HealCON – selbst heilender Beton
Selbst heilender Beton: Wenn der Beton reißt, erzeugt dies Schallwellen, die mithilfe von Sensoren gemessen werden (Werner Bachmeier / TUM)
Hintergrund sind Betonrisse, die durch dauerhafte Belastung und Temperaturschwankungen an Verkehrsinfrastrukturbauten entstehen. Kleine Betonrisse schädigen zwar meist die Stabilität der Bauwerke nicht sofort, durch eindringendes Wasser oder Salze können jedoch langfristig Strukturschäden entstehen. Das EU-Forschungsprojekt HealCON untersucht momentan die Möglichkeiten, durch Bakterien, Hydrogele und Epoxidharz Heilungsmechanismen für die Betonstrukturen zu entwickeln.
Bakterien, Hydrogele und Epoxidharz
Bestimmte Bakterien scheiden als Produkt ihres Stoffwechsels Calciumcarbonat aus. Mit den Sporen dieser Bakterien getränkte Tonkugeln werden im Versuch in den Beton gemischt. Sobald Wasser durch Risse eindringt, werden die Mikroorganismen aktiv und scheiden Calciumcarbonat aus, eines der Hauptbestandteile des Betons. So können innerhalb weniger Tage Risse bis zu einigen Millimetern Breite verschlossen werden, erläutert Prof. Christian Große vom Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der TU München. Hydrogele sind Polymere, die Feuchtigkeit aufsaugen. Materialien mit Hydrogelen können bis zum 100-fachen ihrer eigentlichen Größe anwachsen. Wenn Risse im Beton auftreten, kommt das Hydrogel mit Feuchtigkeit in Kontakt. Es dehnt sich aus und verhindert so weiteres Eindringen von Wasser, ohne den Riss zu verbreitern. Epoxidharze oder Polyurethane können in Kapseln eingeschlossen und dann unter den Beton gemischt werden. Reißt der Beton, brechen die Kapseln und das Polymer wird freigesetzt. Es bildet eine harte Masse, die den Riss schließt. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass so sogar die Stabilität der Bausubstanz gestärkt wird. Bauteiluntersuchungen mit Ultraschall
Am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der TU München wird untersucht, wie gut und dauerhaft die drei Methoden funktionieren. Dazu wird auf einen Betonblock, der mit Bakterien, Hydrogelen oder Epoxidharz versetzt wurde, Druck erzeugt. Reißt der Beton, erzeugt dies Schallwellen, die mithilfe von Sensoren gemessen werden und Aussagen über die Lage und Stärke der Risse geben. Heilungs- und Zerstörungsprozess werden mehrmals hintereinander ausgeführt. War die Heilung nicht erfolgreich, gibt es kaum neue Schallwellen, da die Risse nach wie vor vorhanden sind. Sind die Risse geheilt, kommt es erneut zu Brüchen – allerdings an anderen Stellen. Die Schallemissionsanalyse ist für die Laboranwendung geeignet, für die Untersuchung von realen Bauteilen vor Ort setzen die Forscher kontinuierliche Ultraschall-Impulse ein. Die Wissenschaftler messen dabei die Zeit, die die Ultraschall-Impulse benötigen, um den Beton zu durchlaufen. Risse im Material behindern das Signal, sodass es mehr Zeit benötigt. Unter Laborbedingungen zeigen die Experimente bereits vielversprechende Ergebnisse. Im nächsten Schritt werden die Technologien dann an gängige Betonherstellungs- und Betoniermethoden angepasst. Aktuell wurde die im Rahmen des Healcon-Projektes entwickelte Technik erstmalig in einem realen Bauwerk eingesetzt, einem Betonabwassertrog eines Infrastrukturprojekts in Antwerpen. (Weiterführende Informationen und Film, flämisch: »Zelfherstellend beton voor het eerst gebruikt op Belgische werf«). Im nächsten Schritt werden die Wissenschaftler nun das Verhalten des Materials an dem realisierten Objekt überwachen. Langfristiges Ziel ist es, das Material für große Infrastrukturprojekte wie Brücken- oder Tunnelbauten anzuwenden.
Bestimmte Bakterien scheiden als Produkt ihres Stoffwechsels Calciumcarbonat aus. Mit den Sporen dieser Bakterien getränkte Tonkugeln werden im Versuch in den Beton gemischt. Sobald Wasser durch Risse eindringt, werden die Mikroorganismen aktiv und scheiden Calciumcarbonat aus, eines der Hauptbestandteile des Betons. So können innerhalb weniger Tage Risse bis zu einigen Millimetern Breite verschlossen werden, erläutert Prof. Christian Große vom Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der TU München. Hydrogele sind Polymere, die Feuchtigkeit aufsaugen. Materialien mit Hydrogelen können bis zum 100-fachen ihrer eigentlichen Größe anwachsen. Wenn Risse im Beton auftreten, kommt das Hydrogel mit Feuchtigkeit in Kontakt. Es dehnt sich aus und verhindert so weiteres Eindringen von Wasser, ohne den Riss zu verbreitern. Epoxidharze oder Polyurethane können in Kapseln eingeschlossen und dann unter den Beton gemischt werden. Reißt der Beton, brechen die Kapseln und das Polymer wird freigesetzt. Es bildet eine harte Masse, die den Riss schließt. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass so sogar die Stabilität der Bausubstanz gestärkt wird. Bauteiluntersuchungen mit Ultraschall
Am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der TU München wird untersucht, wie gut und dauerhaft die drei Methoden funktionieren. Dazu wird auf einen Betonblock, der mit Bakterien, Hydrogelen oder Epoxidharz versetzt wurde, Druck erzeugt. Reißt der Beton, erzeugt dies Schallwellen, die mithilfe von Sensoren gemessen werden und Aussagen über die Lage und Stärke der Risse geben. Heilungs- und Zerstörungsprozess werden mehrmals hintereinander ausgeführt. War die Heilung nicht erfolgreich, gibt es kaum neue Schallwellen, da die Risse nach wie vor vorhanden sind. Sind die Risse geheilt, kommt es erneut zu Brüchen – allerdings an anderen Stellen. Die Schallemissionsanalyse ist für die Laboranwendung geeignet, für die Untersuchung von realen Bauteilen vor Ort setzen die Forscher kontinuierliche Ultraschall-Impulse ein. Die Wissenschaftler messen dabei die Zeit, die die Ultraschall-Impulse benötigen, um den Beton zu durchlaufen. Risse im Material behindern das Signal, sodass es mehr Zeit benötigt. Unter Laborbedingungen zeigen die Experimente bereits vielversprechende Ergebnisse. Im nächsten Schritt werden die Technologien dann an gängige Betonherstellungs- und Betoniermethoden angepasst. Aktuell wurde die im Rahmen des Healcon-Projektes entwickelte Technik erstmalig in einem realen Bauwerk eingesetzt, einem Betonabwassertrog eines Infrastrukturprojekts in Antwerpen. (Weiterführende Informationen und Film, flämisch: »Zelfherstellend beton voor het eerst gebruikt op Belgische werf«). Im nächsten Schritt werden die Wissenschaftler nun das Verhalten des Materials an dem realisierten Objekt überwachen. Langfristiges Ziel ist es, das Material für große Infrastrukturprojekte wie Brücken- oder Tunnelbauten anzuwenden.
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