Die Betonflüsterer

Forschungsgruppe der TU simuliert das Altern von Beton an Hochleistungsrechnern

08.04.2020 von

Das EU-weite Forschungsprojekt InnovaConcrete hat sich zum Ziel gesetzt, Materialien und Methoden zu entwickeln, mit denen geschädigte Betonbauwerke saniert werden können, um sie als kulturelles Erbe zu bewahren. Mit dabei: ein Forschungsteam der TU Darmstadt, das mit dem Lichtenberg-Hochleistungsrechner simuliert, wie sich der Werkstoff Beton unter verschiedenen Einflüssen verhält.

Die Jahrhunderthalle in Breslau ist einer der Forschungsgegenstände im Projekt „InnovaConcrete“.

Bauwerke aus Beton sind allgegenwärtig und stehen teilweise –wie die Jahrhunderthalle in Breslau – auf der UNESCO-Liste für Weltkulturerbe. Der Baustoff gilt als robust und langlebig, dennoch unterliegt er Alterungsprozessen. Zunehmend stellt sich die Frage, wie mit maroden Betonbauten verfahren werden soll, denn ein Standardverfahren, mit dem Beton saniert werden kann, gibt es bisher nicht. Trotz des unverwüstlich wirkenden Erscheinungsbilds setzen Witterung, Alterungsprozesse sowie chemische und biologische Einflüsse dem Material im Lauf der Zeit erheblich zu. Das sieht nicht nur unansehnlich aus, sondern gefährdet langfristig auch die Stabilität.

An der Frage, wie sich geschädigte Betonbauwerke am besten sanieren lassen, wird in der Werkstoff-Forschung schon länger gearbeitet. Lösungen werden dabei nicht mehr nur experimentell im Labor gesucht, sondern auch durch theoretische Ansätze mit Hilfe von Simulationen am Computer ermittelt. An der TU Darmstadt kommen zudem sogenannte Multiskalenmodelle zum Einsatz. Das bedeutet, dass mehrere Teilmodelle, die das Werkstoffverhalten von Beton in unterschiedlichen Größenbereichen simulieren, miteinander gekoppelt werden. So lassen sich sowohl mechanische Einflüsse (im Zentimeterbereich), als auch physikalische (auf Mikrometer-Ebene) und chemische Prozesse (im Nanometerbereich), die jeweils unterschiedlich simuliert werden müssen, gemeinsam darstellen.

Ziel ist, mit einem Computermodell das Werkstoffverhalten von Beton zu simulieren, um so Aussagen zum Langzeitverhalten treffen zu können. Dafür wird zunächst das Werkstoffverhalten von „frischem“ Beton simuliert. Darauf aufbauend folgt eine Simulation, wie sich Beton im Lauf der Zeit verändert und „altert“ und typische Schädigungen aufweist. So soll der Zustand historischer Beton-Bauwerke möglichst gut wiedergegeben werden. Zusätzlich soll sich im Modell auch darstellen lassen, ob und wie neuartige Beton-Sanierungsprodukte und -methoden auf Werkstoffebene funktionieren.

„Beton ist kein unveränderlicher Werkstoff, der immer gleich bleibt, sondern es laufen langsam aber kontinuierlich Reaktionen ab“, erklärt Professor Eddie Koenders, Leiter des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen (WiB) der TU Darmstadt. Kohlendioxid, Salze, aber auch Regenwasser und andere Umwelteinflüsse von außen sowie chemische und physikalische Prozesse im Inneren führen dazu, dass Beton seine ursprüngliche Zusammensetzung verändert und mit der Zeit an Festigkeit verliert. Die klassischen Grenzen der Werkstoffkunde hat das Forschungsteam dabei längst hinter sich gelassen.

Simulation von Werkstoffverhalten ist mathematisch komplex

Mit dem EU-Forschungsprojekt „InnovaConcrete“ soll der Erhalt von Betonbauwerken grundsätzlich ermöglicht werden. Dieses ambitionierte Vorhaben macht eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teams aus Wissenschaft und Industrie erforderlich. „Die InnovaConcrete-Gruppen arbeiten multinational und interdisziplinär – sowohl im globalen Projekt, das sich über elf Länder erstreckt, als auch unser Team hier an der TU Darmstadt“, sagt Koenders. „Um das Werkstoffverhalten von Beton am Computer zu simulieren, benötigen wir Wissen aus den Bereichen der Materialwissenschaft, der Chemie, der Physik, der Mathematik und Informatik.“ Studierende sind ebenso am Forschungsprojekt beteiligt wie Promovierende und Post-Docs. „So gelingt es uns, innovativ zu forschen“, sagt Koenders.

Professor Eddie Koenders, Neven Ukrainczyk und Sha Yang (v.li.) forschen in Projekt „InnovaConcrete“. Das Bild entstand vor den Einschränkungen durch das Corona-Virus.

