DE102024108005A1

DE102024108005A1 - Carbon-Bewehrungsstab zur Herstellung von bewehrtem Beton

Info

Publication number: DE102024108005A1
Application number: DE102024108005.1A
Authority: DE
Inventors: Marcel Zeisberg
Original assignee: Zeisberg Carbon GmbH
Current assignee: Zeisberg Carbon GmbH
Priority date: 2024-03-20
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2025-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Carbon-Bewehrungsstab (10) zur Herstellung von bewehrtem Beton (24), mit einem ersten Volumenabschnitt (V1) in Form eines Kerns, der Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (12) enthält, und zumindest einem zweiten Volumenabschnitt (V2) in Form einer Hülle (H), der den ersten Volumenabschnitt (V1) in radialer Richtung umgibt und Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (14) enthält, wobei die Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts (V) zumindest überwiegend Endlosfaserstränge sind, wobei die Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts (V) zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Carbon-Bewehrungsstab zum Herstellen von bewehrtem Beton, mit (a) einem ersten Volumenabschnitt in Form eines Kerns, der Erstvolumenabschnitt-Kohlenstofffasern enthält, und (b) zumindest einem zweiten Volumenabschnitt in Form einer Hülle, der den ersten Volumenabschnitt in radialer Richtung umgibt und einem zweiten Volumenabschnitt-Kohlenstofffasern enthält. Vorzugsweise sind (c) die Volumenabschnitt-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts zumindest überwiegend, in Gewichtsprozent, Endlosfaserstränge.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Carbon-Bewehrungsstabs, mit den Schritten

(i) Herstellen eines Kern-Roh-Strangkörpers durch Pultrusion aus Kern-Kohlenstofffasern und einem Matrixmaterial,
(ii) Umgeben des Kern-Rohstrangkörpers mit einem Hüll-Roh-Strangkörpers durch Pultrusion oder Pullwinding, sodass ein Roh-Strangkörper entsteht,
(iii) zumindest teilweises Härten des Roh-Strangkörpers, insbesondere durch Wärme, und
(iv) Erstellen, insbesondere durch Einformen oder Aufbringen, einer Strukturierung in den zumindest teilweise ausgehärteten Roh-Strangkörper.

Derartige Carbon-Bewehrungsstäbe werden anstelle von Baustahlstäben zur Bewehrung von Beton eingesetzt und haben den Vorteil, dass sie anders als Baustahlstäbe korrosionsbeständig sind. Die Mindestbetondeckung für einen Carbon-Bewehrungsstab, die die Dicke angibt, mit der der Carbon-Bewehrungsstab mit Beton bedeckt sein muss, um ein langfristig stabiles Betonbauteil zu erhalten, ist deutlich kleiner als die Mindestbetondeckung für Baustahlstäbe.
Nachteilig an Carbon-Bewehrungsstäben ist deren aufwendige Herstellung (Carbonneufasersynthese), die in einem hohen Preis resultiert. Carbon-Bewehrungsstäbe konnten sich daher bislang nur in Spezialanwendungen durchsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab, bei dem die Volumenabschnitt-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Verfahren durch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem zur Herstellung des Kern-Rohstrangkörpers Kern-Kohlenstofffasern in Form von Endlosfasersträngen verwendet werden und zur Herstellung des Hüll-Roh-Strangkörpers Hüllen-Kohlenstofffasern verwendet werden, die zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern sind. Alternativ werden zur Herstellung des Kern-Rohstrangkörpers Kern-Kohlenstofffasern verwendet, die zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern sind und zur Herstellung des Hüll-Roh-Strangkörpers Hüllen-Kohlenstofffasern in Form von Endlosfasersträngen verwendet werden.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Carbon-Bewehrungsstab günstiger hergestellt werden kann. Der Grund dafür ist, dass recycelte Kohlenstofffasern in absehbarer Zukunft in großer Menge verfügbar werden, da kohlenstofffaserverstärkte Bauteile wie beispielsweise Windenergieanlagenflügel entsorgt werden müssen. Der erfindungsgemäße Carbon-Bewehrungsstab ermöglicht so eine sinnvolle Wiederverwertung von recycelten Kohlenstofffasern.
Dadurch, dass der erfindungsgemäße Carbon-Bewehrungsstab einfacher und damit kostengünstiger herstellbar ist und zudem ein Entsorgungsproblem löst, können auch Carbonbetonbauteile kostengünstiger hergestellt werden. Das erlaubt eine Reduzierung an benötigtem Beton und damit Zement, was wiederum zu einer Verminderung des CO2-Fußabdrucks des Betonbauteils gegenüber dem gleichen Betonbauteil, das unter Verwendung von Baustahlstäben bewehrt wurde, führt.
