Forschende der Empa haben ein innovatives System entwickelt, um marode Stahlbetonbrücken zu verstärken. Sie nutzen dabei einen ultrahochfesten Faserbeton in Kombination mit einem besonderen Formgedächtnisstahl. Dieses Material zieht sich beim Erhitzen zusammen und spannt die Betonstrukturen vor, wodurch Risse geschlossen und die Lebensdauer der Brücken deutlich verlängert werden.
Wichtige Erkenntnisse
- Neues Sanierungssystem für Brücken nutzt ultrahochfesten Faserbeton und Formgedächtnisstahl.
- Der Formgedächtnisstahl zieht sich beim Erhitzen zusammen und spannt den Beton vor.
- Bestehende Risse schliessen sich, und Verformungen bilden sich zurück.
- Das System verdoppelt die Tragfähigkeit und erhöht die Steifigkeit der Brückenplatten.
- Potenzial auch für den Hochbau, insbesondere bei stark geschädigten Strukturen.
Revolution in der Brückensanierung
Die Sanierung von Infrastrukturbauten stellt eine grosse Herausforderung dar. Viele ältere Brücken sind durch den täglichen Verkehr und Umwelteinflüsse stark beansprucht. Herkömmliche Methoden sind oft aufwendig und zeitintensiv. Ein Team der Empa, unter der Leitung von Forscherin Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski, präsentiert nun eine Lösung, die diesen Prozess vereinfachen könnte.
Das Kernstück der Neuentwicklung ist ein Eisen-basierter Formgedächtnisstahl (Fe-SMA). Dieser intelligente Stahl kann sich an seine ursprüngliche Form erinnern. Er ersetzt den herkömmlichen Bewehrungsstahl, der bisher in ultrahochfestem faserbewehrtem Beton (UHPFRC) eingebettet wurde. UHPFRC ist bereits bekannt für seine Dichte und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser.
Fakten zum Formgedächtnisstahl
- Material: Eisen-basierte Legierung (Fe-SMA) mit Mangan, Silizium und Chrom.
- Aktivierung: Erhitzen auf etwa 200 Grad Celsius.
- Effekt: Zieht sich zusammen, spannt den Beton vor, schliesst Risse.
- Vorteil: Keine externen Spannvorrichtungen nötig, einfache Anwendung.
Funktionsweise des intelligenten Materials
Nach dem Einbau der Fe-SMA-Stäbe in die Betonstruktur werden diese auf rund 200 Grad Celsius erhitzt. Der Stahl versucht dabei, sich in seine ursprüngliche Form zurückzuziehen. Da er jedoch im Beton verankert ist, entsteht eine interne Spannung. Diese Spannung wirkt wie eine Vorspannung, die den Beton zusammenpresst.
«Das Schöne an diesem Verstärkungssystem ist seine Einfachheit», erklärt Angela Sequeira Lemos. «Man verankert die Stäbe, erwärmt sie – und sie erledigen den Rest von selbst.» Diese Methode hat einen doppelten Nutzen: Sie kann nicht nur bestehende Risse schliessen, sondern auch leicht verformte Elemente wieder anheben. Dies verlängert die Lebensdauer von Brücken erheblich.
Grossversuche bestätigen Wirksamkeit
Das Empa-Team führte umfangreiche Tests in ihrer Bauhalle durch. Fünf Meter lange Betonplatten, die freitragende Brückendecks simulierten, dienten als Testobjekte. Eine Platte blieb unverstärkt, während die anderen mit einer Schicht UHPFRC versehen wurden. Dabei kam entweder herkömmlicher Bewehrungsstahl oder der neue Fe-SMA-Stahl zum Einsatz.
Um realistische Bedingungen nachzubilden, wurden die Platten vor der Verstärkung gezielt zum Reissen gebracht. Nach dem Einbau und der Aktivierung der Fe-SMA-Stäbe zeigte sich ein beeindruckendes Ergebnis: Bereits während des Erhitzens schlossen sich die vorhandenen Risse sichtbar, und die Verformungen bildeten sich vollständig zurück. Die Platten wurden deutlich steifer.
