Ätzstickerei zur Herstellung textiler Dehnungssensoren für die integrale Bauwerksüberwachung in Betonstrukturen

Ausgehend von bundesweit ca. 40.000 Brücken, unter denen laut Bericht des BMVBS von 2013 39 % eine ausreichende bis befriedigende Zustandsbenotung erhielten, ergibt sich ein großer Bedarf an Lösungen zur Online-Zustandsüberwachung, um nachhaltig Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen effizient und wirtschaftlich durchführen zu können. Demnach sind Kostenreduzierungen von bis zu 50% durch den Einsatz von Zustandsüberwachungssystemen möglich. Ähnliche Tendenzen zum dringlichen Einsatz derartiger Sensorsysteme zeigen sich für Fundamente von Windkraftanlagen im Off-Shore-Bereich sowie für Tragbetonelemente in Hochhäusern. Die im Beitrag vorgestellten Kohlenstofffaser-basierten Dehnungssensoren zielen auf die Entwicklung eines neuartigen Zustandsüberwachungssystems für die Integration in Tragbetonelementen ab, das dynamische Lasten aufnimmt bzw. bewertet und so Wartungs- sowie Instandhaltungsintervalle optimiert. Der entwickelte Sensor besteht aus einem Kohlenstofffaser-Roving, der sticktechnologisch auf ein textiles Substrat fixiert wird. In einem nachträglichen Ätzprozess wird das Substrat ausgewaschen und das verbliebene Sticklayout mit Epoxidharz imprägniert. So entsteht eine offene Sensorstruktur, die gegen alkalische Einflüsse resistent ist und eine optimale Imprägnierung in grobkörnigen Beton erlaubt. Basierend auf ersten Versuchen zur Bestimmung der elektro-mechanischen Proportionalität von Kohlenstofffaser-basierten Dehnungssensoren wurde bei Raumtemperatur ein k-Faktor von 1,7 ± 7% ermittelt. Des Weiteren ergaben Temperaturganganalysen, dass der ätzgestickte Dehnungssensor einen spezifischen elektrischen Widerstand von T = 382 ?m aufweist und somit stark temperaturabhängig ist. Da das Sensordesign eine hohe Querempfindlichkeit erwarten lässt und die Temperatur sowie die Feuchtigkeit einen großen Einfluss auf das Signalverhalten hat, sind diesbezüglich weiterführende Untersuchungen erforderlich. Weiterhin ergaben Untersuchungen zum Integrationsvermögen, dass die offene Sensorstruktur zu einer kompletten Imprägnierung der Kohlenstofffaser mit Beton führt. Dies erlaubt eine direkte Übertragung der mechanischen Dehnungen von der Struktur zum textilen Dehnungssensor. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sensorentwicklung und dessen messtechnische Signalerfassung eine robuste Applikation im Bauwesen erlaubt. Darüber hinaus bietet die Entwicklung im Vergleich zu am Markt existierenden Sensorlösungen ein enormes Potential hinsichtlich Integration, Korrosionsbeständigkeit und Fehlstellenverhalten.