Es wäre möglich, den Carbon-Bewehrungsstab vollständig aus recycelten Kohlenstofffasern herzustellen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Carbon-Bewehrungsstab so nur mit deutlich geringerer Festigkeit herstellbar ist. Der Grund dafür ist, dass die Ausrichtung der recycelten Kohlenstofffasern entlang der Bewehrungsstablängsachse nicht so hoch ausgeprägt ist, wie das bei Neufasersträngen der Fall ist. Es resultieren ein geringerer Faservolumengehalt, eine geringere Steifigkeit und Festigkeit. Weiterhin können beim Herstellen im Pultrusions- oder Pullwindingverfahren beträchtliche Zugkräfte auftreten. Durch die Verwendung von Endlosfasersträngen in zumindest einem Volumenabschnitt können diese Zugkräfte beim Produktionsprozess von den Endlosfasern aufgenommen werden, sodass die recycelten Kohlenstofffasern, die in der Regel keine Endlosfaserstränge sind, prozesssicher verarbeitet werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Carbon-Bewehrungsstab ein Bauteil verstanden, das zur Herstellung von bewehrtem Beton nicht nur geeignet, sondern auch ausgebildet ist. Der Carbon-Bewehrungsstab hat vorzugsweise eine Bruchkraft von zumindest 3 Kilonewton, insbesondere zumindest 10 Kilonewton. Unter dieser Bruchkraft ist diejenige Kraft gemeint, die auf den Carbon-Bewehrungsstab aufgebracht werden kann, bevor dieser sich um mehr als 3% längt oder reißt.
Der Carbon-Bewehrungsstab hat vorzugsweise einen Zugelastizitätsmodul von zumindest 15 Gigapascal, insbesondere zumindest 50 Gigapascal.
Vorzugsweise beträgt die Zugfestigkeit zumindest 100 Megapascal, insbesondere zumindest 700 Megapascal, insbesondere zumindest 800 Megapascal. Vorzugsweise beträgt die Zugfestigkeit höchstens 2400 Megapascal, insbesondere höchstens 2300 Megapascal. Diese Zugfestigkeit bezieht sich auf den Quotienten aus derjenigen Kraft, die auf den Carbon-Bewehrungsstab gebracht werden kann, bevor er reißt, als Zähler und der über 10 cm der Längserstreckung gemittelten Querschnittsfläche ohne Profilierung.
Unter dem Kern wird ein Raumbereich verstanden, der für jeden Querschnitt den Massenschwerpunkt enthält und aus dem gleichen Material aufgebaut ist. Günstig, wenngleich nicht notwendig, ist, wenn der Kern prismatisch ist. Vorzugsweise ist der Querschnitt des Kerns zumindest im Wesentlichen ellipsoid, insbesondere zunächst im Wesentlichen kreisförmig. Unter dem Merkmal, dass der Querschnitt des Kerns zumindest im Wesentlichen ellipsoid ist, wird insbesondere verstanden, dass Abweichungen zu im mathematischen Sinne idealen Ellipsen möglich und unvermeidlich sind. Vorzugsweise beträgt die maximale Abweichung zur Ellipsenform und/oder zur Kreisform höchstens 10%, insbesondere höchstens 5%, das heißt, dass jeder Punkt auf dem Querschnitt ein Abstand zu einer Ausgleichs-Ellipse durch den Rand des Querschnitts hat, der maximal 20%, insbesondere maximal 15%, insbesondere maximal 10%, insbesondere höchstens 5%, des Abstands dieses Punkts vom Schwerpunkt des Querschnitts entspricht. Es sind aber auch andere Querschnitte möglich, beispielsweise kann der Querschnitt streifenförmig sein.
Unter einem Endlosfaserstrang wird insbesondere ein Faserstrang verstanden, dessen Länge zumindest 2 m, insbesondere zumindest 10 m, beträgt. Die Endlosfaserstränge könnten auch als Endlosneufaserstränge oder Rovings bezeichnet werden.
Unter recycelten Kohlenstofffasern werden insbesondere Kohlenstofffasern verstanden, die aus einem anderen Bauteil entfernt wurden oder als Produktionsneufaserverschnitt angefallen sind. Im Falle eines anderen Bauteils kann dieses beispielsweise defekt oder am Ende seiner Lebensdauer sein. Es ist aber auch möglich, dass das andere Bauteil Produktionsausschuss ist oder aus anderen Gründen ein Neuteil oder ein gebrauchtes Bauteil ist, das noch nicht am Lebensdauerende war.
Unter dem Merkmal, dass die Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern sind, wird insbesondere verstanden, dass zumindest 50 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 60 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zumindest 70 Gewichtsprozent, insbesondere bevorzugt zumindest 80 Gewichtsprozent insbesondere zumindest 90 Gewichtsprozent der Kohlenstofffasern recycelte Kohlenstofffasern sind.
Vorzugsweise beträgt der Faservolumengehalt an recycelten Kohlenstoffasern im Volumenabschnitt, der zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern enthält, zumindest 15%, insbesondere zumindest 25%, insbesondere zumindest 35%.
