Ultra High Performance Concrete

Hochleistungsbeton - Neue Technologien Teil 3

Beton als Baumaterial und Werkstoff hat eher ein langweiliges Image. Beton ist nicht high tech wie Carbonfasern, oder sexy wie Titan, sondern überall präsent und hält scheinbar keine Überraschungen bereit. Das stimmt jedoch nicht ganz. In den letzten zehn Jahren gab es wichtige Entwicklungen beim Beton hin zu einem High-Tech-Werkstoff. Baustoffentwickler sind dabei, Beton mit immer höherer Druckfestigkeit zu entwickeln. Dieser Beton wird als Hochleistungsbeton oder "Ultra High Performance Concrete" (UHPC) bezeichnet und hat besondere Eigenschaften, wie Dichtheit und besseren Widerstand gegen chemische und mechanische Belastungen. (Quelle: www.beton.org)

Die Professoren M. Schmidt und E. Fehling erläutern die Eigenschaften von UHPC folgendermaßen: (zitiert nach: "Ultra-Hochfester Beton - Perspektive für die Betonfertigteilindustrie" bei six4.bauverlag.de) Hochleistungsbeton besitzt kaum noch Kapillarporen. Mit geeigneten Verflüssigern kann er von erdfeucht bis selbstverdichtend hergestellt werden  Die besonderen Eigenschaften des Hochleistungsbetons beruhen auf folgenden Faktoren:

• einem niedrigen Wasser-Zement-Verhältnis zwischen 0,20 und 0,30,
• einem hohen Feststoffgehalt des Zementsteins durch Zugabe geeigneter mineralischer Zusatzstoffe,
• einer hohen Packungsdichte des Feststoffs, verbunden mit einem niedrigen Wasseranspruch des Frischbetons und einer besonders niedrigen Porosität des Festbetons,
• geeigneten Maßnahmen für eine ausreichende Duktilität bei Druck-, Zug- oder Biegezugbeanspruchung.

Mit Hochleistungsbeton können hoch tragfähige und gleichzeitig besonders leichte und filigrane Bauwerke errichtet werden. Aufgrund des geringen Eigengewichtes sind weitere Spannweiten möglich, z. B. bei Brücken (siehe Abbildung).

 Abbildung: Brücke über die Fulda aus Hochleistungsbeton (Quelle: Wikimedia Commons)

Über die Funktionalisierung der Oberfläche von Hochleistungsbeton berichtete kürzlich Dr.-Ing. Patrick Fontana in der GIT Labor-Fachzeitschrift (8, 2016, Seiten 36-38). Darin erklärt er unter anderem, dass die hohe Packungsdichte und die besonderen Eigenschaften des Frischbetons eine Funktionalisierung der Oberfläche ermöglichen. Nahezu beliebige Mikrostrukturen können an der Oberfläche von UHPC erzeugt werden. So werden zum Beispiel Fassadenelemente aus Hochleistungsbeton bereits bei der Herstellung im Betonfertigteilwerk mit selbstreinigenden Oberflächen ausgestattet. Dabei wird der wasserabweisende Effekt von Pflanzenblättern imitiert. Dieser sogenannt Lotuseffekt beruht darauf, dass durch eine spezielle Mikrostruktur auf der Oberfläche in Kombination mit einer chemischen Hydrophobierung die Benetzbarkeit mit Wasser so gering wird, dass Wassertropfen sehr leicht abperlen und dabei Schmutzpartikel von der Oberfläche aufnehmen und entfernen. Eine Publikation die dieses Verfahren dokumentiert finden Sie hier: M. Horgnies, J.J. Chen, "Superhydrophobic concrete surfaces with integrated microtexture" Cement and Concrete Composites, 52 (2014) 81-90.
Weiter erläutert  Patrick Fontana, dass die Verwendung von technischen Textilien, die in die Betonschalung eingelegt werden, eine sehr viel einfachere Methode für die Mikrostrukturierung darstellt. Dabei wird ebenfalls eine selbstreinigende Betonoberfläche erzeugt. (K. Malaga, A. Lundahl, M. A. Kargol: Use of technical textile to obtain sustainable easy to clean concrete surface. Proc. Hydrophobe VI, 6th Int. Conf. on Water Repellent Treatment of Building Materials, Rome 2011, pp. 181-188.) Diese Methode wird in dem von der EU geförderten Forschungsprojekt H-House ("Healthier Life with Eco-Innovative Components for Housing Constructions") weiter verfolgt.

