Forschungsprojekte

ZIM-PROJEKT: BRISANT – CHLORIDBARRIERE

Schwere Schädigungen an Brücken, Parkanlagen oder auch Meeresbauwerken sind in Deutschland zahlreich vertreten und auf den Chlorideintrag zurückzuführen. Daher freut sich der Lehrstuhl Werkstoffe des Bauwesens Teil eines Verbundprojektes zu sein, das zum Ziel hat, eine innovative Chloridbarriere zu entwickeln. Fünf Projektpartner arbeiten gemeinsam daran, durch Carbon-Mörtel junge und neue Stahlbetonbauwerke vor chloridinduzierter Korrosion zu schützen.

Heutzutage ist es eine Möglichkeit den Kathodischen Korrosionsschutz (KKS) gegen Chloridinduzierte Bewehrungskorrosion einzusetzen. Dabei wird durch Strom verhindert, dass Chloride an die Bewehrungsstahloberfläche gelangen. Jedoch geht das Verfahren mit einem hohen Energieverbrauch und Wartungsaufwand einher, wodurch die Umsetzung vergleichsweise kostenintensiv ist. Daher umfasst das Teilprojekt der TU Dortmund die Entwicklung elektrisch leitfähiger Carbon-Mörtel. Durch die Verwendung von leitfähigen Mörteln soll die Einspeisespannung erheblich gesenkt und durch dessen homogene Verteilung eine vollflächige Anode erzeugt werden.

Um für diesen Einsatzzweck den optimalen Carbon-Mörtel zu erforschen, wird die Mischungszusammensetzung stetig verändert. Sowohl die Carbonfasergeometrien als auch der Fasergehalt sind wechselnde Parameter. Es wurde bereits festgestellt, dass die Verwendung von Carbonfasern die Verarbeitbarkeit maßgeblich negativ beeinflusst. Daher werden ebenfalls unterschiedliche Sieblinien und Mörtelzusammensetzungen verwendet, um eine geeignete Konsistenz zu erhalten.

Da die Materialeigenschaften von den oben genannten Einflussparametern bestimmt werden, ermittelt der Lehrstuhl WdB zum einen die physikalischen und mechanischen Kennwerte. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Carbon-Mörtelzusammensetzung und Rissverhalten sowie Wassertransport- und Austrocknungsverhalten untersucht.

Der elektrisch leitfähige Carbon-Mörtel soll durch Spritzen auf die Stahlbetonflächen vollflächig appliziert werden. Anschließend können an dem aufgebrachten Spritzmörtel Versuche zur Frost-Tau-Wechselbeanspruchung durchgeführt werden.

Im großen Feldversuch wird das Verarbeitungs- und Materialverhalten genauer betrachtet, um eine letzte Optimierung der Mörtel vorzunehmen, sodass abschließend eine Empfehlung für die Verwendung eines Carbon-Mörtels mit Chloridbarrierefunktion gegeben werden kann.

Unsere Kooperationspartner im Projekt sind: Fachhochschule Münster, Massenberg GmbH, InstaKorr GmbH und Mitsubishi Chemical Advanced Materials GmbH (carboNXT)

Projektlaufzeit: 01.06.2021 bis 01.06.2023

ERHALTUNG VON BETONBAUWERKEN DER HOCHMODERNEN

Projektteam:

Institut für Steinkonservierung e.V. (IFS), Hochschule RheinMain (Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen), Universität Kassel (Institut für konstruktiven Ingenieurbau (IKI), Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie), Technische Universität Dortmund (Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen, Lehrstuhl Werkstoffe des Bauwesens)

Dieses Projekt ist Teil des Schwerpunktprogramms 2255 „Kulturerbe Konstruktion – Grundlagen einer ingenieurwissenschaftlich fundierten und vernetzten Denkmalpflege für das bauliche Erbe der Hochmoderne“, welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.Es wird gemeinsam mit dem Institut für Steinkonservierung e.V. (IFS), dem Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain und dem Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie der Universität Kassel (Institut für konstruktiven Ingenieurbau (IKI)) durchgeführt.