Die recycelten Kohlenstofffasern liegen vorzugsweise als Stapelfasergarn vor. Endlosfaserstränge können bislang nicht durch Recycling gewonnen werden, wobei dies durch das Herauslösen aus beispielsweise Zug- und Druckgurten von Windenergieanlagenflügeln möglich wäre.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, recycelte Kohlenstofffasern. Vorzugsweise sind dann die Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest überwiegend Endlosneufaserstränge. Bei der Herstellung des Carbon-Bewehrungsstabs umgeben so die Endlosneufaserstränge den Kern, in dem die Kohlenstofffasern überwiegend recycelte Kohlenstofffasern sind, und bieten dem Kern somit bei der Produktion eine Stützstruktur.
Gemäß einer Ausführungsform hat der Carbon-Bewehrungsstab einen dritten Volumenabschnitt, der in radialer Richtung zwischen Kern und Hülle angeordnet ist und Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern enthält. Gemäß einer Alternative sind die Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern überwiegend recycelte Kohlenstofffasern und die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern und die Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest überwiegend Endlosneufaserstränge. Auf diese Weise ergibt sich ein Carbon-Bewehrungsstab mit einer hohen spezifischen Zugfestigkeit. Alternativ sind die Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern überwiegend Endlosneufaserstränge und die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern und die Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern. Auf diese Weise kann der Anteil an recycelten Kohlenstofffasern besonders hoch gewählt werden, ohne dass sich signifikante Einschränkungen bei der Produktion des Carbon-Bewehrungsstabs ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Recyclinganteil an recycelten Kohlenstofffasern in Gewichtsprozent an der gesamten Masse an Kohlenstofffasern des Carbon-Bewehrungsstabs zumindest 10%, bevorzugt zumindest 20%, besonders bevorzugt zumindest 30%, insbesondere bevorzugt zumindest 40%, insbesondere zumindest 50%, insbesondere zumindest 60%, insbesondere zumindest 70%, insbesondere zumindest 80%. Vorzugsweise beträgt der Recyclinganteil höchstens 90%, insbesondere höchstens 80%, besonders bevorzugt höchstens 55%.
Der Carbon-Bewehrungsstab hat vorzugsweise auf seiner Außenseite eine Strukturierung. Diese Strukturierung hat vorzugsweise eine Strukturierungstiefe von zumindest 0,5 mm, insbesondere zumindest 0,6 mm. Die Strukturierungstiefe ist der Abstand zwischen der konvexen Hülle des Carbon-Bewehrungsstabs und dem Ausgleichskörper, insbesondere dem Ausgleichszylinder, durch die Oberfläche des Carbon-Bewehrungsstabs ohne Strukturierung. Die Strukturierung ist in die Außenseite des Carbon-Bewehrungsstabs eingebracht, das heißt, dass sie stoffschlüssig, insbesondere einstückig, mit dem Rest des Carbon-Bewehrungsstabs verbunden ist.
Günstig ist es, wenn die Strukturierung keine dominante Helikalstruktur hat. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Strukturierung so gewählt ist, dass beim Einbetten des Carbon-Bewehrungsstabs in Beton, sodass ein Carbonbetonbauteil entsteht, und beim Ausüben einer Zugkraft auf das Carbonbetonbauteil an den Punkten, an denen der Beton Kontakt mit dem Carbon-Bewehrungsstab hat, eine lokale Kraft auf den Carbon-Bewehrungsstab wirkt, wobei über zumindest 20%, insbesondere 30%, der Länge des Carbon-Bewehrungsstabs die Summe aller lokalen Kräfte um den Umfang des Carbon-Bewehrungsstabs im Wesentlichen kein Torsionsmoment auf den Carbon-Bewehrungsstab bewirken. Unter dem Merkmal, dass im Wesentlichen kein Torsionsmoment auf den Carbon-Bewehrungsstab bewirkt wird, wird insbesondere verstanden, dass das Torsionsmoment in einem Beispiel höchstens 30 Newtonmeter pro 10cm Stablänge bei 8mm Radius bei einer axialen Belastung von 100 Kilonewton beträgt. Der Radius entspricht dabei dem Stabnennradius, also dem Radius des Bewehrungsstabes ohne die Profilierung. Dabei ist das Drehmoment das Moment um die Stablängsachse, welches entsteht, wenn an einem in Beton eingebetteten Stab gezogen werden würde. Mit anderen Worten entspricht dies einem Auszugversuch an einem 10cm in Beton eingebetteten Bewehrungsstab. Insbesondere entsteht in diesem Fall an der Oberfläche des Carbon-Bewehrungsstabs in dem axialen Abschnitt eine Gesamt-Torsionskraft, die tangential zur Oberfläche wirkt, die höchstens 4% der Zugkraft beträgt die auf den Carbon-Bewehrungsstab in axialer Richtung wirkt.
