Werkstoffentwicklung und -optimierung
Einen thematischen Schwerpunkt der Forschung am Institut bildet die gezielte Entwicklung und Optimierung mineralisch gebundener Werkstoffe und Werkstoffkomposite vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit, der Dauerhaftigkeit und der Energieeffizienz. Von besonderer Bedeutung ist hier die Optimierung der Gefügemorphologie und der Porenstruktur unter Berücksichtigung von geeigneten Materialausgangsstoffen und Herstellungsverfahren. Insbesondere industrielle Herstellungsverfahren, wie sie im Bereich des Maschinen-, Flugzeug- und Anlagenbaus bereits verwendet werden (z.B. Pultrusion, Strangpressen oder gar 3D-Druckverfahren), finden auch in der Bauindustrie zunehmend Interesse. Für derartige Fertigungsprozesse müssen geeignete Materialien entwickelt und bereitgestellt werden, von hochporösen Leichtbetonen bis hin zu ultrahochfesten, faserverstärkten Hochleistungsbetonen. Diese verbesserten oder gar neuen Materialien müssen, wie bereits erwähnt, vielfältige Anforderungen erfüllen, da deren Leistungsfähigkeit nicht mehr nur über einfache Parameter wie die Druckfestigkeit definiert wird. So gewinnt beispielsweise die gezielte Entwicklung und Optimierung mineralisch gebundener Werkstoffe und Werkstoffkomposite vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit, der Dauerhaftigkeit und der Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung.
Werkstoffuntersuchung und Prüfverfahren
Während viele Materialeigenschaften in relativ einfachen Versuchen ermittelt werden können, ist ein besonderes Augenmerk der Dauerhaftigkeit zu schenken. Zwar sind grundsätzliche Schädigungsparameter bereits weitgehend bekannt, dennoch mangelt es heutzutage immer noch an geeigneten Untersuchungsmethoden und Modellen, die eine zuverlässige Dauerhaftigkeitsbewertung zulassen. Die Forschungsaktivitäten am Institut tragen dem Aspekt der Dauerhaftigkeit mittels verschiedenen Ansätzen Rechnung. Dies ist zunächst die Untersuchung auf der Mikro-, Meso- und Makroebene der porösen Materialien, und hier insbesondere der veränderlichen Porenstruktur und der durch die Porenstruktur maßgeblich bestimmten Materialeigenschaften und die im hohen Maße thermisch-hygrisch sowie chemisch initiieren Schädigungsprozesse. Die Untersuchungen beziehen sich nicht nur auf neue Materialkompositionen, sondern auch auf Bestandsbauten im Hinblick auf die Schadensursachenermittlung und die Instandsetzung. Unerlässlich ist vor diesem Hintergrund die Kombination mit chemischen und physikalisch/chemischen Untersuchungsmethoden. In den vergangenen Jahren wurden zudem bedeutende Fortschritte insbesondere im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) gemacht. Dies betrifft sowohl einfache ZfP-Verfahren, die auch draußen am Bauwerk eingesetzt werden können, als auch Verfahren wie die µ-CT oder die Nano-CT, die eine dreidimensionale Rekonstruktion von kleinsten Materialstrukturen auf Mikroebene ermöglichen. Derartige Informationen zur Materialstruktur können eine wertvolle Basis für die Werkstoffoptimierung und die Entwicklung von Materialmodellen darstellen. Das Potenzial der Zerstörungsfreien Prüfung ist dabei aber noch lange nicht ausgeschöpft. Beschränkt sich bisher die ZfP im Bauwesen im Wesentlichen auf die Detektion von Auffälligkeiten in einer Konstruktion, so finden sich viele, aber bislang noch nicht hinreichend erforschte Ansätze zur Materialcharakterisierung insbesondere im Bereich der elektrischen, elektromagnetischen und akustischen Verfahren (z.B. hinsichtlich Porosität, Feuchte-/Salzgehalt, Elastizitätsmodul, Festigkeit, Dichte etc.). Zukünftige Forschungsaktivitäten bleiben hier nicht auf die einmalige Untersuchung beschränkt, sondern werden auch um das kontinuierliche Monitoring mittels instrumentierter Messtechnik und neuartigen Sensoren ergänzt. Nur damit wird es möglich sein, wechselnde äußere Einwirkungen und deren Einfluss auf das Material hinreichend zur berücksichtigen.
Stoffgesetze, Modellbildung und num. Simulation
Es ist offensichtlich, dass sich mittels der neuen Prüf- und Untersuchungsmethoden multidimensionale Informationen gewinnen lassen, die händisch nicht mehr bewältigt werden können, was eine rechnergestützte Analyse unerlässlich macht. Insbesondere bei porösen inhomogenen Materialien besteht großer Bedarf an Modellen, die es ermöglichen, anhand von zerstörungsfrei ermittelbaren Parametern auf maßgebliche stoffliche Eigenschaften zu schließen und umgekehrt. Zukünftig werden verstärkt auch gekoppelte Modelle zur Materialcharakterisierung benötigt, die die instationären Ein- und Auswirkungen berücksichtigen. Dies beginnt bei Untersuchungen zum Erstarrungs- und Erhärtungsverhalten von mineralisch gebundenen Baustoffen und endet bei Smart Materials, deren Eigenschaften sich in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen verändern können. Ziel zukünftiger Forschungsaktivitäten ist daher, auf Basis kontinuierlich erfasster Daten neue, adaptive Multiparametermodelle zu entwickeln.
Es ist unser Bestreben, die genannten Forschungsschwerpunkte in internationaler Zusammenarbeit kooperativ anzugehen. Dabei behandeln wir die aufgezeichneten Thematiken übergreifend in den drei folgenden Arbeitsgruppen:
- Mineralische Baustoffe (insb. Betontechnologie)
- Nachhaltig Bauen
- ZfP & Dauerüberwachung
