- AutorIn
- Mihaela-Monica Popa Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)
- Titel
- Engineering of Core/Shell Bicomponent PP Fibers for Enhanced Ductility in Cement – Based Composites
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-979511
- Übersetzter Titel (DE)
- Entwicklung von Kern/Mantel-Bikomponenten-PP-Fasern zur Verbesserung der Duktilität in zementgebundenen Verbundwerkstoffen
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 21.12.2023
- Datum der Verteidigung
- 09.05.2025
- Abstract (DE)
- Aus struktureller Perspektive ist Sprödigkeit einer der Hauptnachteile von standardmäßigem Betonmaterial. Diese Sprödigkeit ist durch eine begrenzte Fähigkeit zur Energieaufnahme gekennzeichnet und führtunter Last zu einem plötzlichen Versagen. Das Hinzufügen von Fasern in den Beton verbessert die strukturelle Leistung erheblich, indem die Duktilität und die Energieabsorption verbessert werden. Daher verringern faserverstärkte Betone (engl. fiber-reinforced concrete FRC) das Risiko eines plötzlichen Versagens und machen Strukturen widerstandsfähiger. Unter den verschiedenen verwendeten Faserarten werden häufig polymerbasierte Fasern zur Herstellung von FRC, aber auch von hochduktilen Betonen (engl. strain hardenening concrete composites SHCC) eingesetzt. Der Anwendung von Polypropylen (PP)-Fasern, die aufgrund ihres guten Preis-Leistungsverhältnisses, hoher Verfügbarkeite und Recyclingfähigkeit viele Vorteile bieten, stehen jedoch einige Herausforderungen gegenüber. Dazu gehören eine glatte, hydrophobe und inerte Oberfläche, die eine effektive Interaktion mit der Zementmatrix behindert und zu einer geringen Anbindung führt, was letztendlich zu einer verringerten Leistung unter Belastung führt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden die Schmelzspinnanlagen am IPF eingesetzt, um neuartige Bikomponent-PP-Fasern mit einer Kern-Mantel-Struktur und modifizierten Oberflächeneigenschaften zu entwerfen und herzustellen, die eine erhöhte Rauheit aufweisen und eine bessere Verzahnung mit der zementären Matrix fördern. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die mechanischen und überbrückenden Eigenschaften von SHCC zu verbessern, indem eine bessere Lastübertragung und Rissüberbrückungsfähigkeiten ermöglicht werden. Zusätzlich wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Baustoffe der TU Dresden neue Matrizen auf Basis eines Binders aus kalziniertem Ton (LC3) entwickelt, um die Kompatibilität mit PP-Fasern zu verbessern und einen bestimmten Grad an Duktilität zu erreichen. Darüber hinaus reduziert der LC3-Binder den Klinkerfaktor der Betonmatrix und erhöht somit den Grad der Nachhaltigkeit der faserverstärkten, LC3-basierten (engl. fiber-reinforced LC3, FRLC3). Die Ergebnisse dieser Forschung werden auf Mikro- und Makroebene bewertet. Auf der Mikroebene zeigen Pull-out-Tests mit einzelnen Fasern, dass die Zugabe von gefälltem Calciumcarbonat (PCC) und gemahlenem Calciumcarbonat (GCC) als Füllstoffe in der äußeren Schicht des einzelnen Filaments die Oberflächenrauhigkeit der Faser erhöht und die Energieabsorption verbessert. Auf der Makroebene zeigen Verbundtests erhebliche Verbesserungen in der Duktilität und Rissbeständigkeit und validieren die Effektivität der entwickelten Kern-/Mantel-Biomponent PP-Fasern und Matrixmodifikationen zur Herstellung widerstandsfähigerer FRLC3-Systeme.
