Interdisziplinäre Baustoffforschung mittels skalenübergreifender Ansätze

In den vergangenen Jahren wurden am Fachgebiet verstärkt Hochleistungsbetone mit multifunktionellen Eigenschaften entwickelt und für die Errichtung von Bauteilen und Bauwerken erfolgreich eingesetzt. Diese lassen sich mit diesen Werkstoffen wesentlich fili­graner, dauerhafter, umweltschonender und trotzdem kostengünstiger als mit herkömmlichem Beton errichtete, vergleichbare Objekte herstellen – vor allem bei Betrachtung deren gesamter Lebensdauer. Bei der Optimierung dieser Hochleistungswerkstoffe verfolgt das Fachgebiet, welches im Institut für konstruktiven Ingenieurbau (IKI) integriert ist, einen ganzheitlichen Ansatz. Ingenieure, Natur- und Materialwissenschaftler arbeiten in seiner Arbeitsgruppe zusammen an der Erforschung neuartiger anorganisch-mineralischer Werkstoffe bis hin zu ihrer Erprobung in Konstruktionen.

ZKG INTERNATIONAL sprach mit Prof. Middendorf über die aktuelle und zukünftige Ausrichtung des Fachgebiets.

Auch dank meines Vorgängers Prof. Schmidt und seines ehemaligen akademischen Oberrats und jetzigen Professor an der TU Berlin, Prof. Dietmar Stephan, hat sich das Fachgebiet eine hohe Reputation in den Baustoffwissenschaften erarbeitet und eine umfangreiche experimentelle Ausstattung aufgebaut, die mir und meinem Team viele Möglichkeiten für spannende Forschung eröffnen. Neben der Ausstattung im Bereich der Gefügeanalyse von Baustoffen kann ich auch auf die mechanischen Prüfeinrichtungen des Fachbereichs (AMPA, IKI) zurückgreifen, was das Leistungsspektrum vervollständigt. Aber nicht nur die experimentelle Ausstattung ist wissenschaftlich reizvoll, sondern mein Fachgebiet zeichnet sich insbesondere durch ein sehr qualifiziertes und hoch motiviertes, interdisziplinär zusammengesetztes Team aus, welches sich auch durch hohe Eigen­initiative auszeichnet. Wenn Sie die vorgenannten ­Leistungsindikatoren zusammenfassen, ist unschwer zu erkennen, dass mein neues Fachgebiet eine sehr gute Basis bietet, um zukünftig auf höchstem Niveau Baustoffforschung zu betreiben und mitzugestalten.

Im Gegensatz zu meinem Vorgänger bin ich von Hause aus Naturwissenschaftler und von meinen Schwer­punkten her grundlagenorientierter ausgerichtet. Ein zusammenführendes Element meiner Forschungs­aktivitäten stellt das Mikrogefüge dar, welches die wesentlichen Eigenschaften von Baustoffen beeinflusst; denken Sie dabei nur an die mechanischen Eigenschaften und die Aspekte der Dauerhaftigkeit.

Meine beiden Forschungsschwerpunkte „Entwicklung und Applikation von Baustoffen mit zielgerichteten Eigenschaften“ und „Interaktion von Zusatzstoffen und Zusatzmitteln mit anorganisch-mineralischen Bindemitteln“ sind eng mit der Quantifizierung des Mikrogefüges verknüpft. Ich kann neben der schon angesprochenen Entwicklung, Herstellung, Optimierung, Prüfung und Applikation von UHPC aus meiner wissenschaftlichen Tätigkeit an der TU Dortmund auch auf meine langjäh-rigen Erfahrungen im Bereich hochfester, lufterhärtender Schaumbetone aufbauen. Da derzeit noch keine abgesicherten Stoffgesetzte über Schaumbetone wissenschaftlich erarbeitet worden sind, werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Just (EBZ Bochum) und weiteren Fachkollegen Projekte zur Optimierung von mineralisch gebundenen Schäumen und Mehrskalenmodellierung des Verhaltes poröser Baustoffe bearbeitet.

Mittels mikroskopischer und kalorimetrischer Methoden werde ich zukünftig vertieft den Einfluss unterschiedlicher organischer und anorganischer Zusatzmittel als Inhibitoren auf Kristallisationsprozesse insbesondere von Gipskristallen untersuchen. Erforscht werden mit diesem nanoskopischen Ansatz die Reaktionsabläufe während des Abbindeprozesses und deren Einfluss auf Größe, Tracht und Habitus der resultierenden Gipskris­talle und somit auf den Porenraum des Gefüges.

