"Massgeschneiderte" Polymere für die Industrie
Kunststoffzusätze für Hochleistungsbeton unter der Lupe von Empa-Forschern
In Zusammenarbeit mit der Industrie erforscht die Empa Polymere, welche die Fliesseigenschaften von Beton verbessern. Die wenige Nanometer grossen Moleküle verbessern die Qualität von Sichtbeton und eröffnen neue architektonische Gestaltungsmöglichkeiten. Schon seit Jahrzehnten werden beim Betonmischen nicht nur Zement und Wasser zugegeben, sondern auch chemische Zusatzmittel. Diese verbessern die Fliesseigenschaften des Betons und lassen ihn aushärten. Seit rund 15 Jahren wird intensiv an der chemischen Zusammensetzung einer neuen Generation dieser Zusatzmittel geforscht.
Die Empa versucht nun, mit von BASF hergestellten Polymeren Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu ermitteln, die es Industriechemikern künftig erleichtern, Zusatzmittel zielgerichtet zu optimieren. Die Empa-Projektleiter Frank Winnefeld und Lorenz Holzer von der Abteilung "Beton/Bauchemie" weisen auf die Schwierigkeiten des Unterfangens hin: "Wir wollen einen Hochleistungsbeton, der wie Honig in die Abschalungen fliesst und sich trotzdem innert nützlicher Frist verfestigt." Eine grosse Herausforderung sei, dass die meisten Polymere äusserst empfindlich auf unterschiedliche Zusammensetzungen von Zement reagieren - und sich die Zemente der meisten Anbieter oft deutlich unterscheiden. Ziel sei deshalb ein universell einsetzbarer Polymerzusatz, führt Winnefeld aus.
Das Funktionsprinzip der winzigen Polymere wird an der Empa unter anderem mit dem Rasterkraftmikroskop untersucht. Auf der Oberfläche der Zementpartikel lagern sich unzählige Polymermoleküle an. Da diese negativ geladen sind, stossen sich die Zementbestandteile gegenseitig ab und verteilen sich gleichmässig im Wasser-Zement-Zuschlag-Gemisch - das Material verflüssigt sich.
Die Bestrebungen der Empa gehen aber noch weiter. "Wir wollen auch verstehen, weshalb welcher Kunststoffzusatz mit welchem Zement wie reagiert", erklärt Winnefeld. Dazu wird erstmals in diesem Forschungsbereich die so genannte Cryo-Elektronenmikroskopie angewendet. An diesem Spezialmikroskop der ETH Zürich werden innerhalb weniger Millisekunden Zementsuspensionen von wenigen Nanometern Grösse unter hohem Druck schockgefroren. Die Struktur der Suspension bleibt durch den Temperaturschock erhalten, was genauere Untersuchungen an den Polymeren zulässt. Daraus erhoffen sich die Empa-Forscher schon bald ein besseres Verständnis über die Wirkungsweise verschiedener Polymere, was diese als Beton-Additive für die Industrie noch attraktiver machen würde.
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