Heute werden Brücken bereits mit einer zusätzlichen Schicht aus ultrahochfestem faserbewehrtem Beton (UHPFRC) verstärkt. Dieser Hochleistungsbeton wird direkt auf die Fahrbahnplatten aufgebracht, ist besonders dicht und widerstandsfähig gegen Wasser. Herkömmlicher Bewehrungsstahl wird darin eingebettet, um die Tragfähigkeit zu erhöhen.
Ein Empa-Team um Forscherin Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski aus der Abteilung «Structural Engineering» ging nun einen Schritt weiter: Sie ersetzen die herkömmliche Stahlbewehrung durch Formgedächtnisstahl auf Eisenbasis (Fe-SMA) – ein «intelligentes» Material, das sich an seine ursprüngliche Form erinnern kann. Nach dem Einbau werden die Stäbe auf etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Da sie sich zusammenziehen wollen, aber durch den Beton zurückgehalten werden, entsteht eine innere Spannung. Diese inneren Kräfte können Risse schliessen, deformierte Elemente anheben und die Lebensdauer einer Brücke verlängern – ganz ohne aufwendige Spannvorrichtungen. «Das Schöne an diesem Verstärkungssystem ist seine Einfachheit», sagt Sequeira Lemos. «Man verankert die Stäbe, erwärmt sie – und sie erledigen den Rest von selbst.»
Grossversuche in der Empa-Bauhalle
Zunächst untersuchte das Empa-Team das Zusammenspiel zwischen dem Formgedächtnisstahl und dem ultrahochfesten Faserbeton, die erstmals kombiniert wurden. Die Forschenden analysierten, wie gut die beiden Materialien auch nach dem Erhitzen des Formgedächtnisstahls miteinander verbunden sind und welche Kräfte übertragen werden können.
Darauf folgten Grossversuche in der Bauhalle der Empa mit fünf Betonplatten von jeweils fünf Metern Länge, die freitragende Brückendecks nachbildeten. Eine Platte blieb unverstärkt, während die anderen mit einer Schicht aus ultrahochfestem faserbewehrtem Beton versehen wurden – entweder mit herkömmlicher Bewehrung oder mit Fe-SMA-Stäben. Um reale Bedingungen zu simulieren, brachte das Team die Platten zunächst gezielt zum Riss, bevor sie verstärkt wurden – so wie es auch bei einer echten Brückensanierung der Fall wäre.
Nach dem Einbau erhitzten die Forschenden die Fe-SMA-Stäbe, wodurch diese versuchten, sich in ihre ursprüngliche Form zusammenzuziehen und die Stahlbetonstruktur vorzuspannen. Bereits während der Aktivierung schlossen sich bestehende Risse sichtbar und verbliebene Verformungen bildeten sich vollständig zurück.
Deutlich steifer und langlebiger
Mit modernsten Messmethoden verfolgten die Forschenden kontinuierlich Verformungen im Innern der Platten. Digitale Kameras überwachten die Risse auf der Betonoberfläche, während winzige faseroptische Sensoren entlang der Stäbe eingebettet waren. «Wir nutzen Sensoren, die ähnlich funktionieren wie Glasfaserkabel in der Telekommunikation», erklärt die Empa-Forscherin. «Anstatt jedoch verschlüsselte Daten durch die Fasern zu senden, analysieren wir das zurückgestreute Licht. So können wir genau sehen, wie sich die Stäbe verformen.»
Die Versuche zeigten: Sowohl die herkömmliche Verstärkung als auch das neuartige System mit Formgedächtnisstahl verdoppelten mindestens die Tragfähigkeit einer unverstärkten Platte. Unter Alltagsbedingungen – wie sie beispielsweise durch normalen Strassenverkehr verursacht werden – erwies sich die Kombination aus faserbewehrtem Beton und Formgedächtnisstahl jedoch als überlegen: Sie macht die Brückenplatte steifer, verzögert bleibende Verformungen und kann bereits vorhandene Risse schliessen oder durchhängende Bauteile leicht anheben. «Wir konnten zeigen, dass unser System nicht nur funktioniert, sondern bestehende Brücken tatsächlich wiederbeleben kann», so Sequeira Lemos.
Perfekt für geschädigte Brücken
Noch sind die verwendeten Materialien relativ teuer. Das System eignet sich deshalb vor allem für stark verformte oder bereits geschädigte Brücken – also dort, wo herkömmliche Verstärkungsmethoden an ihre Grenzen stossen. Grundsätzlich wäre laut Sequeira Lemos auch ein Einsatz im Hochbau denkbar, etwa bei Balkonen oder Flachdächern, wo kompakte Lösungen oder gute Dichtungseigenschaften gefragt sind.
Das von der Innosuisse geförderte Projekt entstand in enger Zusammenarbeit mit der Ostschweizer Fachhochschule OST, dem Empa-Spin-off re-fer und dem Verband der Schweizer Zementindustrie cemsuisse. Nach den erfolgreichen Tests sucht das Team 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», sagt Sequeira Lemos. «Und mit zunehmender Nachfrage dürften auch die Materialkosten sinken – dann könnte diese Technologie die Brückensanierungen nachhaltig verändern.»
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Box: Funktionsweise des Formgedächtnisstahls
Die Fe-SMA-Stäbe («Iron-based Shape Memory Alloys») werden wie normale gerippte Bewehrungsstäbe hergestellt und bereits vorgedehnt auf die Baustelle geliefert. Dort werden sie in der bestehenden Stahlbetonstruktur positioniert und verankert, erhitzt und anschliessen mit Beton übergossen. Beim Erhitzen «erinnert» sich der Stahl an seine ursprüngliche Form und will diese wiederherstellen. Weil er sich nicht frei bewegen kann, erzeugt er stattdessen Kräfte, die über die Verankerungszonen auf den Beton übertragen werden.
Dieser Formgedächtniseffekt wird durch eine spezielle Eisenlegierung möglich, die unter anderem Mangan, Silizium und Chrom enthält. Durch das erstmalige Strecken der Stäbe verändert sich die atomare Kristallstruktur. Beim Erhitzen auf etwa 200 Grad Celsius wandelt sich die atomare Struktur zurück. Da der Stahl fixiert ist, spannen die entstehenden Kräfte die bestehende Struktur vor, wodurch vorhandene Risse geschlossen und verformte Elemente angehoben werden.