Die Simulation von Werkstoffverhalten mit seiner Vielzahl von Einflüssen ist mathematisch komplex und erfordert viel Rechenkapazität. Die Forschungs- und Simulationsarbeit ist daher auf Partner aufgeteilt, die über Hochleistungsrechner verfügen: Neben der TU Darmstadt sind noch die TU Delft (Niederlande), Tecnalia und das Materials Physics Center (CFM) aus Spanien sowie das belgische Studienzentrum für Kernenergie (SCK∙CEN) am Multiskalenmodell beteiligt. „Das Besondere an dieser Vorgehensweise besteht darin, dass drei unterschiedliche, hoch komplexe Simulationsmodelle aus drei verschiedenen Ländern miteinander kommunizieren müssen“, sagt Eddie Koenders. „Diese Herausforderung haben wir erfolgreich gemeistert.“

Hintergrund: InnovaConcrete – Betonbauwerke als kulturelles Erbe erhalten

Beton ist der Baustoff der Moderne. Seine günstige Herstellung und der nahezu unbegrenzte Formenreichtum revolutionierten die Architektur des 20. Jahrhunderts. Betongebäude, die in den vergangenen Jahrzehnten entstanden sind, prägen das Erscheinungsbild unserer Städte. Trotzdem ist Beton ein Werkstoff, der polarisiert. Von Kritikern wird er als grau und trist wahrgenommen. Besonders in Verruf geraten sind Gebäude, die dem Brutalismus zugeordnet werden, also aus unverputztem Sichtbeton bestehen und eher grob strukturiert sind.

Bauwerke dieser Art sind in Europa massenhaft zu finden – als Wohn- und Industriebauten, als öffentliche Gebäude wie Flughäfen, Bahnhöfe, Stadien und Museen, aber auch als reine Kunstwerke. An vielen dieser Bauten nagt inzwischen der Zahn der Zeit. Auf die Frage „Abreißen oder sanieren?“ gibt es keine einfache Antwort. Für einige dieser Gebäude stellt sich die Frage nicht mehr, weil sie inzwischen unter Denkmalschutz stehen, bei vielen anderen muss früher oder später über den Fortbestand entschieden werden.

Trotz des unverwüstlich wirkenden Erscheinungsbilds von Beton setzen Witterung, Alterungsprozesse sowie chemische und biologische Einflüsse dem Material im Lauf der Zeit erheblich zu. Über feine Risse und Poren in der Betonoberfläche gelangen Wasser, Kohlendioxid und Schadstoffe ins Innere und lösen dabei weitere Reaktionen aus, wobei unter anderem die Stahlbewehrung angegriffen wird und Zementbestandteile ausgewaschen werden. Bei der Sanierung von Betonbauten geht es also nicht nur um Ästhetik, sondern auch um Sicherheit.

Mit dem Forschungsprojekt InnovaConcrete soll der Erhalt von Betonbauwerken grundsätzlich ermöglicht werden. Dieses ambitionierte Vorhaben macht eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teams aus Wissenschaft und Industrie erforderlich. Gefördert mit Mitteln des EU-Programms „Horizon 2020“ haben sich unter Leitung der Universität Cádiz (Spanien) 29 Partner aus elf Ländern für einen Zeitraum von drei Jahren zusammengeschlossen.

Wissenschaftlich entwickelt und untersucht werden dabei verschiedene innovative Methoden und Materialien, die Alterungs- und Schädigungsprozesse von Beton aufhalten sollen, zum Beispiel mit Produkten, die auf die Betonoberfläche aufgebracht werden, um sie besonders wasserabweisend zu machen, mit speziellen Gelen, mit denen sich Risse im Beton verschließen lassen, mit selbstheilenden Materialien auf biotechnologischer Basis, die in den geschädigten Beton eingebracht werden oder durch Beschichtung des Betons mit Nanopartikeln.

Die Forschungsarbeit verteilt sich dabei auf verschiedene interdisziplinäre Arbeitsgruppen. Zunächst wird dabei das Werkstoffverhalten von Beton in einem Multiskalenmodell simuliert, um theoretisch zu bestimmen, wie Beton altert. Dies wird von der TU Darmstadt verantwortet und mit Partnern an Hochleistungsrechnern modelliert. Um die simulierten Ergebnisse zu kalibrieren, werden von den ausgewählten Denkmälern Proben des real gealterten Betons entnommen und mit dem Multiskalenmodell abgeglichen. Mit einer anschließenden Simulation soll nun – wiederum theoretisch – bestimmt werden, welche Behandlung für geschädigten Beton den meisten Erfolg verspricht. Eine weitere Arbeitsgruppe ist mit der Entwicklung und Synthese der neuen Materialien befasst, deren Ergebnisse in das Multiskalenmodell einfließen. Die so ermittelten neuen Produkte sollen dann schließlich an den ausgewählten Denkmälern getestet werden.

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