Thema des Monats Juli 2010


Abbildung 1: Ein Paket macht Beton duktiler: Die neu entwickelten Fasern sind so gepackt, dass sie als "Powerpaket" einfach in den noch plastischen Beton eingebracht werden können. Foto: Empa.

Innovation in GRAU: Beton überzeugt mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Stabile Fundamente, massive Bauwerke, Rohre, Kanäle, Verschalungen oder gar ganze Fußballstadien sind nur einige Beispiele, die zeigen, dass Beton ein Material ist, das von zentraler Bedeutung für die Umsetzbarkeit von industriellen Vorhaben steht. Beton wurde im Jahre 1753 erstmals von dem französischen Wissenschaftler Bernard de Bélidor in dessen Buch „Architecture hydraulique“ als Baustoff erwähnt und wird seitdem in immer größerem Umfang für die unterschiedlichsten Bauvorhaben eingesetzt. Die zahlreichen Einsatzgebiete von Beton lassen sich damit begründen, dass sich die Eigenschaftsprofile von unterschiedlichen Betonwerkstoffen maßgeschneidert auf die geforderten Anforderungsprofile anpassen lassen. Durch dieses zentrale Merkmal wird diese Materialklasse auch in Zukunft mit interessanten Features bereitstehen, um Lösungen für aktuelle Themen wie etwa Ressourcenschonung, Leichtbaukonstruktion sowie Material- und Energieeffizienz zu bieten – insbesondere auch im Kontext der internationalen Leitmessen wire und Tube.

Duktiler Beton: Die Mischung macht´s

Beton ist im Prinzip eine einfache Mischung aus den Komponenten Kies, Sand, Wasser unter Zusatz von Zement als Bindemittel. Ist diese Mischung einmal ausgehärtet, so kann sie extrem hohen Druck aushalten – dagegen versagt das Material aber schon bei vergleichsweise niedrigen Zugbeanspruchungen. Aus diesem Grund wird Beton mit Stahl armiert, da dieser die auftretenden Zugkräfte aufnehmen kann. Die Wissenschaftler Josef Kaufmann, Jörn Lübben und Walter Trindler von der Empa in Dübendorf haben kürzlich zusammen mit Faserspezialisten von der Firma fibrotec ag in Mollis eine innovative Methode entwickelt, um Beton ohne Stahlarmierung zusätzliche Duktilität zu verschaffen. Dazu nutzen die Entwickler eine neuartige, aus zwei verschiedenen Kunststoffen bestehende Faser, die zuverlässig in die mineralische Matrix eingearbeitet werden kann. Zur Herstellung dieser Faser wenden die Forscher ein neues Fertigungsverfahren an, mit dem die Herstellung spezieller 2-Komponenten Fasern möglich wird. Der "Trick" dabei ist nämlich der, dass der Faserkern aus kostengünstigem Polypropylen (PP) aufgebaut ist, während der Fasermantel aus einem hochwertigen Polymer besteht, dessen chemische Beständigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und mechanische Stabilität für den Einsatz in zementgebundenen Baumaterialien bestens geeignet ist. Das Resultat nach ersten Anwendungstests ist beeindruckend - mit nur fünf Kilogramm dieser Fasern können dreißig Kilogramm Stahlfasern ersetzt werden, wobei die Bikomponentenfasern circa zehn Prozent günstiger sind, als konventionelle Stahlfasern, die normalerweise für diesen Anwendungsfall eingesetzt werden.

Beton: Stabil und säurefest wie Keramik


Abbildung 2: Ultraporcrete – ein Baustoff, der die Vorteile von konventionellem Beton und von Porenbeton kombiniert. Foto: TU Dortmund.

Wissenschaftler der Universität Kassel wollen Beton mit nanoskaligen Bindemitteln so robust und säureunempfindlich wie Keramik machen, dadurch würden sich zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten in der Industrie eröffnen. Die Betonherstellung steigt weltweit, vor allem in aufstrebenden Schwellenländern wie China. Beton wird als relativ preiswerter und gut zu verarbeitender Baustoff eingesetzt. Doch hat er gegenüber anderen Materialien auch signifikante Nachteile. Seine relativ geringe chemische Beständigkeit gegenüber sauren Medien und chlorid- oder sulfathaltigen Lösungen limitieren die Lebensdauer für zahlreiche Anwendungen, wie etwa Rohre, Behälter und Wandungen. Wissenschaftler um Dr. Dietmar Stephan vom Institut für konstruktiven Ingenieurbau an der Universität Kassel arbeiten an einer neuen Rezeptur, die den Beton widerstandsfähiger gegen derartige chemische Angriffe machen soll. Hüttensand, ein Abfallprodukt der Roheisenproduktion, und Flugasche, ein Abfallprodukt aus Kohlekraftwerken, sowie Wasserglas - ein Silikat - ersetzen den in seiner Herstellung für das Klima schädlichen Zement als Bindemittel für den Beton. Das Wasserglas ist dabei ein intelligenter Funktionsträger, er bindet die Komponenten und verdichtet zugleich die Mikrostruktur. Proben des neuen Betons zeigen unter dem Raterelektronenmikroskop nahezu keine Poren – damit können die schädlichen Chemikalien nicht in das Material eindringen. Aktuell wird das Material in einem Säurebad einem Dauer-Stresstest unterzogen – sollte die Ergebnisse befriedigend sein, so stehen erste Anwendungstest unter Praxisbedingungen an. Als vielversprechend beurteilen die Wissenschaftler auch die Möglichkeit, das neue Material als Spritzmörtel einsetzen zu können. Damit könnten bereits bestehende Betonkonstruktionen mit einer, die Lebensdauer verlängernden, Schutzschicht überzogen werden.

Ultraporcrete: Ein neuer hochfester Schaumbeton

Forscher um Prof. Dr. Bernhard Middendorf vom Lehrstuhl Werkstoffe des Bauwesens der TU Dortmund haben das Ziel, einen Baustoff zu entwickeln, der die Festigkeit und flexiblen Einsatzmöglichkeiten von konventionellem Beton mit der geringen Dichte und den positiven Wärmedämmeigenschaften von Poren- und Schaumbeton verbindet. Das Ergebnis ihrer Forschung: "Ultraporcrete“. Das Material ist weltweit der erste Schaumbeton, dessen physikalisch-mechanische Eigenschaften einen Einsatz als Konstruktionsbaustoff für tragende Bauteile zulassen. Durch den hohen Luftporenanteil des Baustoffes besitzt dieser gleichzeitig auch wärmedämmende Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil von "Ultraporcrete" ist das geringe Eigengewicht von rund einem Drittel eines vergleichbaren Bauteils aus herkömmlichem Beton. Darüber hinaus können durch die zielgenaue Einstellung der Luftporenverteilung die Eigenschaften, wie zum Beispiel die Druckfestigkeit und Dichte, flexibel an die Anforderungen des zu bauenden Objekts angepasst werden. "Ultraporcrete" eröffnet somit völlig neue Möglichkeiten im Betonbau," so Middendorf, "so ist es zum Beispiel mit diesem Baustoff auch möglich, kostengünstig tragende Dachkonstruktionen zu fertigen, für die heute aus verschiedenen Gründen überwiegend noch Holz bevorzugt wird." Die TU Dortmund hat "Ultraporcrete" zum Patent angemeldet und das Interesse der Industrie ist bereits groß.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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