- Abstract (EN)
- From a structural perspective, brittleness is one of the main disadvantages of standard concrete material. This brittleness is characterized by a limited capacity for energy dissipation and leads to failure at low strains under load. Adding fibers to the concrete matrix significantly enhances structural performance by improving ductility and energy dissipation. Therefore, fiber-reinforced composites (FRC) help mitigate the risk of sudden collapse, making structures more resilient. Among the various types of fibers used, polymeric fibers are commonly employed to produce FRC, but also high ductile concretes as strain-hardening concrete composites. However, the use of polypropylene (PP) fibers, which offer many advantages due to their good price-performance ratio, high availability and recyclability, faces a number of challenges. These include a smooth hydrophobic and inert surface that hinders effective interlocking with the cement matrix and leads to poor bonding, ultimately resulting in reduced performance under stress. To overcome these limitations, the melt-spinning facilities at IPF have been employed to design and produce novel bicomponent PP-fibers with a core-shell structure with modified surface characteristics, enhancing their roughness and promoting better interlocking with the cementitious matrix. This approach aims to improve the overall mechanical and bridging properties of the FRC by facilitating better load transfer and crack-bridging capabilities. Additionally, in collaboration with the Institute of Construction Materials, TU Dresden, new matrices based on a limestone calcined clay cement-based (LC3) binder were developed to enhance the compatibility with PP fibers and to achieve a certain degree of ductility. Moreover, the LC3 binder reduces the clinker factor of the matrices and thus increases the extent of sustainability of the fiber-reinforced limestone calcined clay cement-based composites (FRLC3). The outcomes of this research are assessed at both micro and macro levels. At the micro level, single-fiber pull-out tests reveal that the addition of precipitated calcium carbonate (PCC) and ground calcium carbonate (GCC) fillers in the outer layer of single filament enhances fiber surface roughness, leading to improved energy absorption. At the macro level, composite testing reveals significant improvements in ductility and crack resistance, validating the effectiveness of the designed core/shell bicomponent PP fibers and matrix modifications in producing more resilient FRLC3 systems.
- Verweis
- Micromechanical study on polypropylene-bicomponent fibers to improve mechanical interlocking for application in strain-hardening cement-based composites
DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2023.105181 - Bond and cracking behavior of tailored limestone calcined clay cement-based composites including bicomponent polypropylene fibers with enhanced mechanical interlocking
DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105812 - Freie Schlagwörter (EN)
- PP-fibers, bicomponent fibers, calcium carbonate, FRC, LC3, bond behavior
- Klassifikation (DDC)
- 691
- Klassifikation (RVK)
- ZI 4507
- GutachterIn
- Prof. Dr. Christina Scheffler
- Prof. Dr. Viktor Mechtcherine
- Assoc. Prof. En-Hua Yang
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Christina Scheffler
- Prof. Dr. Viktor Mechtcherine
- BetreuerIn - externe Einrichtung
- Assoc. Prof. En-Hua Yang
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Forschungsgemeinschaft Research Training Group GRK 2250/2
Mineral-bonded composites for enhanced structural impact safety
ID: 287321140 - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-979511
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 04.09.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