Es ist möglich, dass die Strukturierung in den Carbon-Bewehrungsstab eingefräst ist. Besonders günstig ist es, wenn die Strukturierung eingeprägt ist, also durch Umformen von Material im Randbereich des Carbon-Bewehrungsstabs. In anderen Worten kann die Strukturierung eine Prägung sein.
Gemäß einer Ausführungsform besitzt die Strukturierung zwei gegengängige Helikalstrukturen. In anderen Worten besitzt die Strukturierung eine erste helikale Teil-Struktur, die rechtsgängig ist, und eine zweite helikale Teil-Struktur, die linksgängig ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besitzt die Strukturierung eine Helikalstruktur. Beispielsweise besitzt der Carbon-Bewehrungsstab ein Umwindegarn, das die Helikalstruktur bildet.
Die Helikalstrukturen können beispielsweise durch helikal um den Grundkörper des Carbon-Bewehrungsstabs herumgewundene Garne, insbesondere aus Endlosfasersträngen, insbesondere Endlosneufasersträngen, aufgebaut sein. Die herumgewundenen Garne können auch aus recycelten Fasersträngen, insbesondere Stapelfasergarnen, bestehen. Sie können auch aus Garnen bestehen, die sowohl Endlosneufaserstränge als auch recycelte Faserstränge, insbesondere Stapelfasergarne, enthalten.
Alternativ kann die Strukturierung durch Umwickeln mit Garn aus Kohlenstofffasern oder durch eine rotierende Pultrusionsmatrize hergestellt sein.
Gemäß einer Ausführungsform hat die Strukturierung eine Rotationssymmetrie um die Längsachse des Carbon-Bewehrungsstabs. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise durch Prägen eingebracht sein, beispielsweise mittels Prägewalzen oder Prägeformen. Vorzugsweise wird diese Strukturierung außerhalb der Pultrusionsmatrize eingebracht, wenn der Carbon-Bewehrungsstab durch Pultrusion hergestellt wird.
Günstig ist es, wenn die Kohlenstofffasern im Kern zumindest überwiegend Endlosfaserstränge sind.
Vorzugsweise sind die recycelten Kohlenstofffasern aus Windenergieanlagenflügeln wiedergewonnen worden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt des Recyclens von Windenergieanlagenflügeln, Flugzeugbauteilen, Automobilbauteilen, Carbonbetonbewehrungen oder Produktionsneufaserverschnitt, sodass recycelte Kohlenstofffasern erhalten werden.
Der Kern des Carbon-Bewehrungsstabs besitzt vorzugsweise eine Matrix, in der die Kern-Kohlenstofffasern eingebettet sind. Diese Matrix ist aus einem Matrixmaterial aufgebaut. Das Matrixmaterial ist vorzugsweise Epoxidharz, ein Polyurethanharz, ein Acrylharz oder ein Vinylesterharz.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Carbonbetonbauteil, das zumindest einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab aufweist, der von Beton umgeben ist, insbesondere in Beton eingebettet ist.
Das Umgeben des Kern-Rohstrangkörpers mit einem Hüll-Roh-Strangkörpers durch Pultrusion oder Pullwinding, sodass ein Roh-Strangkörper entsteht, kann ein Co-Pultrudieren oder ein sukzessives Pultrudieren sein. Nach dem Herstellen der Strukturierung gemäß Schritt (iv) umfasst das Verfahren vorzugsweise den Schritt des Aushärtens bzw. Temperns des strukturierten Roh-Strangkörpers.
Günstig ist es, wenn das Verfahren die Schritte eines Aufrauens einer Oberfläche des Kern-Roh-Strangkörpers und des Pultrudieren des Hüll-Roh-Strangkörpers um den aufgerauten Kern-Roh-Strangkörper herum umfasst. Auf diese Weise werden der Kern und die Hülle gut miteinander verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Kern-Rohstrangkörper mit einer Abreißgewebehülle pultrudiert und das Verfahren umfasst den Schritt des Aufrauens des Hüll-Roh-Strangkörpers durch Abreißen der Abreißgewebehülle. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufrauen spanend erfolgen. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Aufrauen chemisch. Dazu wird beispielsweise ein Oxidationsmittel, beispielsweise Wasserstoffperoxid, oder ein Lösungsmittel für das Matrixmaterial, beispielsweise Aceton, eingesetzt.
