Bewährter Baustoff mit neuen Eigenschaften

Beton mit funktionalen Oberflächen

  • Abb. 1: Exakte Abformung von Mikrostrukturen mit UHPC: (a) Als Schalungshaut verwendetes Textil,Abb. 1: Exakte Abformung von Mikrostrukturen mit UHPC: (a) Als Schalungshaut verwendetes Textil,
  • Abb. 1: Exakte Abformung von Mikrostrukturen mit UHPC: (a) Als Schalungshaut verwendetes Textil,
  • (b) Mikrostruktur der Textiloberfläche,
  • (c) Mikrostruktur der UHPC-Oberfläche. Die Mikrostrukturen in (b) und (c) wurden mit einem Weißlichtkonfokalmikroskop angefertigt.
  • Abb. 2: Wassertropfen auf superhydrophober (selbstreinigender) UHPC-Oberfläche.
  • Abb. 3: Kontaktwinkel (links)...
  • ...und Abrollwinkel (rechts) 14 Tage nach Herstellung der UHPCProben (die Imprägnierung erfolgte 24 Stunden nach dem Ausschalen der UHPC-Proben).
  • Abb. 4: Konfokalmikroskopische Aufnahme der Stereorille einer UHPC-Schallplatte.

Beton ist im Prinzip ein Gemisch aus Zement, Gesteinskörnung und Wasser. Als Massenbaustoff ist er vielseitig einsetzbar für den Bau von Gebäuden, Brücken oder Straßen. Die Möglichkeit, ihn frei zu formen und zu gestalten und seine Dauerhaftigkeit haben ihn weltweit zum Baustoff Nr. 1 gemacht.

Beton wird in der Regel mit Härte, Massivität und Starrheit assoziiert, wodurch der umgangssprachliche Begriff „Betonkopf“ motiviert ist, womit ein starrköpfiger Mensch bezeichnet wird, der rückständige Vorstellungen verteidigt, uneinsichtig auf seinen Ansichten beharrt und wenig Wandlungsfähigkeit zeigt. Dieses negative Image trägt Beton heute allerdings zu Unrecht, denn kaum ein anderer Baustoff war in den letzten Jahrzehnten mit so vielen innovativen Entwicklungen verbunden wie er.

Neue Entwicklungen
Eine der neuesten Entwicklungen ist der Ultrahochleistungsbeton (Ultra-High Performance Concrete, UHPC), der sich aufgrund der gut aufeinander abgestimmten Feinstoffe (Portlandzement und andere Bindemittel, wie Mikrosilika und Hüttensandmehl, sowie ggf. Füller), des sehr niedrigen Wassergehalts und des Zusatzes von verflüssigenden Zusatzmitteln durch eine hohe Packungsdichte bei sehr guter Verarbeitbarkeit auszeichnet. Daraus resultiert nicht nur eine im Vergleich zu herkömmlichem Beton besonders hohe Festigkeit, in der Regel werden Druckfestigkeiten von mehr als 150 MPa erreicht, sondern auch eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit des UHPC gegenüber schädigenden Umwelteinflüssen.

Funktionalisierung von Oberflächen
Die hohe Packungsdichte der Feinstpartikel und die besonderen Frischbetoneigenschaften des UHPC ermöglichen aber auch eine zusätzliche Funktionalisierung der Oberflächen, da annähernd beliebige Mikrostrukturen exakt abgeformt werden können. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von Fassadenelementen aus UHPC im Rahmen des von der EU geförderten Forschungsprojekts H-House (Healthier Life with Eco-Innovative Components for Housing Constructions, siehe Crossmediabalken), die bereits bei ihrer Herstellung im Betonfertigteilwerk mit selbstreinigenden Oberflächen ausgerüstet werden sollen. Dabei wird der extrem wasserabweisende Effekt von Pflanzenblättern imitiert, der im Prinzip darauf beruht, dass durch eine spezielle Mikrostruktur auf der Blattoberfläche in Kombination mit einer chemischen Hydrophobierung die Benetzbarkeit mit Wasser so gering wird, dass Wassertropfen sehr leicht abperlen und dabei Schmutzpartikel von der Blattoberfläche aufnehmen und entfernen, der sogenannte Lotuseffekt.

Mit UHPC ist es möglich, Mikrostrukturen zu reproduzieren, die der Oberflächenstruktur eines Lotusblatts sehr ähnlich sind [1].

Eine sehr viel einfachere Methode für die Mikrostrukturierung zur Erzielung selbstreinigender Betonoberflächen ist aber die Verwendung von technischen Textilien [2], die in die Betonschalung eingelegt werden (Abb. 1). Dieser Ansatz wird im Forschungsprojekt H-House weiterverfolgt. Bei den Fertigteilen aus UHPC werden die Oberflächen auf neuartige Weise in einem Arbeitsgang mit der Mikrostruktur und der chemischen Hydrophobierung ausgerüstet, wobei das Hydrophobierungsmittel kurz vor der Betonage auf das mikrostrukturierte Textil in der Betonschalung aufgebracht und vom erhärtenden UHPC aufgenommen wird. Dadurch verfügen die Betonbauteile nicht nur sofort nach dem Ausschalen bereits über wasserabweisende Oberflächen (Abb. 2). Es zeigte sich auch, dass auf diese Weise die Wirksamkeit eines Hydrophobierungsmittels deutlich höher ist als bei einer bisher üblichen nachträglichen Imprägnierung des Betonbauteils.

