Beiträge zur Optimierung und Funktionalisierung eines Hochleistungsleichtbetons auf Basis von Silica-Aerogelen

Beton ist nach Wasser die am meisten genutzte Ressource der Welt. Maßgeblich für dieses Phänomen sind die herausragenden Eigenschaften dieses Werkstoffs, der bei freier Formbarkeit die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen mit großer Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit ermöglicht. Es ist daher zu erwarten, dass die Betonbauweise auch für das zukünftige Bauwesen von zentraler Bedeutung sein wird – wenngleich der Werkstoff Beton seit einiger Zeit zunehmend in der Kritik steht: Seine Verwendung geht mit einem hohen Verbrauch natürlicher Ressourcen wie Kalkstein, Sand und Wasser einher, und mit der Herstellung des benötigten Zements ist die Emission großer Mengen klimaschädlichen Kohlendioxids verbunden. Um die Betonbauweise nachhaltig und zukunftsfähig zu gestalten, sind die hieraus resultierenden Problemstellungen im Hinblick auf Ressourcenschonung und Klimaschutz zu bewältigen. Diesen Herausforderungen steht auf der anderen Seite eine Vielzahl innovativer Entwicklungen in der Betontechnologie gegenüber, die Beiträge zur Lösung des Problems sein können. Im ersten Teil dieser Habilitationsschrift werden die werkstofflichen Grundlagen für die eigene Forschung zusammengefasst, indem ein umfassender Überblick über die betontechnologischen Entwicklungen der letzten drei Dekaden und den aktuellen Stand der Forschung gegeben wird. Der Fokus liegt hier auf modernen Hochleistungsbetonen und ihren besonderen Eigenschaften, wobei die Aspekte Druckfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Wärmedämmung im Vordergrund stehen. Einen besonderen Schwerpunkt bilden die Themen Klimaschutz und Nachhaltigkeit sowie die hiermit verbundenen Herausforderungen und Lösungsansätze. Abschließend wird beleuchtet, wie durch die zusätzliche Funktionalisierung von Beton ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden kann. Daran anknüpfend werden im zweiten Teil der Arbeit die Beiträge des Autors zur Entwicklung eines wärmedämmenden Konstruktionsleichtbetons auf Basis von Silica-Aerogelen zusammengefasst. Die Grundlage hierfür bildet der am Institut für Massivbau der Universität Duisburg-Essen in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln entwickelte Hochleistungsaerogelbeton (HPAC), der über eine Reihe herausragender Eigenschaften verfügt. Dazu zählen beispielsweise ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit, ein hohes Schallabsorptionsvermögen und ein hoher Feuerwiderstand. Die eigenen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Druckfestigkeit weiter zu steigern, Schwindverformungen zu reduzieren, das Treibhauspotenzial zu verringern und den Werkstoff mit photokatalytischen Eigenschaften auszustatten. Methodisch werden hierbei einerseits Ansätze verfolgt, die auf einer gezielten Anpassung der Matrix, beispielsweise durch Packungsdichtoptimierung, Wärmebehandlung oder (Teil-)Substitution von Portlandzement durch Zementersatzstoffe oder alternative Bindemittel, beruhen. Zum anderen werden erstmals systematische Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Silica-Aerogele auf die genannten Eigenschaften durchgeführt.