Beton beim Explodieren beobachtet

Beton brennt nicht, kann aber beim Erhitzen explodieren – beispielsweise bei Tunnelbränden. Warum das so ist, haben nun Forscher mithilfe von Echtzeitbildern aus explodierendem Beton aufgeklärt. Demnach entsteht bei Hitze eine Feuchtigkeitsbarriere im Beton, die den sich bildenden Wasserdampf am Entweichen hindert. Dadurch staut der Dampf sich auf, bis das Ganze wie ein Dampfkessel unter Überdruck platzt.

Ob für Brücken, Gebäude oder Tunnel: Fast alle Konstruktionen der Neuzeit bestehen aus Beton – einem Baustoff, den sogar schon die Römer vor 2.000 Jahren nutzten. Doch so stabil beispielsweise die Röhren von Tunneln wie dem Gotthard-Basistunnel gelten – sie haben eine Schwachstelle. Bei Tunnelbränden bringen die höllischen Temperaturen von bis zu 1.000 Grad den Beton an seine Grenzen – und je nach verbautem Material kann er explodieren.

Neutronenblick ins Innere des Betons

Doch wie kann das sein? Was bei einer solchen Beton-Explosion im Material geschieht, haben nun Dorjan Dauti von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa und sein Team herausgefunden. Mittels Neutronen-Tomographie konnten sie erstmals Echtzeit-Aufnahmen aus dem Inneren von aufgeheiztem Beton machen und so ein dreidimensionales Modell der Vorgänge erstellen.

Schon vorher bestand der Verdacht, dass das im Zement gebundenen Wasser für die Beton-Explosion eine entscheidende Rolle spielt. Wenn die Temperatur bei einem Brand 200 Grad Celsius übersteigt, dehydriert der Zement im Beton und das gebundene Wasser wird zu Wasserdampf. Der enorme Dampfdruck in den feinen Poren des Betons und die thermische Belastung des Materials kann dann dazu führen, dass Teile abgesprengt werden.

Feuchtigkeit als Dampfbarriere

Jetzt enthüllen die Aufnahmen: Wird der Beton heiß, bewegt sich das im Beton gebundene Wasser von der Hitzequelle weg und staut sich an – eine Feuchtigkeitsbarriere entsteht. Neben der Feinporigkeit und geringen Porosität des Hochleistungsbetons trägt diese Barriere dazu bei, den entstehenden Wasserdampf am Entweichen zu hindern, wie die Forscher feststellten. Dadurch steigt der Dampfdruck im Beton so stark an, dass dem Material schließlich nichts anderes übrigbleibt als zu explodieren.

So vorteilhaft die Feinporigkeit und geringe Durchlässigkeit des Hochleistungsbetons daher für seine Festigkeit ist, so nachteilig ist sie im Falle eines Tunnelbrands. Die Empa-Forscher haben auf Basis ihrer neuen Erkenntnisse bereits Zusätze entwickelt und patentiert, die das Entstehen solcher Feuchtigkeitsbarrieren im Beton und damit auch die Explosionen verhindern sollen. (Cement and Concrete Research, 2018; doi: 10.1016/j.cemconres.2018.06.010)

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt