Auf Nano können Sie bauen
VDI nachrichten, Düsseldorf, 20. 7. 07, rok – Die Nanotechnologie brummt. 4 Mrd. $ pro Jahr investieren Nanotechfirmen nach Angaben des VDI-Technologiezentrums weltweit. Das Marktvolumen für Nanoprodukte liegt bei rund 100 Mrd. $. Auch in sogenannten Lowtechbranchen wie der Bauindustrie spielt die neue Schlüsseltechnologie eine immer wichtigere Rolle.
Das Beispiel Beton macht es deutlich: Mit 3 Mrd. m3 bis 4 Mrd. m3 pro Jahr sei dieser Baustoff volumenmäßig das wichtigste vom Menschen produzierte Wirtschaftsgut, erklärt der Experte für Werkstoffe des Bauwesens an der TU Kassel, Michael Schmidt. Der Einsatz von Nanotechnologie kann, so der Professor, den Beton so fest machen, dass am Ende deutlich weniger Material gebraucht wird. Dies eröffnet nicht nur Statikern neue Möglichkeiten, sondern hat auch positive Folgen für die Umwelt, weil der bei der Betonherstellung auftretende CO2-Ausstoß zurückgeht.
„Wir gehen den Weg in einen neuen Zukunftswerkstoff“, ist Schmidt sicher. Zement und Beton seien „geborene Nanobereiche“, Schmidt und der Kasseler Massivbauspezialist Ekkehard Fehling machen sich die Instrumente der Nanotechnologie zunutze, um einen ultrahochfesten, stahlähnlichen Beton zu entwickeln, der irgendwann eine Druckfestigkeit von bis zu 1000 N/mm2 aufweisen soll. „Wir konnten bislang nur in den Mikrobereich schauen“, erklärt Schmidt.
Neue Geräte wie das Rasterkraftmikroskop machen es nun möglich, das Verhalten der Zementkristalle bereits im Nanobereich zu beobachten und zu beeinflussen. So können chemische Zusatzmittel wie Polymere an die Teilchen „andocken“, als Abstandhalter fungieren und damit die Verarbeitung verbessern. Wenn man die neuen nanotechnologischen Möglichkeiten konsequent nutzt, entsteht nach Schmidts Worten ein gegen CO2, Säure und Sulfate widerstandsfähiger Beton mit Keramikeigenschaften, in dem feine Stahlfasern für Stabilität und Duktilität sorgen.
Mehr als 200 N/mm2 Druckfestigkeit weist dieser ultrahochfeste Beton auf – das fünffache normalen Betons. Zum Einsatz gekommen ist der nanooptimierte Baustoff in der am 11. 7. eröffneten Gärtnerplatzbrücke in Kassel, der ersten Fertigteilverbundbrücke in Europa aus Ultrahochleistungsbeton und der ersten Brücke weltweit, bei der tragende Teile miteinander verklebt sind.
Die 72 Betonplatten sind nur 8,5 cm dick – rund ein Drittel einer üblichen Baukonstruktion. Nach Schmidts Angaben wurden 60 % weniger Rohstoffe verbaut. Es entstanden bis zu 40 % weniger Emissionen. Von einem „Quantensprung im Betonbau“, spricht ELO-Geschäftsführer Eberhard Bauer. Das Unternehmen hat die Fertigteile für die Brücke geliefert, die über rund 140 m Länge und 5 m Breite über die Fulda gespannt ist. Rund 1,8 Mio. € hat die Gärtnerplatzbrücke nach Bauers Angaben gekostet. Sie sei damit nicht wesentlich teurer geworden als eine Stahlkonstruktion, obwohl der verwendete ultrahochfeste Beton mit bis zu 700 €/m3 rund siebenmal teurer sei als normaler Beton.
Die Brücke soll beweisen, dass der in Kassel entwickelte Beton für den Großeinsatz geeignet ist. Laut Bauer ist das Material der ideale Baustoff für weitgespannte Brückenbauten wie für Hallen, Schalenbauten und hochbelastete Stützen. Mehr als 80 an die Brücke angebaute Messeinrichtungen sollen in den nächsten zehn Jahren Daten über das Langzeit-Verhalten des neuen Werkstoffs an die Universität liefern. Durch den Einsatz reaktiver Nanopartikel aus reiner Kieselsäure könnte, so Schmidts Vorstellung, das Betongefüge noch dichter werden. Sogenanntes Nanosilica könne die Nanoporen noch weiter füllen, mit dem freien Kalk des Zementes reagieren und die Kristallstruktur weiter verfestigen.
Während die Nanobetons noch am Anfang ihrer Entwicklung stehen, gibt es zum Schutz und zur langfristigen Erhaltung von Gebäudeaußenflächen bereits breiter einsatzfähige Nanoprodukte. Das Marktpotenzial ist groß. Allein Bauschäden, die Mikroorganismen an Fassadenoberflächen verursachen, beziffert Wolfgang Luther vom VDI-Technologiezentrum auf 2 Mrd. € bis 4 Mrd. € pro Jahr. Sogenannte Nanofarben können Fassaden auf verschiedenen Wegen vor Schmutz und Verfärbungen schützen. Am bekanntesten ist der Lotuseffekt, ein Selbstreinigungsmechanismus, der durch eine wasserabweisende Fassadenoberfläche erzeugt wird und dafür sorgt, dass Wasser und Schmutz abperlen.
Auf superhydrophile, wasseranziehende, Eigenschaften setzt zum Beispiel die BASF. Das Chemieunternehmen hat in diesem Frühjahr eine neue Bindemittelgeneration auf den Markt gebracht, die anorganische Nanopartikel mit organischen Polymerteilchen kombiniert. Die hieraus entstehende Nanokompositdispersion sorgt für einen Fassadenanstrich, der zugleich hart, atmungsaktiv, elastisch und wasserabweisend und dadurch extrem witterungsbeständig ist.
Auf den deutschen Markt drängen, so Luther, zunehmend auch Wandfarben, Tonziegel, Fliesen und Flachglas, die eine photokatalytische Beschichtung aus nanoskaligem Titandioxid haben. Auf einer solchen Oberfläche zersetzt das Sonnenlicht organische Materialien und erzeugt damit ebenfalls einen Selbstreinigungseffekt.
Die meisten Nanotechnologie-Anwendungen im Bausektor befinden sich derzeit allerdings noch im Prototypstadium. Die Branchenverbände, weiß Luther, zeigen sich der neuen Technologie gegenüber aufgeschlossen. Gleichwohl sind in seinen Augen abgestimmte Fördermaßnahmen und ein Dialog über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg notwendig, um Akzeptanz in der Breite zu schaffen.
Für die Schaffung eines großen Marktes, erklärt Baustoffexperte Schmidt für seinen Bereich, seien weitere Erkenntnisse über das Langzeitverhalten des neuen ultrahochfesten Betons notwendig, die nun an der Gärtnerplatzbrücke gesammelt werden könnten. Für diesen Baustoff gibt es zudem noch keine einheitlichen Normen und mit einer bautechnischen Richtlinie, die die Vermarktung erleichtern würde, rechnet der Wissenschaftler erst in fünf Jahren. JUTTA WITTE
Stahlfasern geben Stabilität und Duktilität
Nanosilica sollen Poren im Beton füllen
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