Projekt 28646/01

Entwicklung eines Leichtbetons mit tragenden und hoch dämmenden Eigenschaften als matrixoptimierter und gefügedichter Werkstoff aus zementgebundenem, hydrophobiertem Aerogelgranulat

Projektdurchführung

Universität Stuttgart Zentrale Verwaltung Kanzlerin der Universität Stuttgart
Keplerstr. 7
70174 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um den energieeffizienten Betrieb eines Gebäudes nach heutigem Standard zu ermöglichen, ist der Einsatz von Wärmedämmung obligatorisch. Zu diesem Zweck werden die Außenwände lückenlos mit Dämmstoffen verkleidet. Als wichtigste Materialien kommen mit zusammen 80 % Marktanteil Mineralwolle und expandierter Polystyrol Hartschaum (EPS) in Form von Dämmplatten zum Einsatz. Nahezu alle Gebäude sind nach diesem Prinzip des mehrschaligen Wandaufbaus mit einer klaren Funktionstrennung der einzelnen Schichten konzipiert. Mit einem monolithisch einsetzbaren Leichtbetonwerkstoff ist der gesetzlich vorgeschriebene Wärmeschutz eines Gebäudes nicht mehr wirtschaftlich zu erreichen. Die Hersteller reagieren mit einer zusätzlichen Kerndämmung. Diese Vorgehensweise führt jedoch die Vorteile in Konstruktion und Fertigung ad absurdum. Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Entwicklung einer Leichtbetonrezeptur auf der Basis von Aerogelen durch die Anwendung von Methoden aus der ultrahochfesten Betonentwicklung (UHPC). Dadurch sollte unter Beibehaltung einer ausreichenden Festigkeit eine außerordentlich reduzierte Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Anschließende Untersuchungen evaluierten die baupraktisch relevanten Materialparameter. Das ITKE konzipierte die baukonstruktive Anwendung des Werkstoffs für typische Detaillösungen. Die Verwendung von Betonfertigteil-Wandelementen beinhaltete eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses und führte zu deutlichen Umweltentlastungseffekten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie maßgebliche Zeitachse des Projekts ergab sich durch die Arbeitsfelder B und C. Die Evaluation der Materialparameter wurde erst mit Beendung der Materialentwicklung aufgenommen.
Feld A Ökobilanz Aerogelbeton - ITKE (11M projektbegleitend)
Es wurde eine aussagekräftige ökologische Bewertung des neuen Werkstoffs geplant, indem als Funktionseinheit 1 m2 Außenwand mit definierter Dämmleistung in verschiedener Ausführung miteinander verglichen wurde. Dazu wurden die verwendeten Materialien und Rohstoffe in der Software GaBi bilanziert.
Feld B Entwicklung aerogelhaltiger Leichtbetonwerkstoff - G.tecz (ca. 9M)
Die Werkstoffentwicklung erfolgte auf Basis der Quantz®-Technologie der Firma G.tecz. Mit Hilfe von Versuchen und rechnerischen Algorithmen wurde die Rezeptur entwickelt.
Feld C Ermittlung Materialparameter - ITKE, G.tecz, IBP, MPA (ca. 2,5M)
Es wurde untersucht: Druck- und Biegezugfestigkeit; E-Modul; Wärmeleitfähigkeit ?; Abwitterung durch Frost-Tauwechsel; Schwinden und Kriechen, Bewehrungsverbundverhalten und Feuerwiderstand.
Feld D Konstruktionskatalog - ITKE (1M projektbegleitend erstellbar)
Der Konstruktionskatalog zeigte eine Reihe von Konstruktionsvorschlägen, um die vereinfachte bauliche Ausführung zu demonstrieren.
Feld E Projektdokumentation - ITKE, G.tecz, IBP, MPA (1M)
Die Ergebnisse der Arbeitsfelder A-D wurden in einem gemeinsamen Abschlussbericht auf Basis der Teildokumentationen zusammengestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses Projekts wurde die Entwicklung einer neuen Materialzusammensetzung, welche sich von bestehenden Patentlösungen unterscheidet, betrieben, die durch die Optimierung der Materialeigenschaften Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Verarbeitbarkeit einen praxistauglichen Leichtbeton unter Verwendung eines Aerogelzuschlags zum Ziel hat. Das lufthärtende Material weist bei einer Trockenrohdichte von 520 kg/m3 eine Druckfestigkeit von 2,5 N/mm2 und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,09 W/mK auf. Der Aerogelgehalt beträgt dabei 65 Vol%. Die Materialeigenschaften des gefügedichten Werkstoffs sind das Ergebnis einer Packungsdichteoptimierung. Das Material lässt sich innerhalb einer Mischzeit von 4 Minuten in herkömmlichen Mischwerkzeugen herstellen. Der mineralische Dämmzuschlag Aerogelgranulat ist nicht brennbar, offenporig und hydrophobiert. Die wasserabweisenden Eigenschaften führen beim Einmischen zu einer durchgehenden Hydrophobierung des Betons. Durch die Frost-Tauwechselversuche konnte keine messbare Abwitterung festgestellt werden, was auf die wasserabweisende Eigenschaft des Materials zurückgeführt werden kann. Es ergab sich auch keine messbare innere Gefügestörung. Brandversuche haben gezeigt, dass das Material hohe Temperaturen ohne explosionsartiges Versagen verkraftet und ab einer Temperatur von 2.000 °C zu schmelzen beginnt. Der statisch bestimmte E-Modul des Materials beträgt 1.100 MPa. Der Mittelwert der maximalen Verbundspannung konnte mit 0,9 N/mm2 bei 0,02 mm Schlupf festgestellt werden.
Recyclingversuche ergaben ein geeignetes Materialrückgewinnungsverfahren der Aerogele durch grobes Vorbrechen und dem Brechen mit einem Backenbrecher auf einen möglichst kleinen Durchmesser. Ab 2 mm Korndurchmesser ergab sich eine Trennung von Zementmatrix und Aerogelen.
Ein Vergleich bisher durchgeführter Studien ergab keinen Hinweis auf ein erhöhtes Krebsrisiko durch amorphe Silikaverbindungen, aus denen Aerogele bestehen. Aerogele enthalten keine umweltschädlichen und krankheitserregenden Zusatzstoffe. Bei der Verarbeitung müssen Schutzmaßnahmen bezüglich einer erhöhten Staubschutzentwicklung getroffen werden. Der Mischungsentwurf wurde auf eine minimierte Staubentwicklung optimiert. Unterkritisch hergestellte Aerogele werden aus Nebenprodukten der chemischen Industrie in einem niederthermischen, nasschemischen Prozess gefertigt, was ihre Ökobilanz positiv beeinflusst. Vom Hersteller gab es keinerlei Unterstützung, eine ökobilanzielle Betrachtung des Materials aufzustellen. Veröffentlichte Ökobilanzen für überkritisch hergestelltes Aerogel zeigen keinen Vorteil in der gewählten funktionalen Einheit. Eine Vergleichbarkeit zwischen den beiden Produktionswegen ist jedoch aufgrund der großen Unterschiede kaum gegeben. Fachgespräche mit verschiedenen Institutionen ergaben, dass die ökobilanzielle Betrachtung sowie Untersuchungen bezüglich des Gesundheitsgefährdungspotentials des Materials derzeit keinen Forschungsgegenstand darstellen. Die Langzeituntersuchung zeigte, dass das Material ein sehr großes durch die äußeren Umgebungsbedingungen stark beeinflusstes Schwindverhalten aufwies. Die Kriechversuche wurden aufgrund dieser Einflüsse nach 140 Tagen ergebnislos abgebrochen.
Eine Darstellung verschiedener Standarddetails zeigt das Vereinfachungspotential der Konstruktion bei der Verwendung eines durchgehend gedämmten Wandaufbaus.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Forschungsergebnisse werden in Form eines Fachthemas in der Zeitschrift Beton- und Stahlbetonbau veröffentlicht. (geplant 2012)


