Faserverstärkte Vergussmörtel kombinieren eine mineralische Matrix mit Verstärkungsfasern – typischerweise aus Glas, Kunststoff oder Stahl. Das Verbundverhalten beschreibt dabei, wie Fasern und Matrix unter Belastung Kräfte übertragen und Energie dissipieren. Zentrale Mechanismen sind Debonding (Ablösung der Faser von der Matrix), Gleiten der Faser im entstandenen Spalt und Pull-Out, das Herausziehen der Faser. Diese Prozesse bestimmen maßgeblich Biegezugfestigkeit und Duktilität des Verbundes.

Was ist die kritische Faserlänge?

Die kritische Faserlänge lc markiert einen Schwellenwert: Fasern, die kürzer als lc sind, werden bei Belastung aus der Matrix herausgezogen (Pull-Out). Fasern, die länger als lc sind, brechen eher, weil die Energieaufnahme durch Debonding und Gleiten dann höher ist als die Bruchenergie der Faser selbst. Bei kurzglasfaserverstärkten Mörteln liegt die Faserlänge häufig unterhalb von lc, sodass Faserbruch kaum auftritt und die Energieabsorption hauptsächlich durch Pull-Out-Mechanismen erfolgt.

Mechanismen der Faser-Matrix-Interaktion

Die Bruchenergie WG eines faserverstärkten Verbundes setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen:

  • Wm: Energiebeitrag der Matrix, abhängig vom Sprödbruch- oder Fließverhalten
  • Wd: Energie für Debonding (Ablösung der Faser an der Grenzfläche)
  • Ws: Energie für Gleiten der Faser im entstandenen Spalt
  • Wp: Energie für Pull-Out (Herausziehen der Faser)

Treten alle Mechanismen auf, gilt WG = Wm + Wd + Ws + Wp. Die konkrete Zusammensetzung hängt von den Materialeigenschaften der Matrix und den Fasern sowie von der Grenzflächenhaftung ab.

Einfluss der Matrix-Duktilität

Bei spröder Matrix – etwa bei trockenem Vergussmörtel ohne Kunststoffzusätze – erfolgt Energiedissipation vor allem durch Matrixsprödbruch, Debonding und Pull-Out. Liegt hingegen eine duktile Matrix vor, verändert sich das Deformationsverhalten grundlegend: Energieabsorption findet dann hauptsächlich durch lokale Fließvorgänge in der Prozesszone statt. Faserbruch tritt bei kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen und Mörteln generell nur bedingt auf, da die Faserlängen meist unterhalb der kritischen Faserlänge liegen.

Biegezugfestigkeit und Duktilität

Die Biegezugfestigkeit faserverstärkter Mörtel wird maßgeblich durch die Verteilung der Fasern, ihre Orientierung und die Anzahl der lastübertragenden Fasern im Querschnitt beeinflusst. Duktilität entsteht, wenn Fasern nach dem ersten Matrixriss nicht sofort brechen, sondern schrittweise durch Pull-Out herausgezogen werden. Diese kontrollierte Energieabsorption führt zu einem progressiven Versagen statt zu sprödem Bruch.

Abhängigkeit vom Faservolumenanteil

Bruchmechanische Kenngrößen wie der J-Wert – ermittelt mittels J-Integralkonzept – lassen sich in Abhängigkeit vom Faservolumenanteil φV und der mittleren Faserlänge l abschätzen. Dabei gehen die volumenspezifischen Energien für Debonding, Gleiten und Pull-Out ein. Die Brucharbeit steigt mit zunehmendem Faservolumenanteil, bis kritische Grenzwerte erreicht werden, ab denen die Matrix nicht mehr ausreichend konsolidiert ist und die Fasern sich gegenseitig behindern.

Modelle zur Vorhersage von Verbundeigenschaften

Theoretische Modelle ermöglichen die Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Verbundwerkstoffen aus den Eigenschaften der Komponenten. Eines der frühen Modelle beschreibt den Elastizitätsmodul des Verbundes als Funktion des Faservolumenanteils φV sowie des Modulverhältnisses EF/EM (Faser zu Matrix) und des Aspektverhältnisses der Fasern lF/dF (Länge zu Durchmesser). Erweiterte bruchmechanische Modelle wurden erfolgreich zur Abschätzung von Kenngrößen des instabilen Risswachstums von glasfaser- und kohlefaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt.

Anwendung in der Praxis

Faserverstärkte Vergussmörtel finden Einsatz in der Fugenvergießung, bei Reparaturarbeiten an Betonbauteilen sowie bei der Herstellung von hochfesten, schlagzähen Schichten. Kenntnisse über das Verbundverhalten ermöglichen die gezielte Einstellung von Festigkeit und Duktilität durch Variation von Fasertyp, Faserlänge, Faservolumenanteil und Matrixzusammensetzung. Prüfberichte und Anwendungsempfehlungen orientieren sich an den Ergebnissen bruchmechanischer Modelle, die das Versagensverhalten unter realen Belastungen abbilden.

Das Verständnis der Faser-Matrix-Interaktion bildet die Grundlage für die Weiterentwicklung moderner Bauchemie-Produkte und die Optimierung der mechanischen Leistungsfähigkeit mineralisch gebundener Verbundsysteme.