Interdisziplinäre Baustoffforschung mittels skalenübergreifender Ansätze

university of kassel
Zum 01.10.2012 hat Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Midden­dorf das Fachgebiet „Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie“ am Fachbereich Bauingenieur- und Umwelt­ingenieurwesen an der Universität Kassel von Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Schmidt übernommen.

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.

 

ZKG: Sehr geehrter Herr Prof. Middendorf, was hat Sie motiviert, sich für die Professur in Kassel zu bewerben?
Prof. Middendorf: Die Universität Kassel hat sich in der Grundlagen- und angewandten Forschung in den letzten 10 Jahren sehr positiv entwickelt. Die interdisziplinäre Vernetzung und die Zusammenarbeit zwischen den Fachbereichen sind beispielhaft gut. Des Weiteren ist die Universität Kassel national und international bestens vernetzt. Mit dem „Center for Interdisciplinary Nano­structure Science and Technology“ (CINSaT), ein Zentrum nanostrukturwissenschaftlicher Aktivitäten mit breiter Unterstützung aus den Fachbereichen Mathematik und Naturwissenschaften, Elektrotechnik/Informatik, Maschinenbau, Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen und Philosophie, verfügt die Universität Kassel über eine interdisziplinäre Arbeitsgemeinschaft, um wichtige Zukunftstechnologien mitzugestalten und einen effizienten Technologietransfer zu fördern. Ferner ist dem Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen eine Amtliche Materialprüfanstalt für das Bauwesen (AMPA) angeschlossen, mit der zum einen das Leistungsspektrum ergänzt und zum anderen der Kontakt und Austausch mit der Bauindustrie gehalten wird.

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.

ZKG: Welche thematischen Schwerpunkte werden derzeit in Kassel erforscht?
Prof. Middendorf: Prof. Schmidt und Prof. Fehling (Fachgebiet Massivbau) haben schwerpunktmäßig den Forschungsbereich Ultrahochfeste Betone (UHPC) aufgebaut. Unter anderem wurde an der Universität Kassel das DFG-Schwerpunktprogramm (SPP 1182) „Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton“ initiiert und koordiniert. Ferner laufen derzeit noch weitere öffentlich geförderte Projekte, in denen die Umsetzung von UHPC in die Praxis vorangetrieben wird. Zu nennen sind hier die Einsatzmöglichkeiten von UHPC als Whitetopping-Material, geräuscharme Fahrbahnbeläge, Pflastersteine und für Konstruktionen in Windparks.

 

ZKG: Inwiefern führen Sie die Initiativen Ihres Vorgängers weiter, und wo wollen Sie neue Akzente setzen?
Prof. Middendorf: Der oben schon angesprochene Baustoff UHPC ist eng mit dem Fachgebiet „Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie“ verknüpft, da an der Universität Kassel seit mehr als 10 Jahren die UHPC-Technologie intensiv und erfolgreich erforscht worden ist. Die Implementierung von UHPC in die Bauwirtschaft, d.h. deren Anwendung in Bauprojekten, in denen dessen spezifischen Eigenschaften und Vorteile ausgenutzt werden können, soll zukünftig weiter intensiviert werden. Mein Team und ich sind in der glücklichen Lage, dass Prof. Schmidt in seinen letzten aktiven Dienstjahren erfolgreich Forschungsprojekte zum Thema UHPC akquiriert hat, welche z.T. Laufzeiten bis Ende 2014 haben. Gemeinsam mit Prof. Schmidt werden diese Projekte bearbeitet und daraus sicherlich weitere Fragestellungen abgeleitet, die es dann zukünftig in Forschungsprojekten zu beantworten gilt.

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.

ZKG: Wie wird das methodisch unterstützt werden, welche Voraussetzungen sind zu schaffen, um in diesen Bereichen erfolgreich forschen zu können?
Prof. Middendorf: Eine Vielzahl von Untersuchungen zur Charakterisierung des Porenraums und der Baustoffmatrix sind an meinem neuen Fachgebiet bereits möglich. Ich kann auf eine umfangreiche Ausstattung zurückgreifen, werde allerdings ergänzend für die dreidimensionale Abbildung der Mikrogefüge einen hochauflösenden Computertomographen (µ-CT) beschaffen. Dieses Messinstrument soll in Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen fachbereichsübergreifend genutzt werden, was zudem den interdisziplinären Austausch und damit die Kreativität der Nutzer fördert. Die erzielten Ergebnisse sollen in die Entwicklung von Werkstoffmodellen einfließen, die dann auch in Computersimulationen untersucht und mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden können. Dabei soll immer die Umsetzung der Ergebnisse zur Entwicklung noch leistungsfähigerer und effizienterer Baustoffe mit im Vordergrund stehen.

 

ZKG: Ihre Vision der Baustoffe der Zukunft? Wo geht die Reise hin?
Prof. Middendorf: Energie- und Personalkosten werden in Zukunft – deutlich stärker als heute schon – einen Großteil der Baukosten ausmachen. Die Baustoffe der Zukunft müssen daher energieärmer produziert und diese optimierten Baustoffe auch möglichst weltweit verwendet werden. Dazu ist eine noch stärkere Internationalisierung der Forschung notwendig.

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.

 

ZKG: Wir danken Ihnen für das Gespräch.

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