Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie

Nano für smarte Baustoffe

Beton ist einer der meistverwendeten und ältesten konstruktiven Baustoffe mit über 2000-jähriger Geschichte. Doch noch immer hat er ungenutzte Potentiale, buchstäblich im Großen wie im Kleinen: Seit mehr als zehn Jahren forscht das Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Middendorf daran, diese Schätze zu heben.

Das Ziel, das die Kasseler Wissenschaftler vor Augen haben, ist der Einsatz von Beton als  universeller Baustoff mit mannigfaltigen, zum Teil völlig neuen Eigenschaften in den unterschiedlichsten Bereichen des Bauwesen, im Maschinenbau, im Bereich der Energiegewinnung und der Luftreinhaltung.  Der Beton der Zukunft wird leichte, zugleich aber sehr robuste Konstruktionen ermöglichen, deren Teile wie im Stahlbau fabrikmäßig vorgefertigt werden können, extrem zug- und druckfest und resistent gegen aggressive Chemikalien sind. Und das ist noch nicht alles. Solche Betone können dank innovativer Rezepturen durch die Bindung von Schadstoffen  sogar dafür sorgen, dass die Luft in unseren Ballungsgebieten sauberer wird.

Bei der Entwicklung des Betons von morgen sind die Wissenschaftler des Fachgebiets durch die geschickte Verknüpfung von Mikro- und Makrokosmos bereits erfolgreich vorangekommen: Ultra-Hochleistungsbetone (UHPC) mit extremer Druckfestigkeit, die zu den Forschungsschwerpunkten des Fachgebiets gehören, haben ein für das menschliche Auge unsichtbares „Innenleben“, das sich in Mikrometern und Nanometern misst. Feinste Zement- und Füllstoffpartikel fügen die Forscher im Labor zu fest miteinander verzahnten keramikartigen Kristallstrukturen zusammen. Sie experimentieren mit innovativen Zusatzstoffen, alternativen, umwelt-freundlicheren Bindemitteln und immer dichteren Feinst-kornpackungen. Sie testen Fließ-, Erhärtungs- und Festigkeitsverhalten der Hochleistungsbetone. Neue Rezepturen erlauben es, Betone und Mörtel für fast jeden Einsatzzweck maßzuschneidern. Das Fachgebiet experimentiert mit so genannten Kaltkeramischen Betonen, die widerstandsfähiger gegen aggressive Abwässer sind, als bisher verwendete Materialien.

Auch die Baustoffindustrie profitiert von dieser innovativen Forschung. Das Fachgebiet bietet in Zusammenarbeit mit der Amtlichen Material-prüfungsanstalt (AMPA) in seinen Laboren umfassende Charakterisierungs- und Analysemethoden für Beton und andere Baustoffe an. Ein sehr hochauf-lösendes Rasterkraftmikroskop (AFM) erlaubt es, selbst Nanopartikel digital zu „sehen“. Mit einem hoch modernen Environmental Scanning Electron Mikroscope (ESEM) können festigkeitsbildende Kristalle im feuchten Zementstein verfolgt werden. Mit einem Pulverdiffraktometer analysieren die Forscher Materialproben unbekannten Inhalts.

Erfolge im Praxistest bestätigen den Forschern des Fachgebiets, dass sie auf dem richtigen Weg sind

Gärtnerplatzbrücke in Kassel

Die Gärtnerplatzbrücke und verschiedene Kleinbrücken, die mit dem in Kassel entwickelten ultrahochfesten Beton gebaut wurden, belegen die Zuverlässigkeit von UHPC. Die 2007 eingeweihte und im bundesweiten Standortwettbewerb „Land der Ideen“ preisgekrönte Gärtnerplatzbrücke an der Fulda in Kassel war die erste größere Brücke aus diesem Baustoff, die in Deutschland gebaut wurde. Doch nicht nur wenn filigrane Strukturen – wie für eine Brücke – benötigt werden, ist UHPC der Baustoff der Wahl. Auch in den tosenden Wellen der See und der gewaltigen Krafteinwirkung riesiger Türme von Windkraftanlagen bewährt sich der Hochleistungsbeton: Als Mörtel wird er in die Fundamente von Windparks in Nord- und Ostsee vergossen. In vielen Fällen kontrolliert das Fachgebiet dabei selbst die Qualität der Vermörtelung.

UHPC kann wegen seiner Leistungsfähigkeit sparsam eingesetzt werden und damit helfen Kosten zu senken. Das eröffnet Chancen im Straßenbau. Im so genannten „Whitetopping“-Verfahren können abgenutzte Fahrbahnen mit einem relativ dünnen, maximal 15 Zentimeter starken Überzug aus UHPC repariert werden. Das spart Material und macht teure Umbauten an Brücken überflüssig.

