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Polymere machen Hochleistungsbeton feuerbeständig

Wissenschaftler der Empa haben ein Verfahren zur Herstellung von feuerbeständigem selbstverdichtenden Hochleistungsbeton entwickelt, der auch im Brandfall länger stabil bleibt. Die Empa ist das interdisziplinäre Forschungsinstitut des Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) und versteht sich als Vermittler zwischen Forschung und Praxis. Das Institut erarbeitet Lösungen für die Herausforderungen von Industrie und Gesellschaft in den Bereichen nanostrukturierte, smarte Materialien und Oberflächen, Umwelt-, Energie- und nachhaltige Gebäudetechnologien sowie Bio- und Medizintechnologien.

Die Widerstandsfähigkeit von Beton gegen die Hitze lässt sich bei herkömmlichem Rüttelbeton durch die Beimischung von einigen Kilogramm Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) pro Kubikmeter Beton optimieren. Bei einem Brand schmelzen diese Fasern und durchziehen den Beton mit einem Netzwerk von Kanälen durch die der Wasserdampf entweichen kann. Durch den Druckausgleich bleibt die Betonstruktur stabil. Nicht so bei selbstverdichtendem Hochleistungsbeton. Mischt man SHB mehr als zwei Kilogramm PP-Fasern pro Kubikmeter bei, beeinträchtigen diese die Selbstverdichtungseigenschaft. Bei einer relativ geringen Beimischung ist jedoch nicht garantiert, dass sich im Falle eines Brandes auch wirklich ein funktionierendes Kanalsystem für den Druckausgleich bilden kann.

Um die Tragfähigkeit des SHB nun auch im Brandfall zu verlängern, haben die Wissenschaftler der Abteilungen »Beton/Bauchemie« und »Mechanical Systems Engineering« das Material zusätzlich mit superabsorbierenden Polymeren (SAP) angereichert. Für die Tests stellten sie eine Serie dünnwandiger, mit Drähten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff vorgespannter Betonplatten her. Jede enthielt zwei Kilogramm PP-Fasern pro Kubikmeter Beton. In einige Platten mischten die Forscher zudem eine geringe Menge der superabsorbierenden Polymere. Die Spezialkunststoffe können ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen und mindern als Betonzusatzmittel die Rissbildungsgefahr. SAP saugen sich während der Betonproduktion mit Wasser voll und schwellen um ein Mehrfaches ihres Trockenvolumens an. Beim Aushärten des Betons wird das Wasser durch den Sog der kapillaren Poren im Zementstein wieder entzogen; die SAP schrumpfen und es entsteht ein Hohlraum. Dieser verbindet die voneinander getrennten PP-Fasern. Ein Netz von SAP und PP-Fasern verästelt sich im Bauteil, sodass dieses der Hitze eines Feuers lange genug widersteht und das Bauwerk stabil bleibt.

In einer einfachen Testsituation haben die Forscher nun mithilfe eines Heizstrahlers Betonelemente getestet, die mit SAP angereichert wurden. Nach 90 Minuten simulierter Brandsituation mit Temperaturen von bis zu 1000°C zeigte sich: An der Oberfläche des Bauteils mit SAP kam es zwar zu Verfärbungen, nicht aber zu Abplatzungen wie bei den SAP-freien Betonplatten. Der bisherige Konflikt für Betonanwender zwischen Feuerfestigkeit und Selbstverdichtungseigenschaften abwägen zu müssen, könnte somit also ein Ende gefunden haben.

Mit ihrer Innovation erweitern die Empa-Forscher auch die Möglichkeiten, die ökonomischen und ökologischen Vorzüge von SHB zu nutzen. Das zum Patent angemeldete Verfahren erlaubt etwa den Einsatz von SHB ohne Zusatzkosten für den Brandschutz. Bis danhin konnte dieser nur gewährleistet werden, wenn beispielsweise eine Sprinkleranlage installiert oder ein externer Insolationsmantel hinzugebaut wurde. Doch der neue SHB bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Beim Verdichten von herkömmlichem Rüttelbeton erzeugt die Rüttelmaschine einen erheblichen Lärm. Bauunternehmer können die Lärmbelastung tief halten, indem sie anstelle von Rüttelbeton den nun gleichermaßen feuerresistenten, mit SAP angereicherten selbstverdichtenden Hochleistungsbeton verwenden, erklären die Wissenschaftler der Empa die weiteren Vorteile.

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