Vorzugsweise werden als Hüllen-Kohlenstofffasern Kohlenstofffasern verwendet, die durch Recycling von Windenergieanlagenflügeln, Flugzeugbauteilen, Automobilbauteilen und/oder Carbonbetonbewehrungen gewonnen wurden oder Produktionsneufaserverschnitte sind.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Zerkleinerns eines Windenergieanlagenflügels und/oder eines Flugzeugbauteils und/oder eines Automobilbauteils und/oder einer Carbonbetonbewehrung, der Kohlenstofffasern in einer Matrix enthält, des, insbesondere thermischen oder solvolytisches, Lösen von Kohlenstofffasern aus der Matrix und des Verwendens der so erhaltenen Kohlenstofffasern zur Herstellung des Carbon-Bewehrungsstabs. Alternativ können Produktionsneufaserabschnitte genutzt werden, also solche Fasern, die noch nicht in ein Matrixmaterial eingebettet gewesen waren. Den so gewonnenen Kohlenstofffasern können andere Fasermaterialien, wie beispielsweise thermoplastische Fasern, zur Prozessstabilisierung, beigemischt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

1a einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer ersten Ausführungsform,
1b einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer zweiten Ausführungsform,
1c einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer dritten Ausführungsform,
2a einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab,
2b einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer weiteren Ausführungsform,
2c einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer weiteren Ausführungsform,
2d einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab gemäß einer weiteren Ausführungsform und
3 eine Anlage zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstabs.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab 10, der einen ersten Volumenabschnitt V1 in Form eines Kerns K und einen zweiten Volumenabschnitt V2 in Form einer Hülle H aufweist. Der Kern K hat einen kreisförmigen Querschnitt, die Hülle H hat einen kreisringförmigen Querschnitt. Im ersten Volumenabschnitt V1 besteht der Carbon-Bewehrungsstab 10 aus einer Matrix, beispielsweise aus Epoxidharz, in die eine Vielzahl an Erstvolumenabschnitt-Kohlenstofffasern 12.i (i = 1, 2, ...) in Form von Endlosfasersträngen eingebettet ist. Diese Endlosfaserstränge sind Endlosneufaserstränge, also nicht durch Recycling hergestellt. Es ist möglich, dass im Kern auch recycelte Kohlenstofffasern enthalten sind, das ist aber nicht notwendig.
Beispielsweise sind die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern zu Garnen zusammengefasst. Beispielsweise werden 3K-, 12K-, 24K- oder 50K-Rovings (Endlosfaserstränge) verwendet. Ein 50K-Roving ist ein Garn mit 50000 Einzelfilamenten. Ein einzelnes Filament besitzt einen Durchmesser zwischen 5 µm und 10 µm sowie eine Dichte von 1800 ± 100 kg/m³. Eine Zugfestigkeit in Längsrichtung beträgt zwischen 3400 N/mm² und 7500 N/mm². Das Elastizitätsmodul der Carbonneufaser liegt zwischen 230 GPa (HT-Faser) und bis zu 600 GPa (UHM-Faser).
Eine Querschnittsfläche A_K des Kerns K liegt beispielsweise zwischen 3 mm² und 500 mm². Eine Querschnittsfläche A_H der Hülle H liegt beispielsweise zwischen 5 mm² und 2000 mm².
In der Hülle H enthält der Carbon-Bewehrungsstab ein Matrixmaterial, dass vorzugsweise das gleiche Matrixmaterial wie das des Kerns ist. In die Matrix sind recycelte Kohlenstofffasern 14.j (j = 1, 2, ...) eingebettet. Es ist möglich, dass in der Hülle auch Endlosneufaserstränge enthalten sind, das ist aber nicht notwendig.
Der Carbon-Bewehrungsstab 10 besitzt eine Strukturierung 16, die im vorliegenden Fall durch eine helikal umlaufende Nut 18 gebildet ist. Eine Strukturierungstiefe T beträgt im vorliegenden Fall T = 0,5 ± 0,1 mm.
1b zeigt einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab 10, dessen Strukturierung 16 rotationssymmetrisch ist. In anderen Worten bewirkt eine Drehung des Carbon-Bewehrungsstabs 10 um seine Längsachse L₁₀ um einen Drehwinkel φ, dass die Strukturierung 16 in sich übergeht. Eine Nutenbreite B₁₈ liegt beispielsweise bei B₁₈ = 4±1 mm. Ein Abstand A₁₈ zweier benachbarter Nuten 18 beträgt beispielsweise A₁₈ = 5 ± 2 mm.
1c zeigt einen erfindungsgemäßen Carbon-Bewehrungsstab 10, der zwei gegengängige Helikalstrukturen H1 und H2 aufweist. Die erste Helikalstrukturen H1 ist rechtsgängig, die zweite Helikalstruktur H2 ist linksgängig. Die Helikalstrukturen H1, H2 werden beispielsweise dadurch auf einen Grundkörper 20 des Carbon-Bewehrungsstabs 10 aufgebracht, indem jeweils ein Strukturierungsstrang 22a, 22b aus in eine noch nicht ausgehärtete Matrix eingebetteten Faserbündeln helikal um den zumindest teilweise ausgehärteten Grundkörper 20 gewickelt und danach ausgehärtet wird, sodass sich eine stoffschlüssige Verbindung bildet.