 Weiterführende Links:

• Hochleistungsbeton bei www.beton.org
• Ultrahochfester Beton bei Wikipedia 
• Maschinenbauteile aus Ultra High Performance Concrete bei durcrete.de 
• Maschinenbauteile aus UHPC bei Sudholt-Wasemann

New Technologies - Part 2

Brennstoff für Raketen drucken

Ein Startup-Unternehmen aus Singapore hat erfolgreich eine Rakete gestartet, deren Brennstoff aus dem 3D-Drucker kommt. So berichtete die "Strait Times" im August 2016. Gedruckt wurden zwei Komponenten eines Festbrennstoffs mit einem speziellen 3D-Drucker. Welche Komponenten dies sind und die Details des Druckverfahrens sind Geschäftsgeheimnisse der Firma.  Die Firma erhält finanzielle Untertützung der National Research Foundation von Singapore. Die Firma will  Raketen entwickeln, die Satelliten für ca. 5 Millionen US-Dollar in die Erdumlaufbahn bringen kann. Gegenwärtig kostet es 15 Millionen US-Dollar einen Satelliten in den Orbit zu schicken.  

Auf der Webseite des World Economic Forums werden die verschiedenen zukunftsträchtigen Anwendungen des 3D-Drucks für die Weltraumtechnologie beleuchtet (Überschrift: "Why 3D printing is taking off in space"):

• 3D-Druck im Weltraum unter den besonderen Bedingungen der Schwerelosigkeit
• 3D-Druck im Weltraum um benötigte Bauteile selbst herzustellen
• 3D-Druck von Raketen und Raketenbauteilen
• 4D-Druck für sich selbst anpassende oder veränderbare Bauteile 

Allerdings wird dort in dem Artikel auch darauf hingewiesen, dass diese Technologie  zu langsam für die Massenproduktion ist und die Genauigkeit bei der Herstellung der Bauteile noch verbessert werden muss. Der Originalartikel zu diesem Thema mit zahlreichen Illustrationen erschien zuerst auf der Webseite TheConversation.com.
Ganz eigene Gedanken über den 3D-Druck macht sich "Nukeklaus" in einem Blogeintrag mit der Überschrift "3D-Drucker und die Bombe".

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Hier noch mehr Anregungen für den 3D-Druck: "17 Incredible 3D Printed Objects"

New Technologies - Part 1

PowerPaste - Strom immer und überall

So verspricht es eine Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden. Die originelle Idee der Wissenschaftler besteht darin, das energiereiche Magnesiumhydrid mit einem geeigneten Material zu einer Paste zu verarbeiten. Wird diese Paste in Wasser gegeben, so entsteht Wasserstoff. In geeigneter Kombination mit einer Brennstoffzelle kann aus dieser Paste Strom gewonnen werden. Folgendes Schema beschreibt die ablaufenden Reaktionen:

MgH₂-Paste   +  Wasser  Wasserstoff   +   Mg(OH)₂

Wasserstoff   +   Sauerstoff in Brennstoffzelle  Wasser   + Strom

Weiter heisst es in der Pressemitteilung: "Die völlig ungiftige und sichere PowerPaste zeichnet sichdurch eine sehr hohe Energiedichte bezogen auf Gewicht und Volumen sowie durch eine extrem lange Haltbarkeit aus. In Zukunft wird die PowerPaste in handelsüblichen Wechselkartuschen erhältlich sein. Der Energiegehalt der Paste beträgt mehr als das Zehnfache heutiger Lithium-Ionen-Batterien. Ein langwieriges Wiederaufladen ist nicht erforderlich, denn zur dauerhaften Stromerzeugung können beliebig viele Kartuschen nacheinander zum Einsatz kommen." Die Paste wurde zum Patent angemeldet.

"Fraunhofer-Energiepaste spendet Strom für den Urlaub" so titelt sehr optimistisch und weit in die Zukunft hinaus blickend die Webseiter Oiger. Welche Anwendungen Terroristen für die Energiepaste finden könnten, wage ich mir gar nicht auszumalen. Noch mehr Informationen über die Forschungsarbeiten Dresdner Wissenschaftler zu verschiedenen Möglichkeiten der Energiespeicherung gibt es hier.