Auch beeinflusst der Gefügeaufbau wesentliche Kenngrößen von Kalksandsteinen, nicht nur Steinfestigkeit, sondern insbesondere auch die für den baulichen Schallschutz relevante Rohdichte. Derzeit wird die Änderung der CSH-Phasenausbildung bei Zugabe von Kristallkeimen im Rahmen eines Forschungsvorhabens untersucht. In einem weiteren Projekt untersucht mein Team und ich den Einfluss von Huminstoffen auf die Gefügeausbildung von Kalksandsteinen.

Standen früher im Bauwesen fast ausschließlich Festigkeit, Stabilität und Dauerhaftigkeit im Vordergrund, so sind heute zusätzlich energiearme Herstellung, Kompatibilität, Umweltbelastungen und Wiederverwertbarkeit von Baustoffen zu berücksichtigen. Die Nachhaltigkeit in Bezug auf ressourcenschonende Baumaterialien und -verfahren tritt auch wegen des gesellschaftlichen Umdenkens immer mehr in den Blickpunkt jeglicher Bauaufgabe und wird derzeit intensiv bei der Entwicklung im Bereich der selbstverdichtenden Verfüllbaustoffe und weiterer Projekte an meinem Fachgebiet bearbeitet. Ziel muss es sein, den Primärenergieinhalt und die umweltrelevanten Emissionen sowie die Herstellungskosten von Bindemitteln zu reduzieren, ohne deren Qualität und Einsatzbereiche zu verringern.

Ein weiterer Punkt meiner zukünftigen Aktivitäten wird im Bereich der Bauwerkserhaltung liegen. Bauwerke sind kulturhistorisch wertvolle Objekte, die einer sachgemäßen Pflege und Instandsetzung bedürfen. Auch in der heutigen Zeit werden häufig Bauwerke noch mit inkompatiblen Baustoffen „instandgesetzt“, was zum einen hohe Folgekosten nach sich zieht und zum anderen Substanzverlust bedeuten kann. Es besteht von daher weiterhin ein hoher Bedarf an wissenschaftlich fundierter und praxisorientierter Unterstützung bei der technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Bauinstandsetzungsprodukten auf der Basis mineralischer Baustoffe. Derzeit bearbeiten wir mehrere Projekte zur Charakterisierung von Steinzerfallsprozessen an historischen Bauwerken, zur Salzkristallisation und zur Entwicklung und Erprobung von Instandsetzungsbaustoffen. Ferner sind wir für die Erarbeitung von Instandsetzungsstrategien an historischen Objekten mit tätig und zudem eng mit dem Institut für Steinkonservierung (IFS) in Mainz vernetzt.

Ferner müssen wir auch verstärkt nach Möglichkeiten suchen, wie wir die Gebäudehüllen zur Energiegewinnung nutzen können.

Aber auch das Stoffrecycling wird zukünftig noch intensiver betrachtet werden müssen. Heute wird, trotz aller Betrachtungen der Energieeffizienz der Bauwerke m. E. noch deutlich zu wenig auf das Recycling der Baustoffe geachtet. Viele Baustoffe, insbesondere Multikompositbaustoffe, können nach dem Rückbau nur deponiert werden, weil sie nicht sortenrein trennbar sind. Im Gegensatz dazu könnten aufeinander abgestimmte, sortenreine Systeme die gleiche Leistungsfähigkeit haben, aber deutlich besser recyclebar sein. Man könnte sich zum Beispiel vorstellen, dass Gebäudehüllen aus dünnen, tragenden UHPC-Schalen konstruiert werden, die mit zementgebundenem Schaumbeton der TU Dortmund mit sehr hoher Wärmedämmung umgeben werden. Den Bauteilabschluss könnte ein abdichtender, dekorativer Zementaußenputz darstellen. Im Falle des Rückbaus hätte man so einen sortenreinen, wiederverwertbaren Baustoff den man im Wertstoffkreislauf halten kann.

Mit diesen multifunktionellen Betonen sind z.B. auch Dachkonstruktionen im Ein- und Mehrfamilienhausbau denkbar. Ein Vorteil wäre, dass durch die Vielseitigkeit des Baustoffs Beton hinsichtlich Gestaltung und Form PV-Anlagen direkt in die Betondachelemente integriert werden können. Selbstredend muss diese Art der modularen Bauweise auch architektonische Gestaltungsmöglichkeiten zulassen, damit sie von der Gesellschaft angenommen werden.

Das übergeordnete Ziel der gesamten Baustoffentwicklung wird zukünftig in der Energie- und Ressourceneinsparung liegen. Dieser Trend ist unübersehbar.