, wie sich die einzelnen Betonbestandteile, vom Zement über die Zuschläge bis hin zu Bindemitteln und Additiven durch nachwachsende und rezyklierte Rohstoffen ersetzen lassen. Zu den Neuentwicklungen zählen beispielsweise leichte Bio-Betone mit einer Matrix auf Basis von Reisschalenasche anstatt Portlandzement und Zuschlägen aus Altholz-Hackschnitzeln.

Kombination von hybriden Werkstoffsystemen

Im Sinne einer ökologisch und ökonomisch effizienten Lösung erforschen wir auch, wie sich die neuen hybriden Werkstoffsysteme sinnvoll miteinander sowie mit anderen Baustofftypen kombinieren lassen. So entstehen unter anderem Bio-Betone mit Naturfaserverstärkung sowie Mauersteinblöcke aus Recyclingbeton mit integrierter Dämmung aus Strohplatten.