«Wir konnten zeigen, dass unser System nicht nur funktioniert, sondern bestehende Brücken tatsächlich wiederbeleben kann.»
Angela Sequeira Lemos, Empa-Forscherin
Überwachung mit fortschrittlichen Sensoren
Die Forschenden setzten bei den Grossversuchen auf modernste Messtechnik. Kameras überwachten die Rissbildung auf der Betonoberfläche. Zusätzlich wurden faseroptische Sensoren direkt entlang der Stahlstäbe im Beton eingebettet. Diese Sensoren funktionieren ähnlich wie Glasfaserkabel in der Telekommunikation.
«Anstatt verschlüsselte Daten durch die Fasern zu senden, analysieren wir das zurückgestreute Licht», erläutert Sequeira Lemos die Methode. «So können wir genau sehen, wie sich die Stäbe verformen.» Diese präzisen Messungen lieferten wichtige Daten über das Zusammenspiel von Formgedächtnisstahl und Faserbeton.
Hintergrund: Ultrahochfester Faserbeton (UHPFRC)
UHPFRC ist ein Spezialbeton, der sich durch extrem hohe Druck- und Zugfestigkeit auszeichnet. Durch die Zugabe von Stahlfasern wird die Duktilität (Verformbarkeit) des Betons erhöht und die Rissbildung minimiert. Er ist besonders dicht und widerstandsfähig gegenüber aggressiven Medien wie Wasser und Tausalzen, was ihn ideal für den Einsatz in Brücken macht.
Deutlich höhere Tragfähigkeit und Lebensdauer
Die Testergebnisse waren eindeutig: Sowohl die herkömmliche Verstärkung als auch das neue System mit Formgedächtnisstahl verdoppelten mindestens die Tragfähigkeit einer unverstärkten Platte. Unter realitätsnahen Alltagsbedingungen zeigte sich das System mit Fe-SMA jedoch als überlegen. Es machte die Brückenplatte nicht nur steifer, sondern verzögerte auch bleibende Verformungen.
Die Fähigkeit, bereits vorhandene Risse zu schliessen und durchhängende Bauteile leicht anzuheben, ist ein entscheidender Vorteil. Dies führt zu einer signifikanten Verlängerung der Lebensdauer der sanierten Brücken und reduziert den Wartungsaufwand.
Potenzial und zukünftige Anwendungen
Aktuell sind die Kosten für die verwendeten Materialien des neuartigen Systems noch höher als bei herkömmlichen Methoden. Die Empa sieht den Einsatz daher primär bei stark verformten oder bereits geschädigten Brücken als sinnvoll an. Dort, wo konventionelle Sanierungsansätze an ihre Grenzen stossen, bietet das Fe-SMA-System eine effektive Alternative.
Angela Sequeira Lemos sieht auch Einsatzmöglichkeiten im Hochbau. Beispielsweise könnten Balkone oder Flachdächer, die kompakte Lösungen oder hervorragende Dichtungseigenschaften erfordern, von dieser Technologie profitieren. Das Projekt wurde von Innosuisse gefördert und entstand in Zusammenarbeit mit der Ostschweizer Fachhochschule OST, dem Empa-Spin-off «re-fer» und Cemsuisse, dem Verband der Schweizer Zementindustrie.
Das Team sucht nun nach einer geeigneten Brücke für den ersten Praxiseinsatz. «Wenn wir mit unserem System eine echte Brücke verstärken können, dürfte das Interesse der Industrie schnell wachsen», ist Sequeira Lemos überzeugt. Mit steigender Nachfrage könnten die Materialkosten sinken, was diese Technologie zu einem Game-Changer in der nachhaltigen Brückensanierung machen würde.
