Bautechnik: Eine neue Formel für Beton

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Wie Wissenschaftler am Massuchusetts Institute of Technology MIT beobachteten, sind biologischen Baustoffe sehr stark und haltbar. Ausgehend von den Beobachtungen hat das Team unter Leitung von Oral Buyukozturk, einem Professor am Department of Civiel and Environmental Engineering (CEE) des MIT, ein neues, bioinspiriertes, an der Basis ansetzendes Konzept für die Zusammensetzung des Zementleins, des Bindemittels für Beton, vorgeschlagen.
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Wissenschaftler am MIT wollen Beton, das am meisten eingesetzte von Menschenhand gemachte Material, neu erschaffen, indem sie die Baupläne der Natur genau studieren. In einem online publizierten Papier im Journal Construction and Building Material, stellt das Team Zementleim, das Bindemittel für Beton, den Strukturen und Eigenschaften natürlicher Materialien wie Knochen, Muscheln und Tiefseeschwämmen gegenüber. Wie die Wissenschaftler beobachteten, sind diese biologischen Baustoffe sehr stark und haltbar, teilweise dank ihres präzisen, strukturellen Aufbaus und vielfältigen Größenordnungen vom molekularen bis hin zum sichtbaren Makrobereich.  Ausgehend von den Beobachtungen hat das Team unter Leitung von Oral Buyukozturk, einem Professor am Department of Civiel and Environmental Engineering (CEE) des MIT, ein neues, bioinspiriertes, an der Basis ansetzendes Konzept für die Zusammensetzung des Zementleins vorgeschlagen. 

“Diese Baustoffe sind in einer faszinierenden Weise zusammengesetzt, mit simplen Bestandteilen, die sich in komplexen geometrischen Konfigurationen, die schön anzuschauen sind, ausrichten”, sagt Buyukozturk. “Wir wollen herausfinden, welche Arten von Mikromechanismen in ihnen existieren, die derart überlegene Eigenschaften bereitstellen und wie wir ein ähnliches, auf Bausteinen beruhendes Modell auf Beton übertragen können.”

Das Team erhofft sich, Materialien in der Natur zu identifizieren, die als nachhaltige und dauerhafte Alternativen zum Portland-Zement herhalten können, der bei der Herstellung enorme Mengen an Energie verbraucht. 

Buyukozturk erklärt: “Wenn wir, teilweise oder vollständig, Zement mit irgendeinem anderen Material ersetzen können, das fertig und weitverbreitet in der Natur vorhanden ist, dann können wir unsere Ziele für die Nachhaltigkeit erreichen.”

Von Molekülen zu Brücken

Der Beton von heute ist eine zufällige Ansammlung von zerstoßenem Fels und Gestein, der vom Zementleim zusammengehalten wird. Die Festigkeit und Haltbarkeit des Betons hängt teilweise von seiner inneren Struktur und der Anordnung der Poren ab. Wenn das Material poröser ist, neigt es eher zum Bersten. Allerdings gibt es keine greifbaren Verfahren, um die innere Beschaffenheit und die allgemeinen Eigenschaften des Betons zu steuern. “Es ist größtenteils ein Ratespiel”, sagt Buyukozturk, “wir wollen das Vorgehen ändern und anfangen, das Material im mittleren Maßstab zu steuern,”

Diese “Mesoskala” beschreibt die Verbindung zwischen dne Mikrostrukturen und den makroskopischen Eigenschaften. Es geht etwa darum, wie die mikroskopische Beschaffenheit des Zements die Festigkeit und Lebensdauer eines Hochhauses oder einer langen Brücke beeinflusst. Diese Verbindung zu verstehen würde den Ingenieuren helfen, Funktionen in verschiedenen Maßstäben zu ermitteln, die die allgemeine Leistung des Betons verbesserten. “Wir befassen uns einerseits mit Molekülen und andererseits damit, ein Bauwerk zu errichten, dass in der Größenordnung von Kilometern rangiert”, so Buyukozturk. “Wie verbinden wir die Information, die wir in sehr kleinem Maßstab entwickeln, mit der Information im großen Maßstab? Das ist das Rätsel.”

Aufbau von Grund auf

Um einen Einstieg in das Verständnis dieser Verbindung zu gewinnen, haben er und seine Kollegen sich biologische Baustoffe wie Knochen, Tiefseeschwämme und Perlmutt angeschaut und sie ausgiebig auf ihre mechanischen und mikroskopischen Eigenschaften untersucht. Sie haben die wissenschaftliche Literatur nach Informationen über jedes dieser Materialien durchgesehen und deren Strukturen und Verhalten im Nano-, Mikro- und Makromaßstab mit jenen von Zementleim verglichen. Dabei haben sie nach Verbindungen zwischen der Struktur eines Materials und dessen mechanischen Eigenschaften gesucht. So haben sie feststellen können, dass die zwiebelartige Struktur der Siliziumdioxid-Schichten eines Tiefseeschwamms einen Schutz vor Rissen bereitstellt. Perlmutt hat eine der Ziegelbauweise entsprechende Anordnung der Mineralien, die eine feste Verbindung zwischen den Materialschichten bereitstellt und das Material äußerst widerstandsfähig macht. Durch die Anwendung der bei der Analyse der natürlichen Baustoffe gewonnenen Erkenntnisse und des Wissens über die Designwerkzeuge für den Zementleim hat das Team einen allgemeinen, bioinspirierten Rahmen oder eine Methodologie für Ingenieure entwickelt, Zement von Grund auf zu konzipieren. 

Framework für Ingenieure

Dieser Rahmen ist grundsätzlich ein Reihe von Richtlinien, an denen sich Ingenieure orientieren können, um zu ermitteln, inwiefern bestimmte Additive oder Ingredienzien die allgemeine Stabilität und Haltbarkeit des Zements beeinflussen. Buyukozturk untersucht beispielsweise auch vulkanische Asche als Additiv oder Ersatz für Zement. Um zu prüfen, ob vulkanische Asche die Eigenschaften des Zementleims verbessert, würden Ingenieure, der Methodologie der Forscher folgend, erst experimentelle Verfahren nutzen, wie Kernspintomografie, Elektronenmikroskopie oder Röntgen um die Anordnung solider Bestandteile und Hohlräume in der Asche über die Zeit hinweg zu beschreiben. Die Forscher könnten dann die Messungen in Modelle einfließen lassen, die die langfristige Entwicklung von Beton simulieren, um die Beziehungen zwischen etwa den Eigenschaften der vulkanischen Asche und dem Beitrag des Materials zur Festigkeit und Lebensdauer einer Betonbrücke festzustellen, die diese Asche enthält. Letztlich hoffen die Forscher, dass die Methodologie Ingenieuren hilft, die Inhaltsstoffe zu ermitteln, die in so beschaffen sind und sich so entwickeln, dass die Leistung und die Langlebigkeit des Betons verbessern. Buyukozturk erhofft sich davon eine Art Rezept für nachhaltigeren Beton und die Verlängerung der Lebensdauer von Gebäuden und Brücken um das zwei- bis dreifache. Das Framework bietet dabei den Ingenieuren eine sehr konkrete Anleitung. 

 

Bild: Ein Vergleich natürlicher Materialien mit Zementleim zeigt die Schritte, in denen sich kleinere Teile zu größeren Strukturen zusammenfügen. (Bild: Courtesy of the researchers.)

 

 

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