Flüssiger Beton, so wie wir in kennen. Speziell in Form gebracht, kann er extremen Belastungen widerstehen. (Bildquelle: Adobe Firefly, KI-generiert)

Beton war als opus caementitium bereits den Römern bekannt. Ihm verdanken wir unter anderem, dass wir Bauwerke wie das Kolosseum und das Pantheon auch fast 2.000 Jahre nach ihrer Errichtung noch bewundern können.

Beton ist der Menschheit also schon lange bekannt und ist bis heute für die Bauwirtschaft von zentraler Bedeutung.

Damit Zementprodukte den Anforderungen der Moderne gewachsen sind, wird daran immer noch geforscht. So ist Wissenschaftlern der Universität Princeton vor Kurzem ein Durchbruch gelungen, der Beton um ein Vielfaches widerstandsfähiger macht. Und das sogar mit relativ simplen Mitteln (via Techexplorist).

Dabei haben sich die Forschenden von menschlichen Knochen inspirieren lassen, wie sie in ihrer Studie schreiben.

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Was genau haben sie herausgefunden?

Indem sie die robuste äußere Schicht menschlicher Knochen nachahmten, konnten die Wissenschaftler die Widerstandsfähigkeit (genauer: die Zähigkeit) eines Zementprodukts um das 5,6-fache gegenüber einem monolithischen Gegenstück steigern. Das Material trotzt Rissen sowie Brüchen und verhindert gleichzeitig abruptes Versagen bei Verformung.

Konkret haben sich die Forscher die Kortikalis des menschlichen Oberschenkelknochens genauer angesehen. Das ist die Knochenschicht, die das schwammartige Innengewebe umgibt. Sie ist besonders hart und schützt den Knochen vor Druck-, Biege- und Drehkräften.

Dabei ist die Kortikalis nicht massiv, sondern von röhrenförmigen, sogenannten Osteonen (Knochenkanäle inklusive darum angeordnete Knochenlamellen) durchzogen. Diese machen Knochen zugleich leicht und stabil.

Menschlicher Knochen Neuartiger Betonblock

So sieht das menschliche Vorbild in Form eines Oberschenkelknochens aus. (Bildquelle: Wiley Onlinelibrary)

Mittels 3D-Druck (für die Formen) und Guss konnte das Team um Reza Moini Blöcke aus Zementpaste herstellen, die sowohl kreisrunde als auch elliptische Röhren beinhalten.

Der Clou dabei: Tritt ein Riss oder Bruch auf, durchdringt er nicht den gesamten oder einen wesentlichen Teil des Blocks, sondern reicht nur noch bis zu einer Röhre.

Man erwartet, dass das Material weniger rissbeständig wird, wenn sich darin hohle Rohre befinden. Wir haben gelernt, dass wir die Interaktion zwischen Rissen und Rohren fördern können, indem wir die Geometrie, Größe, Form und Ausrichtung der Rohre nutzen, um eine Eigenschaft zu verbessern, ohne eine andere zu opfern.

Reza Moini, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität Princeton

Soll heißen: Die Zähigkeit wurde gesteigert, ohne an Festigkeit zu verlieren.

Unterschied zwischen Zähigkeit und Festigkeit

Die Zähigkeit beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Bruch- oder Rissausbreitung. Die Festigkeit wiederum ist als Beanspruchbarkeit durch mechanische Belastung definiert, bevor es zu einem Versagen kommt.

Und das unter Verzicht auf zusätzliche Materialien, wie beispielsweise Fasern. Außerdem hat ein derart geformter Betonblock einen Gewichtsvorteil.

Unklar ist indes, wie viel robuster ein solcher Block im Vergleich mit einem ist, der mit Fasern oder Stahl verstärkt wurde. Womöglich lassen sich die herkömmliche (Fasern sowie Stahl) und architektonische Herangehensweise aber sogar verbinden.

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Weitere Entwicklung hilft auch anderen Materialien

Das Forschungsteam der Universität Princeton hat zudem eine Methode entwickelt, um den Grad an Unordnung in einem Material zu bestimmen. Damit können Materialien viel präziser entwickelt und gefertigt werden. Moini beschreibt das folgendermaßen:

Dieser Ansatz gibt uns ein leistungsfähiges Werkzeug, um Materialien mit einem maßgeschneiderten Grad an Unordnung zu beschreiben und zu entwerfen.

Der Einsatz fortschrittlicher Fertigungsmethoden wie der additiven Fertigung kann das Design ungeordneter und mechanisch günstigerer Strukturen weiter fördern und die Skalierung dieser rohrförmigen Designs für zivile Infrastrukturkomponenten mit Beton ermöglichen.

Reza Moini, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität Princeton

Der gute, alte Beton ist hinsichtlich seiner Eigenschaften also noch längst nicht ausgereizt. Und auch andere Materialien könnten von der Forschung profitieren:

Wir haben gerade erst begonnen, die Möglichkeiten zu erforschen. Es gibt viele Variablen, die wir untersuchen müssen, z. B. den Grad der Unordnung in Bezug auf die Größe, Form und Ausrichtung der Rohre im Material. [...] Diese Prinzipien könnten auf andere spröde Materialien angewendet werden, um schadensresistentere Strukturen zu entwickeln.

Shashank Gupta, Student im Fach Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität Princeton

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Womöglich können Architekten damit in Zukunft ganz anders planen und viel gewagtere Bauwerke realisieren, als es heute möglich ist. Wir dürfen wohl gespannt sein.

Was meint ihr? Glaubt ihr, dass wir das neuartige Design von zementbasierten Materialien schon bald in der Praxis sehen werden? Schreibt es uns gerne in die Kommentare!