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Rheologie Was die Rheologie für die Sicherheit von Bauwerken tun kann

Autor / Redakteur: Marc Platthaus* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin, kurz BAM, beschäftigen sich rund 1800 Mitarbeiter mit Fragen zur Sicherheit in Technik und Chemie in allen Lebensbereichen. So wurde beispielsweise in der Fachgruppe für Mess- und Prüftechnik eine auf der Rheologie basierende Prüfmethode entwickelt, die das plastische und temperaturabhängige Verhalten von Fahrbahnübergängen bestimmt.

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Christoph Recknagel, Arbeitsgruppenleiter für die Themenbereiche bituminöser und organischer Baustoffe bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bringt es auf den Punkt: „Auf der Grundlage unserer Ergebnisse wird Technologie leistungsfähiger, sicherer und praktikabler.“ Die Erarbeitung und Gewährleistung nationaler und internationaler Sicherheits- und Qualitätsstandards zählen neben entsprechender Beratungstätigkeit zu den Aufgaben der BAM. Daneben gilt die BAM als Letztinstanz bei gutachterlichen oder rechtsanhängigen Streitigkeiten bzw. sonstigen gutachterlichen Stellungnahmen. Dazu zählen im Arbeitsbereich „Baustoffe“ z.B. spezielle lärmmindernde Fahrbahnbeläge, abdichtende Brückenbeläge und verschiedenartigste Dehnfugenkonstruktionen, aber auch Entwicklungen wie ein Anti-Graffiti-Mittel zum Schutz von Tunneln, Trögen oder Rampen. In gleichem Maße wird die spezielle Kompetenz auch von Industriepartnern für eine entsprechende Weiterentwicklung von Produkten und Technologien genutzt. Gerade die Rheologie hilft in diesem Themenumfeld bei der Beantwortung wichtiger Fragen. Mitte der 90er Jahre wurde hierzu eines der ersten luftgelagerten Rheometer der Serie UDS 200 von Anton Paar angeschafft und seitdem sukzessive die Möglichkeiten der rheometrischen Stoffkennzeichnung des mechanischen Verhaltens oder der strukturellen Materialaufklärung adaptiert und weiterentwickelt.

Rheologie als wichtige Methode

Dank der rasanten Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet der Materialaufklärung finden die zahllosen Methoden mittlerweile sowohl bei viskosen und viskoelastischen Materialien in verschiedenen – meist temperaturabhängigen – physikalischen Zuständen bis hin zu Materialien mit elastischem festkörperartigem Verhalten Anwendung. Bei der BAM wird die Rheologie also nicht nur zur Ermittlung des Viskositätsverhaltens eingesetzt, wie es der größte Teil von Anwendern macht, sondern es wird insbesondere mit der Festkörpermesseinrichtung die Variabilität der Messkonfiguration für so genannte dynamisch-mechanische Analysen genutzt.

„Wir haben unsere Rheometer-Ausstattung noch um ein MCR 501 von Anton Paar erweitert, um es für noch mehr Ausgangsmaterialien verwenden zu können“, sagt Werkstoffspezialist Recknagel. Dazu wurde in enger Zusammenarbeit mit den Entwicklern von Anton Paar der Leistungsbereich der Gerätekonfiguration zielgerichtet für die erforderlichen Aufgaben adaptiert. Mit diesen Anpassungen können bei den derzeitig relevanten Untersuchungsaufgaben oftmals der gesamte Plastizitätsbereich oder Arbeitsbereich der Werkstoffe mit teilweise wechselnden, unterschiedlichen mechanischen Verhaltensmustern angesprochen werden. Ein Vorteil des Gerätes sehen die BAM-Wissenschaftler in der Peltier-Technik mit der innerhalb kürzester Zeit alle Temperaturen erreicht werden können. Außerdem lassen sich durch die Modulbauweise die Temperaturkammern schnell austauschen. Trotz der hohen Variabilität und Umbaugeschwindigkeit können nach Aussage der BAM-Experten keine Fehler passieren: Das MCR lässt keine falsche Handhabung zu.

Fahrübergänge aus Asphalt

Ein Beispiel für die Vielseitigkeit der Rheologie: Die europäisch technische Zulassungsleitlinie enthält für die Bauart Fahrbahnübergänge aus Asphalt die Vorgabe, dass im Unterschied zur konventionellen Prüfmethodik, das plastizitäts- und temperatur-abhängige dynamisch-mechanische Verhalten von solchen Bindemitteln mit der Schwingungsrheologie über die Temperaturspannweite im Temperatursweep bestimmt werden muss. Dies dient dazu, der Zulassungsbehörde praxisrelevante mechanische Kennwerte zur Verfügung zu stellen. An der BAM wurden sowohl die dynamische Viskosität und alle damit verbundenen technologischen Informationen als auch die Schwingungsrheologie bestimmt, um das dynamisch-mechanische Verhalten dieser Produkte und Materialien über die relevanten Temperatur- oder Frequenzbereiche untersuchen zu können. Damit erhält man eine physikalisch fundierte praxisnahe Vorstellung davon, wann die Produkte glasartig brechen können, ob Deformationen zurückgestellt oder Spannungen abgebaut werden können und vieles mehr. Mittlerweile sind die Erkenntnisse so weit gediehen, dass der BAM-Vorschlag zur Integration von rheologischen Verfahren zur Gütesicherung sowohl in das nationale als auch in das europäische Regelwerk eingeflossen ist. Nochmal BAM-Mitarbeiter Recknagel: „Heute spannt sich der Bogen unserer Aufgabenstellungen, was die Materialkennzeichnung angeht, von den Flüssigkunststoffen und anderen organischen Elastomeren über die thermoviskoelastischen Materialien auf Bitumenbasis, vom einfachen Destillationsbitumen bis zum hochpolymer modifizierten Spezialbindemittel für Fugenfüllungen.“

Neuerdings gilt es auch hochkomplexe Silane als Oberflächenbeschichtungsmaterial, Hydrophobierungsmittel für Betonbauwerke, oder Schutzbeschichtungen zu charakterisieren. Außerdem findet die Rheologie auch immer mehr Eingang in die Kennzeichnung anorganischer Baustoffe wie Zement, Spezialbindemittel für hochfeste Betone oder Mörtel der verschiedensten Variationen.

*M. Platthaus, Redaktion LaborPraxis, E-Mail: marc.platthaus@vogel.de

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