Der Charme der Transparenz

Neue 3-D-Textilien und Fertigungsverfahren als Grundlagen für Lichtbetonelemente verbinden Festigkeit und Dauerhaftigkeit mit Leichtigkeit. Der „Lichtbeton 2.0“ eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für den Erkenntnistransfer in die Praxis.

Bauen mit Lichtbeton
Bauen mit Lichtbeton
© Lucem GmbH

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Wussten Sie, dass der Beton von den Römern erfunden wurde? Opus Cementum – mit der noch heute in Rom zu bewundernden Referenz, dem Pantheon, das über viele Jahrhunderte die größte unbewehrte Betonkuppel der Welt war. Beton, seit der Antike eine Mischung aus Zement, Sand und Wasser, verfügt über relativ hohe Druckfestigkeiten; die Zugfestigkeit ist dagegen eher vernachlässigbar. Er wird daher meist so verwendet, dass nur Druckkräfte auftreten.

Der große Durchbruch als Massenbaustoff kam erst Mitte des 19. Jahrhunderts, als Joseph Louis Lambot (1814 – 1887) daran ging, die mangelnde Zugfestigkeit des Betons durch metallische Drähte zu verbessern; am Anfang verwendete er Hasendrahtzaun von der Rolle. Der Stahlbeton war geboren. Die Idee zu lichtleitendem Beton kam in den 1930er-Jahren auf. Zunächst mit Glasbruchstücken als Lichtleiter und mit sehr geringen optischen Eigenschaften. Heute ist Lichtbeton eine Mischung aus Zement, Wasser, Sand und lichtleitenden Fasern. Es sollte aber über 80 Jahre dauern, bis der Lichtbeton Praxisreife erlangte. Wiederentdeckt wurde er in den 1990er-Jahren an der RWTH Aachen, wo es erste Versuche mit verschiedenen Glasfasertypen gab. Seit 1995 entstanden einige Lichtbeton-Prototypen, die allesamt das technische Potenzial des lichtdurchlässigen Betons eindrucksvoll belegten, aber noch keine Serienfertigung erlaubten. Lichtleitender Beton verbindet Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton mit der Leichtigkeit von Licht. Das übt einen besonderen Reiz auf Architekten und Planer aus. Er kann als tragende Trennwand Tageslicht in innen liegende Räume lassen, als feuerfeste Wand noch im Brandfall sichere Fluchtwege ermöglichen und als vorgehängte Wandverkleidung in Kombination mit sparsamer LED-Lichttechnik für angenehm verteiltes Wohlfühllicht sorgen. Auch können lichtleitende Betonelemente ganze Fassaden zum Strahlen bringen und als Display an Häuserfronten zum Beispiel Verkehrsinfos darstellen. Kurz: Lichtbeton ermöglicht viele neue Anwendungen in der Architektur.

Die im Dezember 2012 in Betrieb genommene, weltweit erste Installation einer interaktiven Lichtbetonfassade
Die im Dezember 2012 in Betrieb genommene, weltweit erste Installation einer interaktiven Lichtbetonfassade
© Lucem GmbH

Wie kann er hergestellt werden? Lichtbeton wird immer als ein Betonfertigteil, also unter „Laborbedingungen“ produziert. Dies ist wichtig zu erwähnen, weil oft die Frage nach der Anlieferung von zwei bis drei Transportbetonmischungen gestellt wird, um zum Beispiel Geschossdecken oder Tiefgaragen zu gießen. Das ist bislang nicht möglich. Lichtbeton entsteht aus Feinbeton mit Körnungen von maximal drei Millimetern und optischen Glasfasern. Dabei wird das Material im abwechselnden Schichtaufbau zu großen Blöcken verarbeitet und anschließend zu Plattenmaterial aufgesägt. So entsteht ein massiver Betonwerkstein, der durch eingebettete optische Fasern lichtleitend wird. Das Einzigartige des Werkstoffs: die Ästhetik der Transparenz in Verbindung mit dem massiven und beständigen Material, das hohen Belastungen standhält. Lichtbeton ist in der Regel witterungs- und UV-beständig, abriebfest und nicht brennbar.