Infolge des technologischen und kulturellen Wandels in der Zeit der Hochmoderne entstand von der Wende zum 20 Jahrhundert bis in die 1970er Jahre hinein eine große Anzahl neuer Bauwerke. Die Entwicklung der Baukonstruktionen dieser Zeit geht einher mit verschiedenen Materialentwicklungen, insbesondere im Bereich der Betontechnologie. Gerade im Stahlbetonbau wird deutlich, dass Baukonstruktion, Bautechnik und Baumaterial untrennbar miteinander verbunden sind.

Hier setzt das aus den Bereichen Denkmalpflege, Baukonstruktion und Materialwissenschaften bestehende Projektteam an. Anhand von Fallbeispielen kulturhistorisch bedeutender Stahlbetonbauwerke der Hochmoderne werden deren Baukonstruktion, Bautechnik und Baumaterialien im Kontext ihrer Entstehungszeit ganzheitlich untersucht und auf dessen Grundlage objektspezifische Erhaltungs- und Instandsetzungsstrategien entwickelt und exemplarisch erprobt.

 Dabei werden mehrere Hauptziele verfolgt:

• Erfassung der Baukonstruktionen, der eingesetzten Baustoffe und Schutzsysteme an den Modellobjekten unter besonderer Berücksichtigung ihrer baukonstruktiven, architektonischen und denkmalpflegerischen Besonderheiten mittels hauptsächlich zerstörungsfreien Prüfmethoden (wie NMR-Messtechnik, Georadar und Drohnentechnik).
• Zusammenführung der denkmalpflegerischen, technikgeschichtlichen, baukonstruktiven und materialkundlichen Bewertungen aller Beteiligten, als Basis zur Definierung von objektspezifischen Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen.
• Entwicklung von Methoden und Materialien zur denkmalgerechten, substanzschonenden Instandsetzung von Betonstrukturen und –oberflächen mittels modernster betontechnologischer Ansätze (eigenschafts- und strukturoptimierte Instandsetzungsbetone, Instandsetzungsmaterialien mit textiler Bewehrung zur konstruktiven Ertüchtigung und zum Schutz der Konstruktion, Hydrophobierungen als Oberflächenschutz) sowie Applikation und Testdurchführung am Objekt inkl. Langzeitbeobachtung.

Auf Grundlage der Objektbearbeitung und im projektübergreifenden Austausch mit anderen, mit Betonbauwerken befassten, Arbeitsgruppen des Schwerpunktprogramms sollen allgemeine Handlungsstrategien zum Umgang mit Betonbauwerken der Hochmoderne und deren Erhaltung formuliert werden.

Projektlaufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2023

NATURSTEININSTANDSETZUNG

Natursteine werden im Laufe ihrer Nutzungsdauer als Baumaterial, abhängig ihrer individuellen petrographischen und petrophysikalischen Eigenschaften, vorhandener Konservierungsmaßnahmen, sowie der vorliegenden Beanspruchungs- und Verwitterungsart, unterschiedlich stark von Umweltfaktoren beeinflusst. Dies kann eine fortschreitende Steinschädigung, bis hin zum Steinzerfall, zur Folge haben. Aus restauratorischer und denkmalpflegerischer Sicht sind, neben einer ganzheitlichen Analyse auftretender Verwitterungserscheinungen, Kenntnisse bezüglich einer substanzschonenden Instandsetzung und deren schrittweiser Umsetzung von entscheidender Bedeutung.

Das Ziel des Projekts ist die Klärung des optimalen Umgangs mit hydrophobierten, verwitterten Natursteinfassaden und -objekten. Dazu wird an hydrophobierten Natursteinproben, welche bis zu 30 Jahre freibewittert wurden, zunächst eine eingehende Schadensanalyse durchgeführt. Danach erfolgt eine substanzschonende Reinigung der Proben, sowie, falls notwendig, eine Nachhydrophobierung mit auf die Steinsorten, sowie den jetzigen Stand der Technik angepassten Mitteln. Nach jedem Teilschritt der Instandsetzung werden die Veränderungen auf das Gestein mittels hauptsächlich zerstörungsfreier Prüfmethoden untersucht und bewertet. So werden zur Detektion der Oberflächenveränderungen Farb- und Strukturmessungen durchgeführt und die Auswirkungen der Instandsetzung auf das oberflächennahe Porengefüge mittels Wasseraufnahmetests und Kernspinresonanz-Messungen (NMR) untersucht. Eine Charakterisierung von Porenstrukturen mittels NMR soll in diesem Zusammenhang weiter erforscht und auf deren Einsatzmöglichkeiten überprüft werden.

