Bioinspiriertes Baumaterial übertrifft alle Erwartungen
Forschende haben ein revolutionäres Material auf Zementbasis entwickelt. Die Inspiration dazu lieferte die Struktur menschlicher Knochen. Das Material ist fast sechsmal widerstandsfähiger als herkömmlicher Zement und hält Rissen besser stand. Für die Bauindustrie wäre dies eine weitere Innovation.
Beton ist ein wichtiger Bestandteil beim Bauen. Neue Zusammensetzungen helfen dabei, auch hier ressourcenschonender zu agieren.
Foto: Panthermedia.net/bogdan.hoda
Forschende der Princeton Universität haben ein Zementprodukt entwickelt, das konventionelle Varianten in puncto Widerstandsfähigkeit um das 5,6-fache übertrifft. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ließen sich von der robusten äußeren Schicht menschlicher Knochen inspirieren und schufen ein Material, das Rissen effektiv trotzt und abruptes Versagen verhindert. Im Gegensatz dazu neigen herkömmliche spröde Zementmaterialien zu plötzlichen Brüchen.
Zement-Recycling als Schlüssel zur Klimaneutralität
Die Forschungsergebnisse, die in der Fachzeitschrift Advanced Materials publiziert wurden, demonstrieren die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Zementleims. Das Team um Reza Moini, Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik, und Doktorand Shashank Gupta konzipierte eine röhrenartige Architektur, die die Rissausbreitung signifikant eindämmt und die Verformbarkeit des Materials ohne abruptes Versagen deutlich steigert.
Innovative Zementarchitektur revolutioniert das Baumaterial
„Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung spröder Baumaterialien besteht darin, dass sie abrupt und katastrophal versagen“, erklärt Gupta. Die Ingenieure und Ingenieurinnen fokussierten sich deshalb darauf, einerseits die Eigenschaft Festigkeit und andererseits die Zähigkeit des Zements zu optimieren. Die Festigkeit ist relevant, um den Baustoff möglichst belastbar zu gestalten. Dahin gegen verhindert die Zähigkeit die Ausbreitung von Rissen und Schäden in der Struktur.
Deshalb fokussierten die Forschenden sich auf ein Material, das zäher ist als herkömmliche Zementprodukte, ohne dabei an Festigkeit einzubüßen. Nach ihrem Verständnis sei vor allem die Gestaltung der inneren Architektur der Schlüssel zum Erfolg. Auf diese Art und Weise könnten Spannungen an der Rissfront mit der gesamten mechanischen Reaktion des Materials harmonisiert werden. „Wir nutzen die theoretischen Prinzipien der Bruchmechanik und der statistischen Mechanik, um die grundlegenden Eigenschaften von Materialien ‘durch Design’ zu verbessern“, erklärt Moini. Das Forscherteam orientierte sich dafür an der Struktur der menschlichen Kortikalis, der dichten Außenschicht des Oberschenkelknochens, die eben besonders fest und resistent gegen Brüche ist.
Zement neu gedacht: Röhrenstruktur verhindert Materialversagen
Die Kortikalis besteht aus elliptischen, röhrenförmigen Komponenten, den sogenannten Osteonen, die in eine organische Matrix eingebettet sind. Diese einzigartige Architektur lenkt Risse um diese Osteone herum und verhindert so ein abruptes Versagen, also einen Bruch. Das Princeton-Team übertrug dieses Konzept auf ihren Zement, indem sie zylindrische und elliptische Röhren in den Zementstein integrierten, die mit Rissen interagieren, die sich ausbreiten.
Entgegen der Intuition schwächt der Einbau hohler Röhren das Material nicht. „Wir haben gelernt, dass wir die Riss-Rohr-Wechselwirkung durch Ausnutzung der Geometrie, Größe, Form und Ausrichtung der Rohre fördern können, um eine Eigenschaft zu verbessern, ohne eine andere zu opfern“, erläutert Moini. Diese verstärkte Interaktion zwischen Rissen und Röhren löst einen stufenweisen Verfestigungsmechanismus aus. Dabei wird der Riss zunächst vom Rohr aufgefangen und dann in seiner Ausbreitung verzögert, was bei jeder Wechselwirkung zu einem zusätzlichen Energieverlust führt.
Geometrisches Design beim Zement statt Faserverstärkung
Im Gegensatz zu konventionellen Methoden, bei denen Zement durch Fasern oder Kunststoffe verstärkt wird, setzt das Princeton-Team auf geometrisches Design. Durch die Manipulation der Materialstruktur erzielen sie beeindruckende Verbesserungen der Zähigkeit, ohne zusätzliche Materialien einzusetzen.
Zudem entwickelten die Forschenden eine neue Methode, mit der sie den Grad der Unordnung quantifizieren können. Basierend auf der statistischen Mechanik führte das Team Parameter ein, die den Unordnungsgrad in architektonischen Materialien präzise erfassen. Dies ermöglicht eine genauere Darstellung der Materialanordnungen und bewegt sich auf einem Spektrum von geordnet bis zufällig, jenseits simpler binärer Klassifizierungen. „Dieser Ansatz gibt uns ein leistungsfähiges Werkzeug, um Materialien mit einem maßgeschneiderten Grad an Unordnung zu beschreiben und zu entwerfen“, sagt Moini.
Zukunft des Zements: Robotik und additive Fertigung eröffnen neue Horizonte
Die Forschenden haben kürzlich Techniken entwickelt, die mithilfe von Robotik und additiver Fertigung höchste Präzision ermöglichen. Durch die Anwendung dieser Methoden auf neue Architekturen und Materialkombinationen innerhalb der Röhren streben sie danach, die Einsatzmöglichkeiten für Baumaterialien weiter auszudehnen.
„Wir haben gerade erst begonnen, die Möglichkeiten zu erforschen. Es gibt viele Variablen, die wir untersuchen müssen, wie den Grad der Unordnung, die Größe, die Form und die Ausrichtung der Röhren im Material. Diese Prinzipien könnten auf andere spröde Materialien angewendet werden, um schadensresistentere Strukturen zu entwickeln“, erläutert Gupta.
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