Neue Betonmischung und Entwurfswerkzeuge verlängern Energieinfrastruktur-Lebensdauer
Die erwartete Lebensdauer großer technischer Projekte nimmt zu. Früher betrug die erwartete Lebensdauer bei Energieinfrastrukturen 25 Jahre, 50 Jahre für Gebäude und mehr als 75 Jahre für Brücken. Heute geht man davon aus, dass die Bauten eine Lebensdauer von 100 Jahren oder länger erreichen sollen. Grund dafür sind die Kosten. In der Bauphase realisierte Investitionen in die Langlebigkeit zahlen sich im Vergleich zu später notwendigen Reparaturen an Bauwerken langfristig aus. Zudem werden Infrastrukturen an eher ungewöhnliche Standorte, etwa weit hinaus in die offene See, verlagert. Viele dieser Standorte sind regelrecht infrastrukturfeindlich. Beispielsweise wirkt Seeluft stark korrosiv; bestimmte Standorte können Frost und Eisabrieb, extremer Hitze oder starkem Druck ausgesetzt sein. Ungeachtet dieser Herausforderungen gilt jedoch die Forderung nach langlebigen Infrastrukturen.
Nanomaterialien stärken den Betonmix
Neuen Materialien, mit denen diese Anforderung erfüllt werden kann, kommt hier eine zentrale Bedeutung zu. Das EU-finanzierte Projekt LORCENIS entwickelte eine neue Formel für langlebigen, speziell für Energieinfrastrukturen vorgesehenen Stahlbeton. Daraus ergibt sich eine neue Mischung, welche die bisherige Lebensdauer des Betons verdoppelt, sogar unter extremen Bedingungen in Bezug auf Temperatur, Druck, Salz- und Säuregehalt (z. B. in Kläranlagen). Der neue Beton wird ganz normal gemischt und gegossen, grundlegend anders sind jedoch die im Rahmen der LORCENIS-Forschung entwickelten neuen nanostrukturierten Zusatzstoffe. „Sie sorgen für selbstreparierende Eigenschaften des ausgehärteten Betons durch eine Kalziumkarbonat-Fällungsreaktion“, erklärt Christian Simon, Koordinator von LORCENIS. Dank der Zusatzstoffe kann der Beton außerdem selbst aushärten, d. h. abbinden. „Die Zusatzstoffe mildern auf diese Weise Schwinden und Rissbildung. Außerdem erhöhen sie die Gefrier-Auftau-Beständigkeit und verringern gleichzeitig die Wasserdurchlässigkeit und -aufnahme“, fügt Simon hinzu. Zusätzlich fungieren die Nanomaterialien als Sensoren. Mit Unterstützung von Software können die Sensoren in den Bauwerken Spannungen erkennen und überwachen. Auf diese Weise wird der strukturelle Zustand überwacht und diagnostiziert.
Hervorragende Leistungsparameter
Verbesserte Entwurfs- und Konstruktionswerkzeuge sind das zweite Schlüsselelement der verlängerten Lebensdauer. Das LORCENIS-Forschungsteam entwickelte und validierte einen neuen Modellierungsansatz, der in das technische Softwareinstrument „SEBASTOS“ integriert wurde. Die für den Entwurf erforderliche Rechenzeit wurde erheblich verkürzt. Mit dem Instrument wird beim Konstruieren die Vorhersage und Optimierung des Stahlbetons für stark korrosive Umgebungen unterstützt. Im letzten Projektforschungsjahr wurde das neue Material an Demonstratoren im Pilotmaßstab erprobt, die mit der neuen Betonmischung ausgeführt wurden. In den Tests spiegelten sich die extremen Bedingungen wider, die wahrscheinlich in jedem der vier Umweltszenarien des Projekts anzutreffen sind: Betoninfrastrukturen in der Tiefsee und in (sub-)arktischen Zonen, unter mechanischer Ermüdung, unter thermischer Ermüdung bei hohen Temperaturen und unter Säureangriff. „Unsere Ergebnisse waren hervorragend“, betont Simon. „Das Nanomaterial konnte einen Betonriss vollständig reparieren und hinterließ ihn fest und in gutem Zustand. Wir erreichten außerdem eine dreifach bessere Beständigkeit gegenüber Eisabrieb als bei normalem Beton. Bei Meereswinden und Strömungen ausgesetztem Beton reduzierte die neue Mischung die Chloridkonzentration um den ihn verstärkenden Stahlbeton um 50 %“, so Simon. Zu guter Letzt ergaben die Versuche eine 40 %ige Verbesserung der Fähigkeit zur Selbstreparatur bei Beton unter hydraulischem Druck und bei Rissbreiten von bis zu 0,15 mm. Die Funktionalität des neu entwickelten Betonmaterials wurde verifiziert, wobei der Technologie-Reifegrad von 3 (Nachweis der Funktionstüchtigkeit einer Technologie) bis auf 6/7 (Prototyp in Einsatzumgebung/Prototyp im Einsatz) angehoben wurde. Die LORCENIS-Partner sind neuen Initiativen beigetreten, die sowohl von der EU als auch von nationalen Regierungen finanziert werden, um diese Entwicklung fortzusetzen. Ergebnis von LORCENIS ist Beton, der selbst in extremen Umgebungen gute Leistungseigenschaften zeigt und viel länger hält. Infrastrukturprojekte in diesen Umgebungen werden sich zukünftig besser in die Realität umsetzen lassen.
Schlüsselbegriffe
LORCENIS, Beton, Energieinfrastruktur, Langlebigkeit, extreme Bedingungen, Nanomaterialien