Die recht aufwendige Herstellung großvolumiger Blöcke mit eingebetteten Fasern ist mit zwei Problemen verbunden: Erstens härtet der Beton „exotherm“ aus, das heißt, es entsteht Wärme. Nach dem Abkühlen führt dies im Extremfall zu Rissen im Block oder zum kompletten Ausschuss. Ein zweites Problem: Selbst wenn diese Blöcke rissfrei hergestellt werden, ist eine sehr aufwendige Sägetechnik erforderlich, um großformatige Platten aus dem Block zu lösen. Konkret werden Kreissägen mit Sägeblattdurchmessern von bis zu 2,5 Metern benötigt.

Neuartige Technologien für den Textilbau

Im Sonderforschungsbereich 532 „Textilbewehrter Beton – Grundlagen einer neuartigen Technologie“ wurde im Teilprojekt „Textilien“ die Grundlage für die Entwicklung von dreidimensionalen Textilien erforscht. Bereits in den 1990er-Jahren wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen eine erste Prototypmaschine (Doppelraschelmaschine) entwickelt, um dreidimensionale Textilien für Betonanwendungen nutzbar zu machen. Durch die enge Zusammenarbeit im Sonderforschungsbereich gelang es, die Anforderungen aus der Betontechnik auf das Textilmaschinenkonzept zu übertragen.

Der Autor hat mit seiner Dissertationsschrift „Hochleistungsdoppelraschelprozess für Textilbetonanwendungen“ eine Basis für eine industrialisierbare Maschinentechnik geschaffen. Im DFG-geförderten Transferprojekt „Entwicklung einer durchgängigen Fertigungstechnik für dünnwandige und lichtleitende Betonteile durch dreidimensionale Textilbewehrung“ haben die LUCEM GmbH und die RWTH Aachen von 2007 bis 2012 gemeinsam einen alternativen Herstellungsprozess für Lichtbetonelemente auf Basis von 3-D-Textilien entwickelt.

Nahaufnahme des 3-D-Textils mit integrierten lichtleitenden Fasern
Nahaufnahme des 3-D-Textils mit integrierten lichtleitenden Fasern
© Lucem GmbH

Die Grundidee ist, in einem 3-D-Textil neben den sogenannten Glasfaserfilamentgarnen für die „Bewehrung“, also Verstärkung des Betons, noch weitere funktionale Fasern – sprich: lichtleitende Fasern – einzuarbeiten. Diese transportieren das Licht von einer Bauteilseite auf die andere, während kurz unter den Oberflächen starke und dauerhafte Glasfasern für die Aufnahme der Zugkräfte positioniert werden. Mehrere großformatige Demonstratoren entstanden erstmals Ende 2010. Der wesentliche Vorteil: Es müssen keine Blöcke zunächst gegossen und dann aufgesägt werden, sondern es können direkt die lichtleitenden Betonplatten hergestellt werden.

Im Rahmen des Projektes geht es um Platten mit einer Dicke von 2,5 Zentimetern. Skalierbar ist das Verfahren jedoch von etwa einem bis zu sechs Zentimetern. Der Vorteil der räumlichen Bewehrung ist gerade bei sehr dünnwandigen Plattenstärken produktiv.

Bei den Forschungsarbeiten geht es um die Entwicklung eines praxistauglichen 3-D-Textils mit integrierten lichtleitenden Fasern sowie einen Betoneinsatz ohne größere Verformung der 3-D-Textilien. Die weiteren Prozessschritte wie das Kalibrieren, Schleifen und Polieren sowie das Formatieren nebst Anbringen von Montagebohrungen werden analog zur Verarbeitung von Naturstein umgesetzt.

Integriertes Licht

Die Entwicklung der 3-D-Textilien begann mit der Auswahl geeigneter Faserwerkstoffe. Dabei konnte für die Bewehrungsgarne auf die Ergebnisse des SFB 532 zurückgegriffen und damit alkaliresistente Glasfasern mit einer definierten Stärke in Längs- und Querrichtung verwendet werden. Die Garne wurden so eingearbeitet, dass ein sinnvoller Bewehrungsquerschnitt entstand. Darüber hinaus gibt es in einem 3-D-Textil noch Bindefäden in den Deckflächen sowie „Abstandhalterfäden“, die das Textil zu einem dreidimensionalen Körper aufspannen. Den Abstand von etwa zwei Zentimetern zwischen den beiden Bewehrungslagen halten in dem 3-D-Textil die sogenannten Polfäden. Sie bestehen aus schwarz eingefärbten Polyester-Fäden mit einem Durchmesser von 0,25 Millimetern.