Wird der Carbon-Bewehrungsstab 10 wie schematisch eingezeichnet in Beton 24 eingebettet, sodass ein Betonbauteil 26 entsteht, und wird eine Zugkraft F auf das Betonbauteil 26 ausgeübt, so entstehen an jeder Helikalstruktur H1, H2, also an einem jeden Strukturierungsstrang 22a, 22b, an einem Ort $\vec{r}$ lokale Kräfte $F_{22 a} (\vec{r}),$ $F_{22 a} (\vec{r}) .$ Über den Umfang integriert ergibt sich so ein Torsionsmoment M(x) für jede Position x entlang der Längsachse L₁₀ des Carbon-Bewehrungsstabs 10. Dadurch, dass die beiden Helikalstrukturen H1, H2 gegengängig sind, ergibt sich ein Torsionsmoment von im Wesentlichen M(x) = 0. Das ist vorteilhaft, da bei einer Belastung des Betonbauteils 26 kein Torsionsmoment auf den Bewehrungsstab 10 wirkt, was dessen Lebensdauer erhöht.
2a zeigt einen Querschnitt Q durch den Carbon-Bewehrungsstab 10 gemäß 1a. Der Kern K, in dem die Endlosneufaserstränge angeordnet sind, ist schraffiert gezeichnet, die Hülle H mit den recycelten Kohlenstofffasern und schraffiert.
2b zeigt einen Querschnitt Q durch einen Carbon-Bewehrungsstab 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei dem im Kern recycelte Kohlenstofffasern angeordnet sind. In der Hülle H enthält der Carbon-Bewehrungsstab 10 Endlosneufasern.
2c zeigt einen Querschnitt Q eines Carbon-Bewehrungsstabs 10, der einen dritten Volumenabschnitt V3 aufweist, der in axialer Richtung zwischen dem ersten Volumenabschnitt V1 in Form des Kerns K und dem zweiten Volumenabschnitt V2 in Form der Hülle H ausgebildet ist. In der Ausführungsform gemäß 2c sind im dritten Volumenabschnitt vorhandene Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern 25.q Endlosneufasern. In den beiden anderen Volumenabschnitte V1, V 2 sind überwiegend oder vollständig recycelte Kohlenstofffasern vorhanden.
2d zeigt einen Querschnitt Q eines Carbon-Bewehrungsstabs 10, bei dem lediglich der dritte Volumenabschnitt V3 Recyclingfasern enthält.
3 zeigt eine Bewehrungsstab-Herstellanlage 27, die Gegenstand der Erfindung ist, zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird mittels einer Trennvorrichtung 28 ein kohlenstofffaserhaltiges, zu entsorgendes Bauteil 30, beispielsweise ein Flügel einer Windkraftanlage, zertrennt und, sodass ein Fragment 30' erhalten wird, bspw. ein aus Carbon bestehender Druck- oder Zuggurt eines solchen Flügels. Die so erhaltenen Fragmente 30' werden in einem Separator 32 thermisch und/oder chemisch behandelt, sodass Kohlenstofffasern 34.k aus der sie einbettenden Matrix 36 separiert werden. Diese recycelten Kohlenstofffasern 34 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen alle entsprechenden Objekte) können mittels einer Garnherstellungsanlage 38 zu Garnen, vorzugsweise Stapelfasergarnen, insbesondere bestehend aus 85% Kohlenstofffasern, mindestens jedoch bestehend aus 50% Kohlenstofffasern und aus zu bspw. 50% weiteren Fasern, wie bspw. thermoplastischen Fasern, 40 verarbeitet, dass beispielsweise auf eine Spule 42 aufgewickelt werden kann. Diese Stapelfasergarne können alternativ auch aus Carbonneufaserverschnitt hergestellt worden sein, also aus recycelten Produktionsabfällen bestehen, welche zuvor noch nicht in ein Matrixmaterial eingebettet gewesen sind.
Die recycelten Kohlenstofffasern 34.k auf jeweiligen Spulen 42.m werden in einer Materialbereitstellungseinheit 44 der Bewehrungsstab-Herstellanlage 27 zusammen mit Spulen 44.n, auf denen endlos neue Fasern aufgenommen sind, bereitgestellt. Die Garne werden von den Spulen 42.m, 44.n abgezogen und in einer Imprägnierungseinheit 46 mit einem Harz, beispielsweise Epoxidharz, benetzt.
Die benetzten Garne gelangen in eine Härtungseinheit 48, wo sie zumindest teilweise ausgehärtet werden. Dadurch entstehen gleichzeitig ein Kern-Roh-Strangkörper 50, in dem Garne 52 aus Endlosneufasern in einer Matrix eingebettet ist, und ein Hüll-Roh-Strangkörper 54, in dem Garn 40 in der Matrix eingebettet sind. Die Gesamtheit aus Kern-Roh-Strangkörper 50 und Hüll-Roh-Strangkörper 54 bilden einen Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56.