Kontaktwinkel und Hydrophobizität
Üblicherweise wird die Benetzbarkeit von Oberflächen durch Messung der Kontaktwinkel von aufgesetzten Flüssigkeitstropfen beurteilt. Bei Kontaktwinkeln von Wassertropfen < 90 ° werden Oberflächen als hydrophil bezeichnet. Über 90 ° sind die Oberflächen hydrophob. Ab einem Kontaktwinkel von etwa 140-150 ° spricht man von Superhydrophobizität. Darüber hinaus können selbstreinigende Oberflächen dadurch charakterisiert werden, wie gut ein Wassertropfen auf ihnen abrollen. Hierfür wird der sogenannte Abrollwinkel gemessen. Das ist der Neigungswinkel einer Oberfläche bei dem der auf ihr abgesetzte Wassertropfen abrollt, wenn sie von der Horizontalen in die Vertikale gedreht wird. Je kleiner der Abrollwinkel, desto besser perlt ein Wassertropfen von der Oberfläche ab. Untersuchungen mit verschiedenen Hydrophobierungsmitteln auf Silan / Siloxan-Basis haben gezeigt, dass die Kontaktwinkel von Wassertropfen (Tropfengröße: 22 µl) größer sind, wenn die Hydrophobierungsmittel vor der Betonage auf das Textil in der Betonschalung aufgebracht und bereits vom erhärtenden UHPC aufgenommen werden (Abb. 3). Das heißt, eine nachträgliche Imprägnierung der UHPC-Oberflächen mit der gleichen Menge an Hydrophobierungsmittel ist weniger wirksam. Dies zeigt sich auch an den Abrollwinkeln: nur bei einem der sieben verwendeten Hydrophobierungsmittel (G) konnte nach der Imprägnierung ein Abrollwinkel gemessen werden. Bei den übrigen Hydrophobierungsmitteln hafteten die Wassertropfen noch auf den imprägnierten UHPC-Oberflächen selbst bei einer kompletten Drehung in die Vertikale (90 °) und rollten nicht ab. Wurde das Hydrophobierungsmittel vor der Betonage auf das Textil aufgetragen, rollten die Wassertropfen bei vier der sieben Hydrophobierungsmittel (A, B, F und G) schon bei relativ kleinen Neigungswinkeln ab. Abbildung 3 zeigt auch, dass Kontakt- und Abrollwinkel nur bedingt miteinander korrelieren.

Weitere Funktionalisierungen
Ein weiteres, sehr anschauliches, oder besser gesagt, hörbares Beispiel, wie Beton über die Mikrostrukturierung seiner Oberfläche mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden kann, ist eine Schallplatte aus UHPC, die auf jedem herkömmlichen Plattenspieler abspielbar ist (Aufmacher). Sie zeigt insbesondere, dass Mikrostrukturen fehlerfrei auf Beton übertragen werden können und dass Beton durch die Funktionalisierung seiner Oberflächen über seine baupraktische Bedeutung hinaus an neue Anforderungen und Anwendungen angepasst werden kann, in diesem Fall als Datenträger. Hierfür wurde eine herkömmliche Vinylschallplatte mit Silikon abgeformt. In die so entstandene Negativ-Silikonform, deren Funktion den Matrizen für die Vinylpressung ähnelt, wurde dann der frische UHPC „gegossen“. Nach Aushärten des UHPC lag somit wieder ein Positiv vor, auf das die Form der Stereorille der ursprünglichen Vinylplatte, d. h. das in die Rillenflanken eingeprägte Muster, das die Schallinformation enthält, exakt kopiert wurde (Abb. 4).

Gegenstand der aktuellen Forschung an der BAM zum Thema funktionale Betonoberflächen sind die Wechselwirkungen zwischen Schalungshaut und Frischbeton, die Optimierung der Mikrostrukturen auf den Betonoberflächen, deren Dauerhaftigkeit und die Erprobung neuer Anwendungen.

Kontakt
Dr.-Ing. Patrick Fontana
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)
Fachbereich Baustoffe
Berlin

Literatur:

  1. Horgnies, M. & Chen, J.J.: Superhydrophobic concrete surfaces with integrated microtexture. Cement & Concrete Composites 52, pp. 81-90, 2014.
    (http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.05.010)
  2. Malaga, K.; Lundahl, A.; Kargol, M.A.: 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.

Das H-House Projekt: http://www.h-house-project.eu/
Artikel zum Thema: http://www.hydrophobe.org/pdf/rome/VI_17.pdf

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