Bis zu diesem Punkt konnte auf den Stand der Technik zurückgegriffen werden. Die weitere Integration von lichtleitenden Fasern erforderte neue Ansätze: Werden die lichtleitenden Fasern wie die Polfäden eingearbeitet, dann enden die jeweiligen Umkehrpunkte genau in der Ebene der Bewehrungsfäden und sind als „Maschenköpfe“ sogar fest mit den Bewehrungsfäden oder den Bindefäden verbunden. Ziel der Entwicklung sollte es sein, die lichtleitenden Fäden einige Millimeter – im Idealfall bis zu fünf Millimeter – auf jeder Seite herausragen zu lassen, um später eine Lichteinleitung oberhalb der Bewehrungsfäden zu ermöglichen. Dies wurde dadurch realisiert, dass die lichtleitenden Fäden auf den beiden Deckflächen nur mit niedrigschmelzenden Hilfsfäden zu Maschen geformt werden. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung können schließlich die Hilfsfäden entfernt werden, und die Maschenköpfe der lichtleitenden Fäden stellen sich aufgrund einer vorher definiert eingebrachten Vorspannung nahezu senkrecht auf.

Dieser Zustand ist allerdings instabil. Diese Wärmebehandlung ist nur direkt vor dem nachfolgenden (und dann möglichst schonenden) Betonierprozess sinnvoll. Dazu wird das 3-D-Textil in einer speziell entwickelten, mehrfach teilbaren Schalung eingespannt, dann mittels definierter Warmluftmenge „geöffnet“ und unmittelbar danach mit einer dünnflüssigen Betonsuspension aufgefüllt. Die eingegossenen, vorher offen aus dem Textil herausragenden Schlaufen der lichtleitenden Fäden liegen nur knapp unterhalb der beiden Betonoberflächen, während die parallel zu den Deckflächen liegenden gitterartig angeordneten Bewehrungsfäden jeweils in einem Abstand von drei Millimetern zu finden sind.

Zukunftsmarkt Fassade

Nach einer Aushärtephase von zwei Wochen ist der Beton so hart, dass die lichtleitenden Fäden auch durch harte Schleifprozesse nicht mehr aus ihrer Position gerissen werden können. Dann ist der ideale Zeitpunkt gekommen, um die beiden Deckflächen jeweils um einen Millimeter abzuschleifen. Sobald der Doppelpunkt der lichtleitenden Fadenschlaufe an der Oberfläche sichtbar wird, kann das Licht in die Faser eindringen und wird durch das Bauteil hindurchgeleitet. Je besser die Oberfläche poliert wird, umso besser ist die „Lichtausbeute“.

So licht kann Beton aussehen

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Neben den praktischen Untersuchungen wurde ein Fertigungskonzept erstellt und eine Gesamtfertigungsstraße modelliert. So konnte gezeigt werden, dass mit einem Platzangebot von etwa 800 Quadratmetern die gesamte Fertigung auf einem hoch automatisierbaren Level ausgeführt werden könnte. Die beiden Prozessschritte der 3-D-Textilherstellung sowie des „sanften Betonierens“ sind neuartig, der Rest der Fertigungsstraße konnte aus bekannten Prozessen der Natursteinbearbeitung übernommen werden.

Beton ist der meistverwendete Baustoff der Welt, was auch auf seinen niedrigen Preis zurückzuführen ist. Schlüssel zum Zukunftsmarkt „Lichtleitender Beton“ mit seinen unzähligen Anwendungen liegen in der Kostensenkung durch innovative und stark skalierbare Fertigungsverfahren. Erste größere Bauten, die Lichtbetonelemente verwenden, finden sich heute in der Bank of Georgia, Tiflis, oder in der Signal Iduna Hauptverwaltung in Dortmund. Bald werden ganze Fassaden aus lichtleitendem Beton entstehen, die Tageslicht in die Gebäude der Zukunft lassen und nachts – multifunktional genutzt – zu Informationstafeln werden könnten.

Zusatzinformationen

Steckbrief

Projekttitel
Entwicklung einer durchgängigen Fertigungstechnik für dünnwandige und lichtleitende Betonteile durch dreidimensionale Textilbewehrung

Fachliche Zuordnung
Ingenieurwissenschaften (Bauwesen und Architektur)

Wissenschaftlicher Partner
Dr.-Ing. Andreas Roye, RWTH Aachen

Anwendungspartner
Lucem GmbH, Aachen

Dieser Artikel ist in der Zeitschrift forschung 4/2012 erschienen.

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