Brücken verstärken mit Formgedächtnis-Legierungen

Brücken verstärken mit Formgedächtnis-Legierungen

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Teaserbild-Quelle: Empa

Eine verbogene Brille wieder in ihre Form zurückzubiegen, ist gar nicht so einfach. Dank Formgedächtnislegierung wird dies nun aber möglich. Empa-Forscher zeigen, dass diese Materialien im Bauwesen genutzt werden können, etwa für die Verstärkung von Brücken.

Quelle: 
Empa
Betonbalken, der mit zwei in Schlitzen eingelegten Fe-SMA-Lamellen verstärkt wurde: Die Lamellen wurden mittels Durchleiten von elektrischem Strom erhitzt und dadurch vorgespannt (sichtbar sind lediglich Kupferklemmen und Stromkabel).

Formgedächtnislegierungen (engl. shape memory alloy, SMA) nehmen selbst nach starker Verformung automatisch oder durch Wärmeeinwirkung wieder ihre ursprüngliche Gestalt an. Das macht sie zu einem interessanten Werkstoff, der heute neben Brillen für Thermostate, Stents und Mikroaktuatoren verwendet wird.

Auch im Bauwesen sind Anwendungen denkbar, beispielsweise zur Verstärkung von Brücken: Wird ein Betonträger mit SMA-Stäben bewehrt und werden sie durch Hitze aktiviert, nehmen sie wieder ihre ihre ursprüngliche Form an. Allerdings: Wurden sie zuvor einbetoniert sind, funktioniert dies nicht, und es entsteht eine Vorspannung. Somit liesse sich der Effekt nutzen, um etwa Brückendecks vorzuspannen. Die SMA-Stäbe müssen lediglich mittels Durchleiten von Strom erhitzt werden, damit sie sich vorspannen. Aufwendige Spannvorrichtungen und Hüllrohre entfallen damit laut Empa.

Für den Bau wenig attraktiv sind Nickel-Titan-Legierungen, aus denen Brillengestelle gefertigt werden. Interessant sind vielmehr Produkte auf Eisenbasis, da diese nicht nur viel günstiger sind, sondern auch deutlich geringere Prozesskosten aufweisen. Bislang mussten sie zur Aktivierung des Formgedächtniseffekts allerdings auf bis zu 400 Celsius erhitzt werden. Das ist für den Einsatz in Beton und Mörtel oder andere temperaturempfindliche Materialien zu hoch.

Empa-Forschern um Christian Leinenbach aus der Abteilung „Fügetechnologie und Korrosion“ ist es nun gelungen, eine neuartige Eisen-Mangan-Silizium-Legierung zu entwickeln: Sie lässt sich bereits bei für Beton erträglichen Temperaturen um die 160 ºC aktivieren. Dazu entwickelten die Materialwissenschaftler mittels thermodynamischer Simulationen virtuelle Legierungen. Die aussichtsreichsten Kombinationen wurden daraufhin im Labor hergestellt und auf ihre Formgedächtniseigenschaften hin untersucht. Mit Erfolg: Gleich mehrere dieser neuen Materialien genügten den Anforderungen der Bauingenieurkollegen – ein Meilenstein auf dem Weg zum günstigen Formgedächtnisstahl für Anwendungen im Industrie- sprich Tonnenmassstab.

Gute Chancen für SMA

Christoph Czaderski von der Empa-Abteilung „Ingenieur-Strukturen“ sieht für eisenbasierte SMA im Bauwesen gute Chancen, weil das Vorspannen einfacher und deshalb günstiger ist als bei konventionellen Spannsystemen. Zudem sind sogar vorgespannte Systeme denkbar, die mit konventionellen Methoden nicht oder nur sehr schwierig machbar sind, wie Kurzfaserbeton, Stützenumwicklungen, Einschlitzlamellen oder gerippte Bewehrungsstähle. Eine von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) finanzierte Machbarkeitsstudie zeigte vor Kurzem, dass die neuen Legierungen nicht nur im Labormassstab von wenigen Kilogramm, sondern sogar im Industriemassstab hergestellt werden können. Der Herstellungsprozess wurde mit der österreichischen Universität Leoben, der deutschen TU Bergakademie Freiberg und der deutschen Firma G. Rau GmbH entwickelt.Die Umformung von rund 100 Kilogramm schweren Gussblöcken zu etwa zwei Millimeter dünnen Lamellen oder zu gerippten Bewehrungsstäben bei Temperaturen von mehr als 1000 Celsius erfordert ein grosses Fachwissen – und die entsprechende Ausrüstung. Auch mussten die Umformungsprozesse auf die neuartigen Legierungen angepasst werden.

Die so hergestellten Lamellen bewährten sich in den nachfolgenden Tests, bei denen sie in Schlitze in der Betonoberfläche von Stahlbetonträgern einbetoniert wurden. Aufbauend auf den Empa-Entwicklungen wurde 2012 das Start-up-Unternehmen re-Fer AG gegründet, das künftig eisenbasierte SMA für das Bauwesen produzieren und vertreiben wird. Die Kosten sollen dabei in der Grössenordnung von rostfreiem Edelstahl liegen. (mgt/mai)