Nanotechnologie bei Großbauwerken

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Ultra High Perfomance Concrete (UHPC)
2.1 Definition, Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften von UHPC
2.2 Anwendungsmöglichkeiten des UHPC in Theorie und Realität

3. Selbstreinigende und umweltfreundliche Oberflächen
3.1 Selbstreinigung durch Ausnutzung des Lotus-Effekts
3.2 Weitere Beispiele für intelligente Nanooberflächen

4. Fazit zur Bedeutung der Nanotechnik bei Großbauwerken mit Zukunftsausblick

A. Bilder, Diagramme und Abbildungen

B. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Beim Bau eines Wolkenkratzers steht der jeweils leitende Bauingenieur zunächst vor Grundfragen wie: Wie wird erreicht, dass das Gebäude auch bei schwersten Stürmen nicht umfällt? oder Wie können wir unsere Baustelle möglichst sicher gestalten?. Diese Probleme werden z.B. durch die Methoden der Statik und Mathematik gelöst.

Allerdings präsentieren sich dem leitenden Bauingenieur im Anschluss weitere Vorgaben und Hürden, mit deren Lösung sich die Nanotechnologie beschäftigt.

Unter anderem diese Wissenschaft, die sich mit den kleinen Teilchen mit einer maximalen Größe von 100 Nanometern, was 10-[7]m entspricht, beschäftigt, ermöglicht es, klimafreundlich, ästhetisch und zweckgemäß zu bauen.

Dass sie trotz ihres noch sehr geringen Alters ein zuverlässiges, praktisches Arbeiten und Anwenden ermöglicht, zeigen sowohl zahlreiche Einflüsse von Wissenschaften wie der Physik und der Chemie auf die Nanotechnologie, als auch die vielfältige Anwendung von Nanotechnik in unserem Leben.

So wird Nanotechnologie beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie eingesetzt, um Trinkwasser zu reinigen. Auch können Getränke gefärbt werden, um einen besonderen ästhetischen Anreiz zu verschaffen.

Des Weiteren findet Nanotechnik Anwendung in der Medizin, wie zum Beispiel bei der Krebstherapie oder dem so genannten Tissue Engineering, also der Gewebezüchtung. Auch in Computern, Kleidung und Brillengläsern kommen Nanomaterialien zum Einsatz.

Letztendlich konnte die Nanotechnik, die erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wirklich bekannt wurde, auch den Bereich des Bauwesens erobern. Heute erfüllt sie dabei vielfältige Aufgaben, sodass sie in zahlreichen riesigen Gebäuden, wie z.B. Wolkenkratzern, vorhanden ist - auch wenn man sie nicht sieht.

Im Folgenden sollen Zielsetzungen und Funktionsprinzipien der Nanotechnologie bei Großbauwerken anhand von verschiedenen Beispielen beleuchtet werden. Dabei werden zum einen ihre Vorteile genannt, gezeigt und erläutert, aber auch mögliche Probleme aufgezeigt und Bezug auf den aktuellen Stand der Technik genommen.

2. Ultra High Performance Concrete (UHPCÌ 2.1 Definition, Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften von UHPC

UHPC ist ein besonders harter Beton, welcher sowohl in feiner als auch in grobkörniger Konsistenz existiert und dessen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten aus besonderen physikalischen Eigenschaften resultieren. Diese Eigenschaften wiederum ergeben sich durch die besondere Zusammensetzung des Betons. Die so genannte Kasseler Mischung (vgl. Anhang, Abbildung 6) besteht neben den Grundkomponenten Zement und Wasser aus den mikroskopisch kleinen Materialien Basaltsand, Quarzmehl und Silikastaub. Zusätzlich werden dem Ultrahochleistungsbeton Stahlfasern beigemischt, um die Druckfestigkeit des Baustoffes weiter zu erhöhen und ihn besser verformbar zu machen. Diese Druckfestigkeit „ist der Widerstand, den dieser [der jeweilige Gegenstand] einer einwirkenden Kraft entgegensetzen kann, ohne zu versagen. Die Druckfestigkeit ist der

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Wie aber lässt sich diese hohe Druckfestigkeit des Materials erreichen?