- Inhaltsverzeichnis
Symbols and Abbreviations 10 1 Introduction 16 1.1 Motivation 16 1.2 Overall Objectives 17 2 State of the Art 21 2.1 Fiber-Reinforced Concrete Composites—General Aspects 21 2.2 Polymer Fibers in Strain-Hardening Cement-Based Composites 25 2.2.1 Properties of Polymer Fibers 25 2.2.2 Polymer Fibers in Concrete Composites 27 2.3 Polypropylene Fibers 29 2.3.1 Chemical Structure of Polypropylene 29 2.3.2 Melt-Spinning and Core/Shell Bicomponent Melt-Spinning Process 30 2.4 Surface Modification of Polyolefin Fibers to Enhance the Fiber-Matrix Adhesion in Fiber-Reinforced Cement-Based Composites 35 2.4.1 Surface Chemical Modification of Fibers 35 2.4.2 Incorporation of Fillers onto the Surface of Fibers 35 2.4.3 Exploring Fiber Manufacturing with Varied Configurations 37 2.5 Fiber Recycling and Environmental Impact 38 2.6 Low-Cement Content and Alternative Binders 40 3 Materials 42 3.1 Material Selection 42 3.1.1 Types of Polypropylene 42 3.1.2 Types of Fillers 42 3.2 Commercial Monocomponent PP Fibers 44 3.3 Mixture Design Mineral Binders 45 3.3.1 Cement-Based Composite 45 3.3.2 LC3-Based Composites 47 4 Methods 49 4.1 Raw Materials Analysis 49 4.1.1 Confocal Laser Scanning Diffractometer 49 4.1.2 High-Temperature Size Exclusion Chromatography 49 4.1.3 Rheological Analysis 50 4.2 Designing Bicomponent PP Fibers 51 4.2.1 Pretested Fiber Manufacturing 51 4.2.1.1 Micro Compounding 51 4.2.1.2 Piston Melt-Spinning Equipment and Offline Drawing 51 4.2.1.3 Core/Shell Diameter Calculation of the Fibers 55 4.2.2 Upscaled Fiber Manufacturing 56 4.2.2.1 Melt-Compounding 56 4.2.2.2 Pilot Melt-Spinning Equipment and Online Drawing 56 4.3 Characterization of Single PP Fibers 58 4.3.1 Morphology Analysis of Surface and Cross-Sectional Areas 58 4.3.1.1 SEM-EDX 58 4.3.1.2 Confocal Microscopy 59 4.3.2 Tensile Test 59 4.4 Mechanical Testing of Composite Materials 60 4.4.1 Micro Scale—Single-Fiber Pull-Out Test 60 4.4.1.1 Single-Fiber Embedment Technique 65 4.4.1.2 Sample Preparation—Quasi-Static Pull-Out Test 66 4.4.1.3 Sample Preparation—Dynamic Pull-Out Test 67 4.4.2 Macro Scale—Fiber-Reinforced Concrete Composites 69 4.4.2.1 Sample Preparation 69 4.4.2.2 Compression Test 70 4.4.2.3 Flexural and Quasi-Static Uniaxial Tension Tests 70 4.4.2.4 Digital Image Correlation Postprocessing 71 5 Results and Discussion 72 5.1 Raw Materials 72 5.1.1 Particle Size Distribution 72 5.1.2 Molecular Weight Distribution Analysis 73 5.1.3 Rheological Analysis 75 5.1.3.1 Viscosity Analysis 75 5.1.3.2 Thermal Analysis 76 5.2 Single PP Fibers 78 5.2.1 Pretested Bicomponent Polypropylene Fibers 79 5.2.1.1 Core/Shell Ratio Optimization 79 5.2.1.2 Throughput Optimization 82 5.2.1.3 Die Size and Elevated Filler Amount Optimization 83 5.2.2 Upscaled Bicomponent Polypropylene Fibers 90 5.2.2.1 Optimization of Spinning Parameters 90 5.3 Mechanical Behavior of Composite Materials 96 5.3.1 Micro Scale—Single-Fiber Model Composites 96 5.3.1.1 Failure Mode and Interfacial Bond at Low Strain Rate 96 5.3.1.2 Failure Mode and Interfacial Bond at High Strain Rate 101 5.3.2 Macro Scale—Mechanical Tests 106 5.3.2.1 Compression Test 106 5.3.2.2 Flexural and Uniaxial Tensile Tests 107 5.3.2.3 Examination of Cracked Cross Sections 112 6 Conclusion and Future Prospects 113 6.1 Conclusion of the Investigation Program 113 6.2 Outlook 114 6.2.1 Material Level 114 6.2.2 Fiber Level 115 6.2.3 Composite Level 116 Bibliography 118 Appendix 131 Micro Scale Analysis 131 A. Particle Size Distribution 131 B. Molecular Weight and Polydispersity Index 131 C. Viscosity Analysis 131 D. Thermal Analysis 132 E. Diameter and Roughness Analysis 133 F. Density Analysis 134 G. Tensile Test 134 H. Quasi-Static Pull-Out Test 136 I. Dynamic Pull-Out Test 137 Macro Scale Analysis 138 J. Compression Tests 138 K. Bending and Tensile Tests 139