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Bröckelnde Tunnelwände, Risse in Betonfassaden oder poröse Brückenpfeiler: Schäden an Betonbauwerken, hervorgerufen durch diverse Umwelteinflüsse, verursachen laut Statistiken der National Association of Corrosion Engineers (NACE) weltweit jedes Jahr Kosten von mehreren Milliarden Euro. Im Schulterschluss mit der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (ÖBV) wollen Forschende der TU Graz zur Lösung dieses globalen volkswirtschaftlichen Problems beitragen.
Im Projekt LumAConM (High-resolution Luminescent Analyses of Construction Materials) arbeitet das Konsortium an einem neuartigen, einfachen und kostengünstigen Verfahren, das erstmals eine detaillierte Zustandserhebung von Betonbauten vor Ort am Bauwerk sowie Labormessungen in noch nie dagewesener Präzision ermöglicht. Damit können die Lebensdauer, sowie etwaige Problemstellen, sehr viel schneller und präziser bewertet werden, als es mit derzeit verfügbaren Analysemethoden möglich ist. Die Forschenden erhoffen sich durch das neue Verfahren außerdem ein besseres Verständnis über den Verlauf wesentlicher Korrosionsprozesse. „Dieses Wissen ermöglicht zielgerichtete und kostengünstige Sanierungen und ist wesentlich für die Entwicklung neuer, nachhaltiger und dauerhafter Materialien“, erklärt Florian Mittermayr, Forscher am Institut für Materialprüfung für Baustofftechnologie der TU Graz.
Innovatives Sensormaterial als Basis
Optisch-chemische Sensorik bildet die Grundlage für das neue Verfahren. Diese hochentwickelte, optische Messanalytik wurde bislang vor allem in der Biotechnologie und Medizintechnik eingesetzt. „Wir wollen das Werkzeug nun auch in der Zustandserhebung von Betoninfrastruktur anwenden und damit eine völlig neue Generation von Sensoren für die Baubranche entwickeln“, so Bernhard Müller, Chemiker am Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie.
Beispielhaft dafür steht ein an der TU Graz umgesetztes bildgebendes Messsystem zur quantitativen Bestimmung des pH-Wertes in zementbasierenden Materialien – ein Parameter, der meist direkt mit Korrosionsschäden korreliert. Das Messsystem besteht aus einer Kunststofffolie mit einer quellbaren (also wasseraufnehmenden) Polymerschicht, in der ein Indikatorfarbstoff sowie ein Referenzfarbstoff enthalten sind. Die Größe der Sensorfolie kann dabei an die Größe des zu untersuchenden Probekörpers angepasst werden. Die nasse Folie wird auf den Probekörper aufgebracht und die pH-Verteilungsbilder dann mithilfe einer Spezialkamera generiert. Diese Technik konnte Unregelmäßigkeiten im pH-Wert in verschiedenen Baustoffen bereits sehr genau erfassen und Korrosionsschäden äußerst detailliert charakterisieren. Im LumAConM-Projekt soll das Messsystem nun bis Ende des Jahres 2022 weiterentwickelt werden und in einer vielseitig einsetzbaren Messtechnologie münden.
Weitreichende Anwendungsmöglichkeiten
Zum einen wollen die Forschenden das Messsystem auf weitere Parameter wie zum Beispiel Chlorid erweitern. Das würde erstmals die kombinierte Bestimmung der Chlorid-Konzentration und des pH-Wertes direkt vor Ort an Betonbauwerken ermöglichen. Chlorid-Angriffe, verursacht beispielsweise durch Streusalze im Winter, stellen eine erhebliche Korrosionsgefahr für Betonbauwerke dar (insbesondere für Brücken) und zählen zu den weltweit häufigsten Korrosionsursachen.
Zum anderen soll das für die Folien entwickelte Sensormaterial auch auf andere Sensorformate übertragen werden: Bei unebenen Betonoberflächen, für die sich die Folien nicht eignen, möchte das Team aufsprühbare Sensorpartikel einsetzen und die Imaging-Technik dadurch auch für die gängige Praxis des Aufstemmens vor Ort verfügbar machen. Derzeit erfolgt die Zustandserhebung aufwendig mittels Bohrkernentnahme und aufwendiger Chlorid-Bestimmung durch Chlorid-Titration. Außerdem planen die Forschenden die Herstellung miniaturisierter Sonden basierend auf optischen Fasern. Das würde nicht nur Messungen an der Betonoberfläche ermöglichen, sondern mittels Bohrlöchern auch das einfache Erstellen von Tiefenprofilen erlauben.
Cyrill Grengg vom Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Graz bescheinigt der Messtechnologie enormes Potential: „Ich denke, das Verfahren kann mittel- bis langfristig andere, teurere und aufwendigere Untersuchungsmethoden zu großen Teilen ersetzen und das Qualitätsmanagement im Betonbau entscheidend erleichtern.“
LumAConM ist an der TU Graz in den Fields of Expertise „Advanced Materials Science“ und „Sustainable Systems“ verankert, zwei von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten der Universität.
Kooperationspartner
- TU Graz: Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie (ACFC); Institut für Angewandte Geowissenschaften (IAG); Institut für Materialprüfung für Baustofftechnologie mit angeschlossener TVFA für Festigkeits- und Materialprüfung (IMBT-TVFA)
- Österreichische Bautechnik Vereinigung (ÖBV)
- ÖBB Infrastruktur AG
- ASFiNAG Bau Management GmbH
- Linz Service GmbH
- Wiener Linien GmbH
- Holding Graz AG
- Energie Steiermark AG
- Verband Österreichischer Beton und Fertigteilwerke (VÖB)
- Güterverband Transportbeton
- PyroScience AT GmbH
- Materialprüfanstalt Hartl GmbH
- Nievelt Labor GmbH
- Bautechnische Versuchsanstalt HTL Rankweil
- Palfinger Structural Inspection GmbH
- Vermessung ADP Rinner
