Betonwerkstoffe der nächsten Generation für nachhaltigeren Wasserbau
Um die schnelle Abnutzung von Küsteninfrastrukturen zu verhindern, die jährlich Reparaturen in Höhe von Milliarden Euro verursacht, müssen die Werkstoffe solide und widerstandsfähig sein. Außerdem sollen sie im Hinblick auf den Klimaschutz nachhaltig sein, wenig Abfall entstehen lassen, aber gleichzeitig wettbewerbsfähig bleiben. Da ultrahochfester Beton/Ultrahochleistungsbeton (UHFB; engl. UHPC) diese Kriterien erfüllt, greift die Baubranche in immer stärkerem Maße auf ihn zurück. „Das Problem ist, dass er oftmals als gebrauchsfertiges Produkt zum Einsatz kommt, was bedeutet, dass lokale Materialien keine Berücksichtigung finden, obwohl sie im Sinne der Realisierung umfassender Nachhaltigkeit besser geeignet sind“, sagt Liberato Ferrara, Projektkoordinator des EU-finanzierten Projekts ReSHEALience. Das Projektkonsortium validierte nun eine Methodik, mit der Ingenieurteams durch Zugang zu zuverlässigen und wiederholbaren „Rezepten“ für Ultrahochleistungsbeton Infrastrukturprojekte verbessern können. Außerdem wurde eine auf Dauerhaftigkeit beruhende Entwurfsmethodik entwickelt, um das Langzeitverhalten vorherzusagen.
Bald schon besser, für längere Zeit, mit weniger Material bauen
Aufgrund der schwierigen Einsatzszenarien und des damit verbundenen potenziellen hohen Nutzens konzentrierte sich ReSHEALience auf Konstruktionen im Meer und in chemisch aggressiven Umgebungen. Das Projekt experimentierte mit etlichen Betonmischungen, auch mit dem Einsatz von Hüttensand als Bindemittel zwecks Verkleinerung des CO2-Fußabdrucks. Wichtigste Zutat zu den Projektrezepten war die Faserbewehrung, die den Bauteilen die notwendige Robustheit verleiht. Von besonderem Interesse waren die selbstheilenden Eigenschaften aufgrund der Synergie kristalliner Beimischungen und Nanomaterialien einschließlich Aluminiumoxidnanofasern und Zellulosenanokristallen. Die Materialien wurden auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Einflüssen wie etwa Chlorid oder Säure getestet. Diesem Zweck diente dem Team die Multiphysik-Modellierung. Mit ihr konnten die Mikrostrukturen der Rezepturen sowohl unter mechanischen als auch unter chemischen Aspekten untersucht werden. Da in diesem im Entstehen begriffenen Bereich nur wenige Eingabedaten zur Verfügung stehen, kam in dem Modell der „Fuzzylogik“ folgende künstliche Intelligenz zur Anwendung, „um Rohdaten in Wissen umzuwandeln“, fügt Ferrara hinzu. Anhand ermittelter optimaler Mischungen für die Szenarien von Interesse wurden sechs Pilotprojekte durchgeführt. Zwei davon betrafen geothermische, mit ultrahochfestem Beton angereicherte Becken in Italien. Da sich diese in ständigem Kontakt mit Wasser und Schlamm befinden, sind sie mechanischen und sauren Angriffen ausgesetzt. Ein drittes Pilotprojekt war ein 540 m2 großes Aquakultur-Muschelfloß in Spanien, anhand von dessen Mikrorissbildung die Selbstheilung erprobt wurde. Ein viertes Projekt war das aus Ultrahochleistungsbeton hergestellte Modell einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlagenplattform in Spanien, das dem Wellenschlag und Chlorangriffen standhalten soll. Das fünfte Projekt umfasste eine Serie schwimmender Pontons aus vorgefertigten Kohlenstofftextilien vor der irischen Küste, die für niedrige Temperaturen ausgelegt sind. Schließlich wurde auf Malta ein beschädigter Wasserturm eines Schlachthofs unter Einsatz von Ultrahochleistungsbeton-Technologien restauriert.
Restaurierung dank Innovation
Während sich in allen Pilotprojekten zeigte, dass die Materialien im realen Maßstab robust sind, ist Ferrara auf das letzte Projekt besonders stolz. „Der maltesische Wasserturm aus Beton war zwar in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts tadellos gebaut worden, wurde aber durch chloridhaltige Luft und Sanderosion aus der Luft stark beschädigt. Es ist uns gelungen, ihn zu restaurieren, wobei wir das Original im Sinne der Erhaltung des industriellen Erbes respektiert haben“, erläutert er. Tatsächlich wurde der Wasserturm nun als nationales Denkmal der Klasse 1 eingestuft, und die Restaurierung wurde bei der maltesischen Architektur- und Raumplanungs-Preisverleihung 2021 mit einer besonderen Auszeichnung gewürdigt.
Ganzheitliche Denkweise kultivieren
Ungeachtet der Tatsache, dass bereits einige der ReSHEALience-Konstruktionen kommerziell genutzt werden, ist die Weitergabe von Wissen ebenso wichtig wie die neuen Werkstoffe, wenn sich Ultrahochleistungsbeton als bahnbrechend erweisen soll. „Unsere Betonrezepturen sind nicht nur frei zugänglich, sondern an jedem Pilotprojekt waren außerdem Universitäten beteiligt, und wo immer es möglich war, haben wir Weiterbildungsmöglichkeiten angeboten“, berichtet Ferrara. „Die Zukunft braucht ganzheitliche Denkweisen, bei denen die Prinzipien des Entwerfens, Bauens und Recycelns von Anfang an kombiniert werden. Sie könnten einige Berufe revolutionieren.“ Das Team arbeitet nun mit den Mitgliedern des Konsortiums zusammen, um diesen Wandel zu fördern und voranzutreiben.
Schlüsselbegriffe
ReSHEALience, Beton, Infrastruktur, Chlor, Säure, Meer, Wasserbau, Konstruktion, Haltbarkeit, Selbstheilung, Nachhaltigkeit, Küstengebiete
