Strukturanalysen auf Nanoebene weisen den Weg zu stabileren Baustoffen

Blick auf Nanostruktur im Beton

Paris (Frankreich)/Cambridge (USA) - 20 Milliarden Tonnen Beton werden weltweit jedes Jahr in Hochhäuser, Brücken und Straßen verbaut. Tendenz steigend. Doch trotz aller Stabilität halten die Bauwerke nicht ewig und müssen bereits nach wenigen Jahrzehnten repariert oder gar wieder abgerissen werden. Jetzt fanden französische und amerikanische Materialforscher einen Weg, über den Beton selbst Jahrtausende überdauern könnte. Sie analysierten, wie sich mit der Zeit die Strukturen der im Beton enthaltenen Kalzium-Silikathydrate verändern und zu Rissen führen können. Ihre Ergebnisse und zugleich eine Lösung gegen dieses Zerfließen der Betonstrukturen präsentierten die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

"Je dünner eine Struktur ist, desto empfindlicher ist sie für eine Fließdehnung", sagt Franz-Josef Ulm vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Dadurch nimmt die Festigkeit von Beton mit der Zeit ab. Eine zentrale Ursache dafür fand der Forscher zusammen mit seinem Kollegen Matthieu Vandamme von der Université Paris-Est in dem Verhalten der Nanometer kleinen Partikel aus Kalzium-Silikathydrat. Lagern diese nicht dicht genug aneinander, können sie aneinander vorbeirutschen und so zur Bildung von winzigen Hohlräumen im Beton führen.

Eine Lösung dieses Problems liegt in einer dichteren Anordnung der Silikathydrate auf der Nanoebene. Sowohl die Bildung von Hohlräumen lässt sich dadurch verhindern als auch die fließende Bewegung zwischen den Partikeln verlangsamen. Theoretische Absschätzungen zeigten, dass Silikatabfälle aus der Aluminiumproduktion die Dichte im Beton um bis zu 87 Prozent erhöhen könnten. Dieser ultradichte Werkstoff wäre nicht nur für einige Jahrzehnte, sondern bis zu 16.000 Jahre stabil.

"Mit diesem neuen Verständnis von Beton könnten wir filigranere, elegante und zugleich stabile Bauwerke mit weniger Material bauen", sagt Ulm. Auch wenn der ultradichte Beton wahrscheinlich teurer wäre als der heute verfügbare Baustoff, könnte sich der Einsatz wegen der deutlich verringerten Reparaturkosten rechnen.