Fazit

Leichtbeton mit Aerogelzuschlag weist eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bei ausreichender Festigkeit auf, um als monolithischer Wandbaustoff für tragende Außenbauteile eingesetzt werden zu können. Die hydrophoben Materialeigenschaften verleihen dem Material eine wasserabweisende und verschmutzungsresistente Oberfläche, die sehr gut als Sichtbeton ohne weiteren Fassadenaufbau ausgeführt werden kann. Das Material erweist sich jedoch aufgrund der reaktiven Anteile und des fehlenden stabilisierenden Korngerüsts als sehr anfällig gegenüber äußeren Einflüssen wie etwa Feuchtigkeitsänderung.

Die sehr große Schwindneigung kann durch den Austausch eines Zementanteils durch nichtreaktive Komponenten deutlich reduziert werden. Die Mikrorissbildung reduziert sich, womit ebenfalls eine Steigerung der Festigkeitswerte einhergeht. Aerogele können als Feststoffporen in der Betonmatrix interpretiert werden. Die lastabtragende Funktion obliegt vollständig der Matrix. Der nichtreaktive Anteil trägt zu einem Aufbau eines inkompressiblen Korngerüsts bei. Die ersten Versuche zeigten bei einem volumengleichen Austausch eines Zementanteils durch nichtreaktive Stoffe und der Änderung der Zementart eine Steigerung der Festigkeitsentwicklung auf 5 N/mm2. Auf diesem Weg sollte ein verbessertes Langzeitverhalten in Form einer reduzierten Schwind- und Kriechverformung erzielt werden können.