Grundlegend hierfür ist, dass poröse Materialien zu einer geringeren Druckfestigkeit führen, was bedeutet, dass die Porosität des Hauptausgangsstoffes - bei UHPC wie bereits erwähnt der Zement - möglichst gering gehalten werden soll.

Um eine möglichst kleine Porosität zu erreichen, wird der so genannte Wasser-Bindemittelwert (kurz: W/B-Wert) auf ein Minimum gesenkt.

Dieser W/B-Wert ist das „Verhältnis der im Zementleim enthaltenen Mengen an Wasser und Zement (in kg)“ ([8] vom 25.10.2012, 17:37), das mathematisch durch die Formel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hydratation ist der Begriff für die Reaktion des Bindemittels Zements mit dem Wasser.

Liegt der Wasseranteil über dem zur vollständigen Hydratation nötigen W/B-Wert von ca. 0,4, verschmilzt das Wasser nicht komplett mit dem Zement und verbleibt in den Kapillarporen.

Nach der Verdunstung des Wassers befindet sich dort nur noch Luft, was sich ungünstig auf die Festigkeit des Betons auswirkt.

Bei UHPC wird der W/B-Wert wie im obigen Teil der Abbildung 1 auf einen Wert von ca. 0,20 gesenkt.

Der größte Nachteil an einem so geringen Wasser-/Bindemittelwert liegt darin, dass sich der Beton so, ähnlich einem Gestein, schlecht verarbeiten lässt. Aus diesem Grund werden dem UHPC äußerst leistungsfähige Fließmittel, die zumeist auf der Basis von Polycarboxylaten und Polycarboxylatethern produziert werden, hinzugefügt.

Der nanotechnologische Aspekt bei ultrahochfestem Beton liegt dann insbesondere bei der Erhöhung des Anteils von Feinstkörnern wie dem Silikastaub. Diese kleinen Staubkörnchen setzen sich in ggf. noch kleinen vorhandenen Poren ab und erhöhen so die Druckfestigkeit zusätzlich. (sinngemäß nach: Fehling, Ekkehard / Schmidt, Michael / u.a.; 2005, S. 6/7.)

Neben der Druckfestigkeit spielt allerdings auch die Zugfestigkeit eines Baumaterials eine wichtige Rolle. Die Zugfestigkeit ist jener „Werkstoffkennwert, der die maximal erreichte Zugkraft bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt des Materials angibt“

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Zur Untersuchung der Zugfestigkeit von Ultrahochfestem Beton führte das Fraunhofer Institut Hopkinson-Bar-Versuche (vgl. Anhang, Abb. 7) durch. Das Institut arbeitete dabei mit hohen Zuggeschwindigkeiten und einer Dehnrate von 180s-[1]. (vgl. [10] )

Bei diesem Hopkinson-Bar-Versuch wird das Probematerial einer Stoßbelastung ausgesetzt. Am Ende der Probe wird diese Stoßbelastung reflektiert, wodurch Zugspannungen im Material entstehen. Diese Zugspannungen hält der UHPC- Probekörper ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr aus, man spricht dann von der Fragmentierung (vgl. Anhang, Abb. 8) bzw. Spallation des Materials.

Aus oben erwähnter Versuchsreihe ergab sich folgendes Diagramm, welches die Zugfestigkeit des Ultrahochleistungsbetons in Abhängigkeit von der Druckfestigkeit des Materials angibt. (Informationen zum Versuch: vgl. [10])

Aus Abbildung 2 wird ersichtlich, dass die dynamische Zugfestigkeit in der Regel mit der statischen Druckfestigkeit zunimmt, sodass der modernste Ultrahochleistungsbeton [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] erreicht. Das bedeutet, dass auf jeden mm[2] des Durchschnitts eines Körpers aus UHPC eine Kraft von 55 Newton wirken kann. Im Vergleich dazu können auf einen mm2 Normalbeton lediglich in etwa 16 Newton wirken, was einer Abnahme der Zugfestigkeit um 70,9 % im Vergleich zum UHPC entspricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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