Das Fachgebiet geht aber noch weiter: Gemeinsam mit Partnern anderer Forschungseinrichtungen und der Industrie entwickeln die Kasseler Forscher die multifunktionale Fahrbahn. Ein Spezialmörtel soll Rollgeräusche vermindern, die Abriebbeständigkeit und die Griffigkeit erhöhen sowie Luftschadstoffe unschädlich machen. Es geht um Hochleistungsbeton, der auch noch die Umwelt schützt und gerade in Ballungsgebieten den Menschen das Atmen leichter macht.

Bestandteile eines Betons: Gesteinskörnung, Zement und Feinstoffe
Probenvorbereitung von Baustoffproben für elektronenmikroskopische Untersuchungen durch Besputtern von Gold

Das Stichwort lautet hier Photokatalyse. Mit der Kraft der Sonne werden beispielsweise  gefährliche Stickoxide oxidiert und mittels des Katalysators Titandioxid in harmlose Stoffe umgewandelt. Nanopartikel spielen dabei eine entscheidende Rolle.  Während  der Hannover-Messe in diesem Jahr konnte das Fachgebiet zum Abschluss des  vom  Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprogramms  „Helio Clean“  demonstrieren, dass dieses Prinzip, das bei anderen Materialien wie selbstreinigendem Fensterglas bereits erprobt ist, auch mit Bauwerkstoffen funktioniert. Durch Messreihen an Vergleichsmodellen zweier Häuser wiesen die Kasseler Forscher die Wirksamkeit „aktiver“ Mauersteine, Dachziegeln und Fassaden-beschichtungen nach. Doch die besonderen Eigenschaften von Beton und der hohe Preis des Katalysators Titandioxid machen die photokatalytische Aktivierung dieses Baustoffs unter den Bedingungen des Marktes zu einer Herausforderung. Mit der Entwicklung so genannter Core-Shell-Materialien, die mit ihrer Architektur einen sparsamen Einsatz von Titandioxid und kostengünstigen Kompositstoffen ermöglichen, sowie der Entwicklung neuer Prüfmethoden zur Effizienz der Aktivierung hat das Fachgebiet eine wichtige Hürde bereits genommen. Aber es besteht noch viel Forschungsbedarf.

Auf allen Forschungsfeldern schlagen die Wissenschaftler einen Bogen von der „Nanowelt“  bis zur fertigen Konstruktion. Das ist Kern der „Philosophie“ des Fachgebiets. Dieser ganzheitliche Ansatz erfordert eine konsequent interdisziplinäre Forschung. Gerade um die Potentiale der „Nanowelt“ bei der Entwicklung immer leistungsfähigerer Betone auszuschöpfen, müssen Nanotechnologen, Zementchemiker und Bauingenieure eng zusammenarbeiten und ihre Ergebnisse austauschen. Mit diesem Forschungskonzept hat sich das Fachgebiet weltweit eine Vorreiterrolle erarbeitet. Es bietet außerdem eine vielbeachtete Plattform für den internationalen Wissensaustausch zwischen Forschern und Vertretern der Bauwirtschaft. Beispielsweise fand in Kassel im März 2012 zum dritten Mal das Internationale Symposium zu ultrahochfestem Beton und Nanotechnologie für Hochleistungsmaterialien im Bauwesen (HiPerMat) statt. Unter der Leitung von Prof. Dr. Schmidt und seinem Kollegen im Fachgebiet, Prof. Dr. Ekkehard Fehling, tauschten die Wissenschaftler und Industrievertreter ihre Forschungsergebnisse und Erfahrungen mit dem neuen Werkstoff aus. Erstmals bildete dabei  die Nanotechnologie für Hochleistungswerkstoffe einen Themenschwerpunkt. Bei dem dreitägigen Symposium wurde außerdem die Abschlussbilanz eines Schwerpunktforschungsprogramms gezogen, mit dem die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) seit 2005 insgesamt 25 deutsche Forschungsgruppen an 13 deutschen Universitäten bei der Erkundung neuartiger Verwendungsmöglichkeiten für UHPC und dessen technischer Perfektionierung finanziell mit mehr als zehn Millionen Euro unterstützte. Prof. Schmidt hat das Forschungsprojekt koordiniert. Seine Ergebnisse sollen die Grundlage für ein allgemein anerkanntes Regelwerk über den sicheren Einsatz von Hochleistungsbetonen bilden.



Ansprechpartner

Professor Bernhard Middendorf

Anschrift Universität Kassel
Fachbereich 14 - Bauingenieur- & Umweltingenieurwesen
Institut für konstruktiven Ingenieurbau
Mönchebergstraße 7
34125 Kassel
Raum Raum 1109
Telefon +49 561 804-2601
Bild von Professor Bernhard  Middendorf

Dr. Alexander Wetzel

Anschrift Universität Kassel
Fachbereich 14 - Bauingenieur- & Umweltingenieurwesen
Institut für konstruktiven Ingenieurbau
Mönchebergstr. 7
34125 Kassel
Raum Raum 1106
Telefon +49 561 804-2603
Telefax +49 561 804-2662
Bild von Dr. Alexander  Wetzel