Forschungsprojekt zur Alterung von Beton startet
Wie altert Beton? Dieser Frage geht ein Forscherteam der TU Darmstadt nach. Dabei simulieren sie am Lichtenberg-Hochleistungsrechner, welche Alterungsprozesse der Beton im Laufe der Zeit, unter welchen Einflüssen, durchläuft.
An der Jahrhunderthalle in Breslau wird modellhaft simuliert, welche Betonschäden im Laufe der Zeit auftreten können.
Foto: panthermedia.net/bzyxx
Betonbauwerke formen viele Städte und einige von diesen Bauwerken stehen unter Denkmalschutz oder sogar auf der UNESCO-Liste für Weltkulturerbe. Beton gilt als langlebig und ist robust. Doch auch Beton altert und die Bauwerke werden marode. Chemische und biologische Einflüsse setzen dem Material zu und hinterlassen Spuren. Langfristig ist auch die Stabilität der Gebäude gefährdet. Um die Bauwerke aus Beton als kulturelles Erbe zu erhalten, entwickeln Forscher im EU-weiten Forschungsprojekt InnovaConcrete Methoden und Materialien mit denen eine Sanierung ermöglicht wird. In diesem EU-Projekt wirkt auch ein Team der TU Darmstadt mit. Sie simulieren mit einem Hochleistungsrechner den Alterungsprozess von Beton.
Lösung durch Computersimulationen
Um Lösungen zur Sanierung von geschädigten Betonbauwerken zu entwickeln, müssen die Forscher nicht nur experimentell im Labor den Fragen nachgehen. Sie können auch theoretische Ansätze verfolgen. Hierbei hilft die Simulation am Computer. Die TU Darmstadt setzt dabei zusätzlich Multiskalenmodelle ein. Dadurch werden mehrere Teilmodelle, die das Verhalten von Beton in unterschiedlichen Bereichen simulieren, gekoppelt. Denn die mechanischen Einflüsse und physikalischen sowie chemischen Prozesse auf den Beton müssen unterschiedlich simuliert werden, da sie auf unterschiedlichen Ebenen – Zentimeter, Mikrometer und Nanometer – ablaufen. Durch die Koppelung der Simulation können sie gemeinsam dargestellt werden.
Aussagen zum Langzeitverhalten von Beton
Das Simulationsmodell soll dazu beitragen, dass die Forscher Aussagen zum Langzeitverhalten von Beton treffen können. Hierzu schauen sich die Forscher in der Simulation zuerst das Werkstoffverhalten von frischem Beton an. Danach folgt die Simulation, wie Beton altert und sich verändert. Dabei kann ermittelt werden, welche typischen Schädigungen im Laufe der Zeit auftreten können. Dies ermöglicht den Forschern den Zustand historischer Betonbauwerke wiederzugeben. Zudem soll das Modell Rückschlüsse auf neue Beton-Sanierungsprodukte und -methoden geben.
„Beton ist kein unveränderlicher Werkstoff, der immer gleich bleibt, sondern es laufen langsam aber kontinuierlich Reaktionen ab“, erklärt Eddie Koenders, Professor und Leiter des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen (WiB) der TU Darmstadt. Die ursprüngliche Zusammensetzung von Beton verändert sich durch die Einflüsse von Kohlendioxid, Salzen, Regenwasser und andere Umwelteinflüsse von außen. Chemische und physikalische Prozesse im Inneren kommen noch hinzu. Das führt dazu, dass Beton über die Zeit hinweg an Festigkeit abnimmt.
Simulation der Alterung ist mathematisch komplex
Das Ziel des EU-Forschungsprojekts, Betonbauwerken zu erhalten, ist komplex und ambitioniert. Ermöglich wird das Erreichen des Ziels durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teams aus Wissenschaft und Industrie. „Die InnovaConcrete-Gruppen arbeiten multinational und interdisziplinär. Das geschieht sowohl im globalen Projekt, welches sich über elf Länder erstreckt, als auch in unserm Team an der TU Darmstadt“, beschreibt Koenders. „Um das Werkstoffverhalten von Beton am Computer zu simulieren, benötigen wir wissen aus den Bereichen der Materialwissenschaft, der Chemie, der Physik, der Mathematik und Informatik.“
Gefordert ist viel Rechenkapazität, da die Vielzahl von Einflüssen für die Simulation komplex ist. Damit dieses Vorhaben gelingt, sind die Forschungs- und Simulationsarbeiten auf Partner verteilt, die Hochleistungsrechner besitzen. Die TU Delft in den Niederlande, Tecnalia und das Materials Physics Center (CFM) aus Spanien sowie das belgische Studienzentrum für Kernenergie (SCK∙CEN) beteiligen sich, neben der TU Darmstadt, am Multiskalenmodell. „Das Besondere an dieser Vorgehensweise besteht darin, dass drei unterschiedliche, hoch komplexe Simulationsmodelle aus drei verschiedenen Ländern miteinander kommunizieren müssen“, sagt Eddie Koenders. Das Forschungsprojekt wird bis Ende 2020 gefördert. Derzeit überprüfen die Forscher in Tests ihre bisherigen Ergebnisse, bis sie der Öffentlichkeit vorgestellt werden.