Der Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 gelangt danach in eine Formgebungseinheit 58, in der die Strukturierung 16 (vergleiche beispielsweise 1b) eingebracht wird. Die Formgebungseinheit 58 besitzt beispielsweise zumindest zwei Prägewalzen 60, die die Strukturierung 16 in den Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 einwalzen.
Darunter ist schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Formgebungseinheit 58 gezeigt, bei der mehrere Prägeformen 62.p in einer Schleife geführt werden, was durch Pfeile P angedeutet ist. Während der Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 sich in Richtung R bewegt wird, bewegen sich die Prägeformen 62.1 bis 62.4 mit gleicher Geschwindigkeit mit dem Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 mit und prägen dabei die Strukturierung 16 ein. Nach Einprägen der Strukturierung 16 werden die in Materialflussrichtung R vorne liegenden Prägeformen, hier die Prägeformen 62.5 und 62.6 vom Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 gelöst, entgegen der Materialflussrichtung R bewegt und bündig an die in Materialflussrichtung R hinten liegende Prägeform, in 3 Prägeformen 62.1 und 62.3, angesetzt. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung zwischen dem Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 einerseits und den Prägeformen, die mit ihm im Kontakt stehen, andererseits vermieden.
Während des Einprägens der Strukturierung 16 wird der Roh-Carbon-Bewehrungsstab 56 auf einer Temperatur gehalten, die so hoch gewählt ist, dass das Harz aushärtet, sodass der Carbon-Bewehrungsstab 10 entsteht.
In Materialflussrichtung R hinter der Formgebungseinheit 58 ist eine Zugeinheit 64 angeordnet, die den Carbon-Bewehrungsstab 10 zieht. In Materialflussrichtung R hinter der zu Einheit 64 ist eine Sägeeinheit 66 angeordnet, die den Carbon-Bewehrungsstab 10 auf die gewünschte Länge ablängt.
Wird die Strukturierung 16 durch eine oder zwei Helikalstrukturen, wie in 1 C gezeigt, gebildet, so weist die Bewehrungsstab-Herstellanlage statt der Formgebungseinheit 58 einen Umwickler auf, der die Strukturierungsstränge 22a und/oder 22b um den Roh-Carbon-Bewehrungsstab herumwickelt und aushärtet.
Wird die Strukturierung 16 zerspanend erzeugt, so weist die Bewehrungsstab-Herstellanlage statt der Formgebungseinheit 58 einen spanabhebenden Prozessschritt auf, so zum Beispiel ein senkrecht zur Stablängsachse stehendes und rotierendes Fräswerkzeug, welches helikal um den Bewehrungsstab geführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Carbon-Bewehrungsstab
12: Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern
14: Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern
16: Strukturierung
18: Nut
20: Grundkörper
22a: Strukturierungsstrang
22b: Strukturierungsstrang
24: Beton
26: Betonbauteil
27: Bewehrungsstab-Herstellanlage
28: Trennvorrichtung
30: Bauteil, Windenergieanlagenflügel
30': Fragment
32: Separator
34: Kohlenstofffasern
36: Matrix
38: Garnherstellungsanlage
40: Garn aus recycelten Kohlenstofffasern
42: Spule für Garn aus recycelten Kohlenstofffasern
44: Spule für Garn aus Endlosneufasern
46: Imprägnierungseinheit
48: Härtungseinheit
50: Kern-Roh-Strangkörper
52: Garn aus Endlosneufasern
54: Hüll-Roh-Strangkörper
56: Roh-Carbon-Bewehrungsstab
58: Formgebungseinheit
60: Prägewalze
62: Prägeformen
64: Zugeinheit
AK: Querschnittsfläche des Kerns
AH: Querschnittsfläche der Hülle
H: Hülle
i: Laufindex, i = 1, 2, 3, ...
j: Laufindex, j = 1, 2, 3, ...
k: Laufindex, k = 1, 2, 3, ...
m: Laufindex, m = 1, 2, 3, ...
n: Laufindex, n = 1, 2, 3, ...
p: Laufindex, p = 1, 2, 3, ...
q: Laufindex, q = 1, 2, 3, ...
K: Kern
L10: Längsachse
M: Torsionsmoment
Q: Querschnitt
R: Materialflussrichtung
S: Steigung
T: Strukturierungstiefe
V: Volumenabschnitt
V1: erster Volumenabschnitt
V2: zweiter Volumenabschnitt
V3: dritter Volumenabschnitt

Claims

Carbon-Bewehrungsstab (10) zur Herstellung von bewehrtem Beton (24), mit (a) einem ersten Volumenabschnitt (V1) in Form eines Kerns, der Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (12) enthält, und (b) zumindest einem zweiten Volumenabschnitt (V2) in Form einer Hülle (H), der (i) den ersten Volumenabschnitt (V1) in radialer Richtung umgibt und (ii) Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (14) enthält, (c) wobei die Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts (V) zumindest überwiegend Endlosfaserstränge sind, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern zumindest eines Volumenabschnitts (V) zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) sind.
