Mechanical characterisation of embroidered basalt textiles for stress-compliant reinforcement layout

Abstract

Die Herstellung von Stahl und Zement, den Hauptbestandteilen der meisten Bauteile, trägt einen bedeutenden Teil zu den globalen Kohlenstoffemissionen bei. Die Verwendung alternativer Materialienbietet einen erweiterten Gestaltungsspielraum und ermöglicht effizientere Konstruktionen, diemit einer deutlichen Reduzierung der Umweltauswirkungen einhergehen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die grundlegenden Materialeigenschaften gestickter Basaltfaserbewehrung zu untersuchen, dieeine Alternative zur herkömmlichen Stahlbewehrung darstellt. Drei verschiedene Versuchsreihen wurden dazu durchgeführt: einaxiale Zugversuche, Verbundversuche und Verankerungsversuche.Durch die Versuche konnten wichtige Materialeigenschaften identifiziert werden, unter anderem die Zugfestigkeit, Rissabstände, Rissbreiten, Verankerungslänge und die Verbundfestigkeit. Besonders hervorzuheben ist die Zugfestigkeit der Basaltfasergarne, die zwischen 1650 und 1750MPa lag,was mehr als dreimal so hoch ist wie die Streckgrenze von herkömmlicher Betonstahlbewehrung (ungefähr 550MPa). In weiterer Folge wurden die untersuchten gestickten Basaltfasern in einem Einfeldträger als Bewehrung entlang der Hauptspannungsfasern eingesetzt. Die optimierte Konstruktion wurde einem Drei-Punkt-Biegeversuch unterzogen. Der Träger zeigte eine Performance,die bis zu zehnmal höher war als die eines Gewinnträgers aus einem Konstruktionswettbewerb mit denselben Randbedingungen (Geometrie etc.). Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll das Potential gestickter Basaltbewehrung als Alternative zur herkömmlichen Betonstahlbewehrung,da sie eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit bei gleichzeitig reduzierter Materialmasse bietet.

The production of steel and cement, the primary components of most construction materials,accounts for a significant portion of global carbon emissions. The use of alternative materials provides expanded design possibilities and allows for more efficient constructions, resulting in a substantial reduction in environmental impact. This thesis aims to investigate the fundamental material properties of tailored basalt fibers, which offer an alternative to conventional steelreinforcement. Three different sets of experiments were conducted: uniaxial tensile tests,anchorage length tests and bonding tests. These experiments identified key material properties,including ultimate tensile strength, crack spacing, crack width, anchorage length, and bond performance. Of particular note is the tensile strength of basalt fiber yarns, which ranged between 1650 and 1750MPa, more than three times higher than the yield strength of conventional steelreinforcement (approximately 550MPa). Subsequently, the examined embroidered basalt fibreswere utilised as trajectory reinforcement along the principal stress direction in a single-span beam.The optimised construction underwent a three-point bending test, exhibiting a performance upto ten times higher than that of a winning beam from a construction competition under the same conditions (geometry, etc.). These results compellingly demonstrate the potential of embroidered basalt fibre reinforcement as an alternative to conventional steel reinforcement, offering greater mechanical strength with reduced material mass.