Für Experten, deren Aufgabe es ist, den Zustand kritischer Infrastrukturen zu prüfen, ist längst klar, dass große Teile des amerikanischen Verkehressystems dringend reparaturbedürftig sind. 2007 bewerteten Beamte der US-Autobahnverwaltung 25 Prozent der Brücken mit dem Rating "bauphysikalisch mangelhaft oder funktionsmäßig veraltet". 2009 dann die nächste schlechte Nachricht: Die amerikanische Vereinigung der Bauingenieure gab in ihrem jüngsten Infrastrukturreport den Brücken im Land als Höchstwertung nur noch ein "befriedigend" und den Straßen ein "ausreichend minus".
Die Mehrzahl der betroffenen Strukturen besteht aus Beton, viele wurden in den Vierziger- und Fünfzigerjahren gebaut. Heute verfallen diese Bauwerke zunehmend – hauptsächlich aufgrund ihres Alters und durch Beschädigungen, die durch Winterdienstmaßnahmen hervorgerufen werden. Salz bringt zwar Eis auf der Straßenoberfläche zum Schmelzen, kann aber auch in die kleinen Poren des Betons eindringen und bringt das Tauwasser gleich mit. Das kann dazu führen, dass der Beton sich dehnt und von Innen aufbricht. Die Haltbarkeit von Straßen und Brücken sinkt dadurch um Jahre.
Ingenieure am National Institute of Standards and Technology haben deshalb nun eine neue Technik entwickelt und patentieren lassen, die die Lebensdauer von Beton potenziell verdoppeln kann. "VERDiCT" genannt (eine Abkürzung für "Viskositätsverbesserer zur Reduktion der Durchdringung von Beton"), werden dabei nanogroße Zusatzstoffe mit Zement vermischt, um das Eindringen von Streusalz zu verlangsamen. Die Idee: Je länger es dauert, bis zersetzende Stoffe in den Beton gelangen, desto länger hält er ohne Risse durch.
Bei der konventionellen Betonherstellung wird Trockenzement – ein Bindemittel, das durch Mahlung von Portlandklinker und etwas Gips hergestellt wird – mit Sand, Kies und Wasser, eventuell noch mit Zusatzstoffen wie Flugasche in einem Mischer zu einer Paste verarbeitet, die etwa Stunde verarbeitungsfähig ist. Dann tritt eine chemische Reaktion von Zement mit Wasser ein, die zum Aushärten führt.
Es wird schon seit längerem mit der Schaffung von stärkerem und haltbarerem Beton experimentiert, indem beispielsweise die Dichte des Materials erhöht wird. Um dies zu erreichen, werden entweder stärkende Chemikalien hinzugefügt oder die trockenen Rohmaterialien vorher stärker zerkleinert, um einen Zement zu schaffen, der noch feiner ist als der aus herkömmlichen Mixturen. Kombiniert mit Wasser ist die sich ergebende Platte viel dichter und damit stärker als herkömmlicher Beton.
Forscher haben dabei allerdings auch Nachteile entdeckt. "Im Straßenbau wollen die Firmen stets schnell trocknenden Beton, weil sie dann den Verkehr wieder auf die Piste lassen können", sagt Dale Bentz, Chemieingenieur am NIST und leitender Forscher beim VERDiCT-Projekt. "Um diese Stärke zu erreichen, wird der Zement feiner gemahlen, um ihn stärker reagieren zu lassen. Das sorgt aber auch für mehr Hitze. Wenn der Beton dann abkühlt und sich zusammenzieht, kommt es zu Rissen. Man hat also einen Hochleistungsbeton, der sich zwischen Rissen verteilt. Das will niemand."
Bentz und seine Kollegen setzen deshalb auf einen Nanoansatz. Sie erkannten, dass sich im Beton Millionen kleiner Mikroporen befinden, die mit Wassermolekülen gefüllt sind. Es ist bekannt, dass Chlorid- und Sulfat-Ionen aus dem Streusalz Beton durchdringen, indem sie in diese Wasserlösung hinein diffundieren. Die NIST-Forscher stellten deshalb die Hypothese auf, dass eine Erhöhung der Viskosität der Lösung innerhalb dieser Mikroporen die Durchdringung verlangsamen könnte – nicht nur durch Streusalz, sondern auch durch andere zersetzende Stoffe. Dadurch ließe sich dann die Lebensdauer des Betons deutlich erhöhen.
"Wenn diese Ionen sich durch Honig statt durch Wasser bewegen müssen, könnte man sie stark ausbremsen", sagt Bentz. Der Trick dabei sei nun gewesen, die richtige Chemikalie zu finden, die die Viskosität der Lösung verändern würde.
Die Forscher ließen sich dabei von der Nahrungsmittelindustrie inspirieren. Die nutzt Zusatzstoffe als Verdickungsmittel in Produkten vom Salatdressing bis zum Softdrink. Bentz suchte nach ähnlichen Chemikalien, die sowohl die Viskosität der Wasserlösung im Beton erhöhen als auch die Ionen-Verbreitung verlangsamen könnten. Sogar mit Lebensmittelverdickungsmitteln wie Xanthan hat er experimentiert, das aus Saucen und Eiskrem bekannt ist.
Nach einigen Versuchen an Wasserlösungen zur Modellierung des Ionenverhaltens fanden die Forscher heraus, dass eine kleinere Molekülgröße erfolgreicher beim Stoppen der Ionen war. Zusatzstoffe, die in kleinen Molekülketten vorkommen und Wasserstoff- und Sauerstoffbereiche enthielten, waren besonders gut zur Erhöhung der Viskosität geeignet. Der Grund: Solche Wasserstoff- und Sauerstoffbereiche können mit den Wassermolekülen interagieren, um eine Barriere gegen die eindringenden Ionen zu schaffen. So kommen sie schwerer durch.
Bentz' Team testete außerdem Zusatzstoffe innerhalb kleiner Zylinder aus Zementmörtel – Beton ohne Zuschlag, sozusagen. Dabei wurden die Zusatzstoffe mit Zement vermischt, der Mörtel getrocknet und dann bis zu einem Jahr in eine Chlorid-Lösung getaucht. Nach der Entnahme brachen die Forscher den Mörtel auf und analysierten, wie weit die Chlorid-Ionen eindringen konnten. Verglichen mit Mörtel ohne Zusatzstoffe zeigten diejenigen mit ihnen deutliche Verbesserungen.
Noch ist die NIST-Technik allerdings für eine industrieweite Anwendung ungeeignet. Der Grund sind vor allem die Kosten. Bentz geht davon aus, dass die Zusatzstoffe aktuell bis zu 10 Prozent der Zementlösung ausmachen müssten. "Mit einem Prozent wäre die Industrie zufrieden, bei zehn Prozent haben wir es mit einem Kostenfaktor zu tun", sagt Bentz. Sein Team habe demonstriert, dass die Technik funktioniere. Nun müsse man es schaffen, Zusatzstoffe herzustellen, bei denen drei bis fünf Prozent der Konzentration ausreichten.
Jason Weiss, Professor für Bauingenieurwesen an der Purdue University, arbeitet ebenfalls an verbesserten Betonmischungen, die die Lebensdauer von Bauten verlängern sollen. Ein solches Material könne Brücken und Straßen eines Tages deutlich haltbarer machen. "Das hat ein enormes Potenzial. Eine Konstruktion die heute 30 Jahre hält, würde dann unter den gleichen Bedingungen 40 bis 45 Jahre durchhalten."
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