Carbon-Bewehrungsstab (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Kern (K) einen zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt (Q) hat, (b) die Hülle (H) einen zumindest im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt (Q) hat und (c) die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (12) teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, recycelte Kohlenstofffasern (34) sind und Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (14) zumindest überwiegend Endlosfaserstränge.
Carbon-Bewehrungsstab (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch (a) einen dritten Volumenabschnitt (V3), der (i) in radialer Richtung zwischen Kern (K) und Hülle (H) angeordnet ist und (ii) Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (25) enthält, (e) wobei die Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) und die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (12) und die Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (14) zumindest überwiegend Endlosfaserstränge sind oder die Drittvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (25) überwiegend Endlosfaserstränge und die Erstvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (12) und die Zweitvolumenabschnitts-Kohlenstofffasern (14) zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) sind.
Carbon-Bewehrungsstab (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Hülle (H) eine Strukturierung (16) aufweist, die eine Strukturierungstiefe (T) von zumindest 0,5 mm hat und (b) die Strukturierung (16) keine dominante Helikalstruktur hat und/oder zwei gegengängige Helikalstrukturen (H1, H2) hat.
Carbon-Bewehrungsstab (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Kern-Kohlenstofffasern zumindest überwiegend Endlosfaserstränge sind und/oder (b) die recycelten Hüllen-Kohlenstofffasern aus Windenergieanlagenflügeln (30) und/oder Flugzeugbauteilen und/oder Automobilbauteilen und/oder Carbonbetonbewehrungen wiedergewonnen wurden und/oder Produktionsneufaserverschnitt sind.
Carbon-Bewehrungsstab (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Kern (K) eine Matrix (36) aufweist, in der die Kern-Kohlenstofffasern gebunden sind, und (b) die Matrix (36) aus einem Matrixmaterial, insbesondere Epoxidharz, Vinylesterharze, Acrylharz oder Polyurethanharz besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Carbon-Bewehrungsstabs (10), mit den Schritten (i) Herstellen eines Kern-Roh-Strangkörpers (50) durch Pultrusion aus Kern-Kohlenstofffasern und einem Matrixmaterial, (ii) Umgeben des Kern-Roh-Strangkörpers (50) mit einem Hüll-Roh-Strangkörpers durch Pultrusion oder Pullwinding, sodass ein Roh-Strangkörper entsteht, (iii) zumindest teilweises Härten des Roh-Strangkörper, und (iv) Erstellen einer Strukturierung (16) in den zumindest teilweise ausgehärteten Roh-Strangkörper, dadurch gekennzeichnet, dass (v) zur Herstellung des Kern-Roh-Strangkörpers (50) Kern-Kohlenstofffasern in Form von Endlosfasersträngen verwendet werden und zur Herstellung des Hüll-Roh-Strangkörpers Hüllen-Kohlenstofffasern verwendet werden, die zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) sind oder (vi) zur Herstellung des Kern-Roh-Strangkörpers (50) Kern-Kohlenstofffasern verwendet werden, die zumindest überwiegend recycelte Kohlenstofffasern (34) sind und zur Herstellung des Hüll-Roh-Strangkörpers Hüllen-Kohlenstofffasern in Form von Endlosfasersträngen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgeben des Kern-Roh-Strangkörpers (50) mit einem Hüll-Roh-Strangkörpers durch Pultrusion, sodass ein Roh-Strangkörper entsteht, (a) ein Ko-Pultrudieren ist und/oder (b) die folgenden Schritte umfasst (i) Aufrauen einer Oberfläche des Kern-Roh-Strangkörpers (50) und (ii) Pultrudieren des Hüll-Roh-Strangkörpers um den aufgerauten Kern-Roh-Strangkörper (50).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Kern-Roh-Strangkörper (50) mit einer Abreißgewebehülle pultrudiert wird und das Aufrauen ein Entfernen der Abreißgewebehülle umfasst und/oder (b) das Aufrauen spanend erfolgt und/oder (c) das Aufrauen chemisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Hüllen-Kohlenstofffasern Kohlenstofffasern (34) verwendet werden, die durch Recycling von Windenergieanlagenflügeln, Flugzeugbauteilen, Automobilbauteilen und/oder Carbonbetonbewehrungen gewonnen wurden oder Produktionsneufaserverschnitte sind und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst (i) Zerkleinern eines Windenergieanlagenflügels, eines Flugzeugbauteils, eines Automobilbauteils und/oder einer Carbonbetonbewehrung, die Kohlenstofffasern (34) in einer Matrix (36) enthält, (ii) thermisches oder solvolytisches Lösen von Kohlenstofffasern (34) aus der Matrix (36) und (iii) Verwenden der so erhaltenen Kohlenstofffasern (34) als Volumenabschnitts-Kohlenstofffasern.