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Neuer Hochleistungsbeton hält Feuer stand
Selbstverdichtender Hochleistungsbeton (SHB) hatte bisher eine Schwachstelle: Bei Feuer platzt er häufig ab, worunter seine Tragfähigkeit leidet. Wissenschafter der Empa entwickelten ein Verfahren zur Herstellung von feuerbeständigem SHB, der selbst bei Bränden lange stabil bleibt.
Holz knistert in der Hitze eines Kamin- oder Lagerfeuers. Und Beton erleidet Abplatzungen, wenn er einem Brand ausgesetzt ist. Beide Effekte rühren von ähnlichen Vorgängen her: Wasser im Inneren eines Holzscheits oder eines Betonträgers verdampft aufgrund der hohen Temperatur. Je mehr Wasserdampf entsteht, umso grösser wird der Druck auf die Holz- oder vielmehr die Betonstruktur. Holzzellen platzen, Spalten werden in das Scheit gerissen , und Betonstücke platzen von Decken, Wänden, Stützpfeilern ab. Damit sinkt die Tragkraft der Bauelemente, das Risiko eines Einsturzes während des Brands steigt.
Die Widerstandsfähigkeit gegen die Hitze eines Feuers kann bei herkömmlichem Rüttelbeton durch die Beimischung von einigen Kilogramm Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) pro Kubikmeter Beton optimiert werden. Wenn es brennt, schmelzen diese Fasern. Ein Netzwerk von Kanälen bleibt zurück und durchzieht den Beton. Durch dieses kann der Wasserdampf entweichen, der Druck im Innern sinkt und das Betonteil bleibt ganz.
Zielkonflikt Feuerfestigkeit und Selbstverdichtung
Anders verhält es sich bei selbstverdichtendem Hochleistungsbeton (SHB): Mehr als zwei Kilogramm PP-Fasern pro Kubikmeter SHB beeinträchtigt die Selbstverdichtung. Daher muss der Anteil an PP-Fasern in SHB entsprechend tief sein, was zur Folge hat, dass sich im Brandfall kein zusammenhängendes Kanalsystem ausbilden kann, um die Abplatzungen zu verhindern. Die Gretchenfrage lautet daher: Wie kann es gelingen, SHB trotz tiefem PP-Fasern-Anteil feuerbeständig und damit Bauwerke sicherer zu machen?
Forscher der Empa-Abteilungen „Beton/Bauchemie“ und „Mechanical Systems Engineering“ haben darauf eine Antwort gefunden. Sie stellten eine Serie dünnwandiger, mit Drähten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff vorgespannter Betonplatten her. Jede enthielt zwei Kilogramm PP-Fasern pro Kubikmeter Beton. In einige Platten mischten die Forscher zudem eine geringe Menge superabsorbierende Polymere (SAP), Spezialkunststoffe, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen können. Dann setzten die Wissenschaftler die Betonplatten Feuer mit Temperaturen von bis zu 1000 Celsius aus. Nach 90 Minuten zeigte sich: Die mit SAP angereicherten Betonplatten hatten zwar einige Risse, zu Abplatzungen kam es aber nur bei den SAP-freien Betonplatten.
Die Erklärung: SAP saugen sich während der Betonproduktion mit Wasser voll und schwellen um ein Mehrfaches ihres Trockenvolumens an. Beim Aushärten des Betons wird den SAP das Wasser durch den Sog der kapillaren Poren im Zementstein wieder entzogen; die SAP schrumpfen, ein Hohlraum entsteht. Er verbindet die voneinander getrennten PP-Fasern. Ein Netz von SAP und PP-Fasern verästelt sich im Bauteil, sodass dieses der Hitze eines Feuers lange genug widersteht und das Bauwerk stabil bleibt.
Breitere Anwendungsmöglichkeiten für feuerbeständigen SHB
Mit ihrer Innovation erweitern die Empa-Forscher auch die Möglichkeiten, die ökonomischen und ökologischen Vorzüge von SHB zu nutzen. Das zum Patent angemeldete Verfahren erlaubt etwa den Einsatz von SHB ohne Zusatzkosten für den Brandschutz. Bis anhin konnte dieser nur gewährleistet werden, wenn beispielsweise eine Sprinkleranlage installiert oder ein externer Insolationsmantel hinzugebaut wurde. Der neue SHB verfügt noch über einen weiteren Vorteil: Beim Verdichten von herkömmlichem Rüttelbeton erzeugt die Rüttelmaschine viel Lärm. Bauunternehmer können die Lärmbelastung tief halten, indem sie anstelle von Rüttelbeton den nun gleichermassen feuerresistenten, mit SAP angereicherten selbstverdichtendem Hochleistungsbeton verwenden. (mgt/mai)