Thermal behavior of carbon textile reinforced concrete under ambient and electrical heating

Lampe, Annette Katharina; Orlowsky, Jeanette; Raupach, Michael

doi:10.18154/RWTH-2025-10011

Thermal behavior of carbon textile reinforced concrete under ambient and electrical heating

Lampe, Annette Katharina^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Annette K. Lampe, geb. Dahlhoff

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Orlowsky, Jeanette (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10011
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1022421/files/1022421.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde - Bauwerkserhaltung (311310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ambient heating (frei) ; carbon textile reinforced concrete (frei) ; digital image correlation analysis (frei) ; electrical heating (frei) ; elevated temperature (frei) ; freeze-thaw (frei) ; textile reinforced concrete (frei) ; thermal behavior (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Mit dem Ziel, das thermische Verhalten von carbonfaserbewehrtem Textilbeton unter externer sowie unter elektrisch induzierter Erwärmung zu charakterisieren, untersucht diese Dissertation die Wechselwirkung zwischen den Materialkomponenten und dem mechanischen Verhalten unter Gebrauchs- und Extremtemperaturbedingungen. Das Verständnis des thermischen Verhaltens von carbonfaserbewehrtem Textilbeton ist entscheidend, um eine zuverlässige mechanische Leistungsfähigkeit sicherzustellen, da Temperatureinwirkungen Festigkeit, Steifigkeit und Dauerhaftigkeit maßgeblich beeinflussen und daher bei der praktischen Anwendung berücksichtigt werden müssen. Neben der Charakterisierung unter externer Temperierung untersucht die Arbeit zudem elektrisch beheizte carbonfaserbewehrte Textilbetonbauteile zur Realisierung funktionaler Bauteile. Die kombinierte Analyse verdeutlicht das Potenzial von carbonfaserbewehrtem Textilbeton für integrierte Heizkonzepte im Bauwesen. Die thermische Reaktion des carbonfaserbewehrten Textilbetons wurde über einen breiten Temperaturbereich untersucht, einschließlich Frost-Tau-Belastung, Gebrauchstemperaturen bis 80 °C und erhöhte Temperaturen bis 1000 °C. Zur Unterstützung der mechanischen Charakterisierung wurden Zugversuche an der Carbontextilbewehrung, der zementgebundenen Matrix und dem Verbundmaterial durchgeführt. Ein vergleichender Ansatz auf Basis von KT-Werten, welche die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen mit jener bei Raumtemperatur in Beziehung setzen, zeigte, dass thermische Belastung zu einem graduellen Rückgang der Zugfestigkeit führt. Dies ist in erster Linie auf das Erweichen und die Zersetzung des Tränkungsmaterials zurückzuführen und bei höheren Temperaturen auf die Zersetzung der Carbonfasern. Zur Analyse des Verformungs- und Rissverhaltens unter thermischer Beanspruchung wurde die digitale Bildkorrelation eingesetzt. Ein methodischer Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines automatisierten Auswertungstools für digitale Bildkorrelationsmessungen, welches eine standardisierte, reproduzierbare und effiziente Analyse über gesamte Versuchsreihen hinweg ermöglicht. Neben der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens unter Umgebungstemperaturen wurde das elektrothermische Verhalten wie elektrischer Widerstand untersucht, sowie die zugrunde liegenden technischen Heizmechanismen wie Kontakt-, Konvektions- und Strahlungswärme identifiziert. Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass wesentliche Einflussfaktoren auf das mechanische und elektrische Verhalten die Geometrie, der Fasergehalt und insbesondere die Art der Tränkung der Carbonbewehrung sind. Die Integration von carbonfaserbewehrtem Textilbeton als funktionales Heizelement wurde durch Modellierungen der Wärmeentwicklung unter elektrischer Belastung gestützt, wodurch anwendungsorientierte Erkenntnisse für die Praxis gewonnen wurden. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung fortschrittlicher multifunktionaler Systeme, darunter automatisierte Enteisungselemente und thermisch regulierte Betonoberflächen.

With the aim of characterizing the thermal behavior of carbon textile reinforced concrete under ambient and electrically induced heating, this thesis investigates the interaction between material components and the mechanical performance under serviceability and extreme temperature conditions. Understanding the thermal behavior of carbon textile reinforced concrete is essential to ensure reliable mechanical performance, as temperature exposure can significantly influence strength, stiffness, and durability, and must therefore be considered during structural design. In addition to the characterization under ambient conditions, this thesis also characterizes the application of electrically heated carbon textile reinforced concrete to enable functional building components. The combined analysis highlights the potential of carbon textile reinforced concrete for integrated thermal performance in construction. The thermal response of carbon textile reinforced concrete was examined across a wide ambient temperature range, including freeze-thaw exposure, service temperatures up to 80 °C, and elevated thermal conditions up to 1000 °C. To support mechanical characterization, tensile strength tests were conducted on the carbon textile reinforcement, the cementitious matrix and the composite. Using a comparative approach based on KT-values, which relate tensile strength at elevated temperatures to that at room temperature, it was shown that thermal loading leads to a gradual decrease in tensile strength. This is primarily caused by softening and degradation of the impregnation material, and at higher temperatures, by carbon fiber decomposition. Digital image correlation measurement was implemented to analyze deformation and cracking behavior under thermal load. A methodological contribution of this thesis is the development of an automated evaluation tool for digital image correlation measurements, enabling standardized, reproducible, and efficient analysis across test series. In addition to characterizing mechanical performance under ambient temperature, the electrical thermal behavior was investigated to understand the underlying heating principles. Within the carbon textile reinforced concrete composite, multiple technical heating principles, such as electrical resistance, contact, convection and radiant heating were identified. Experimental investigations revealed that key factors influencing the mechanical and electrical behavior include the geometry of the carbon textile reinforcement, the fiber content, and particularly the type of impregnation. The integration of carbon textile reinforced concrete as a functional heating element was further supported by numerical modeling of heat development under electrical loading, providing design- oriented insights for practical application. The findings provide a basis for the development of advanced multifunctional systems, including automated de-icing elements and thermally controlled concrete surfaces.

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