Projektlaufzeit: 01.04.2022 – 01.04.2025

NATURSTEINREINIGUNG

Eine Mehrzahl der in Deutschland vorhandenen Baudenkmäler sind Natursteinobjekte. Die Erhaltung dieser kulturhistorisch bedeutsamen Bausubstanz ist ein zentrales Anliegen unserer Gesellschaft. Eine substanzschonende und zugleich zielführende Reinigung der Natursteinoberflächen unserer Baudenkmale kann zum Erhalt von Bausubstanz und Werksteinen einen wichtigen Beitrag leisten.

Das Projekt verfolgt das Ziel unterschiedliche Methoden zur Oberflächen- und Tiefenreinigung von langzeitbewitterten Natursteinen parameterbezogen zu evaluieren und auf deren Gebrauchstauglichkeit zu testen. Dabei soll ein optimaler Kompromiss zwischen Erhalt der Originalsubstanz, der Wiederherstellung ursprünglicher feuchtetechnischer Steineigenschaften und der Verbesserung der ästhetischen Bauwerkswirkung geschaffen werden. Dazu werden bei der Durchführung der Reinigung gezielt Parameter (u. a. Strahlmittel, Druck, Temperatur, Abstand) variiert und steinabhängig (vorhandene Steinart, verschiedene Schäden) evaluiert. Zur Bewertung des Reinigungserfolgs wird, neben konventionellen Messmethoden, auch einseitige Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um das oberflächennahe Porengefüge über die Tiefe zu mappen und mit der im Gestein vorhandenen Feuchteverteilung zu korrelieren.

Projektlaufzeit: 01.02.2022 – 01.02.2023

Gipsbauplatten haben mit einer Produktion von über 233 Mio. m² pro Jahr in Deutschland einen maßgebenden Einfluss auf den Gipsverbrauch. Die Verfügbarkeit von Gips nimmt mit der zunehmenden Schließung von Kohlekraftwerken (80 % sind REA-Gips) und der sinkenden Verfügbarkeit aus Primärlagerstätten drastisch ab. Somit ist eine alternative Bauweise zur Errichtung nichttragender Innenwände mit geringem CO₂-Footprint sowie Energiebedarf zur Herstellung unter Nutzung regionaler und nachwachsender Materialressourcen dringend erforderlich.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen Beitrag zur ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft und zur Ressourcenschonung zu leisten. Gleichzeitig zielt das Projekt darauf ab, bautechnische Verbesserungen zur Einsparung des betrieblichen Energiebedarfs im Neu- und Bestandbau zu erreichen.

Das Forschungsvorhaben untersucht die Entwicklung von Hochlochlehmbausteinen zum einen auf Werkstoffebene, als auch im Hinblick auf die baukonstruktiven Anforderungen. Dabei werden sowohl materialtechnische Eigenschaften im Hinblick auf die Realisierung eines maßhaltigen, dauerhaften und kreislauffähigen Produkts durch den Einsatz natürlicher, nachhaltiger Zusatzstoffe betrachtet, als auch die Fügung der Bausteine, Montage, Verputzen und Rückbau sowie architektonische Gestaltungsmöglichkeiten.

Der Baustoff Lehm birgt ein hohes Kreislaufpotential. Um den drängenden Fragen nach zukunftsfähigen Lösungsansätzen im Bauen nachzukommen, wird eine alternative Herangehensweise zur konventionellen Trockenbauwand auf Grundlage einer ressourcensparenden, zirkulären Bauweise etabliert.

Dieses Projekt wird bearbeitet in Kooperation mit: Professur Entwerfen und Konstruieren, Nachhaltiges Bauen der Hochschule Bochum, Lehrstuhl für Baumechanik, Statik und Dynamik der TU Dortmund, Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e.V. und Lücking GmbH & Co KG

Dieses Projekt wurde gefördert vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung im Auftrag des Bundesministeriums für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen aus Mitteln der Zukunft Bau Forschungsförderung