Schicht-Beton mit Perlmutt‑Struktur

Forschende an der Princeton University haben einen einen zement‑basierten Verbundstoff entwickelt, der durch ein mehrlagiges „Brick‑and‑Mortar“-Design – inspiriert von der Perlmutt‑Struktur – deutlich bruchfester ist. Anstelle eines massiven Zements werden hexagonale Zement‑Plättchen durch elastische Polymerlagen verbunden. Diese Mikro‑Architektur führt im Drei‑Punkt‑Biegeversuch zu einer 17‑fach höheren Bruchzähigkeit und 19‑fach gesteigerter Dehnbarkeit gegenüber herkömmlichem Port­landzement, ohne die Festigkeit zu reduzieren.

Im untersuchten Verbund wurden drei Varianten geprüft:

• Ein Wechsel aus Zement‑ und Polymer‑Schichten;
• Zementlagen mit lasergravierten sechseckigen Vertiefungen, verlegt mit Polymerlagen und
• vollständig getrennte sechseckige Zement‑Plättchen, die allein durch dünne Polyvinyl­siloxan‑Zwischenlagen verbunden sind

Die dritte Variante, die dem natürlichen Aufbau von Perlmutt am ehesten entspricht, zeigte die besten Ergebnisse: eine 19‑mal höhere Dehnbarkeit und 17,1‑mal höhere Bruchzähigkeit bei nahezu identischer Festigkeit.

„Wir nehmen nicht einfach nur das Mikro‑Struktur‑Muster von Perlmutt, sondern versuchen, das Prinzip des Plättchen‑Gleitens technisch umzusetzen.“
Reza Moini, Assistenzprofessor, Princeton University

Im Laborversuch mit laserbearbeiteten Zement‑Plättchen und elastischen Zwischenschichten, wurden als Hauptmechanismen für die verbesserten mechanischen Eigenschaften das Ablenken und Umleiten bei der Rissbildung, das Gleiten der Plättchen sowie die brückenbildende Wirkung zwischen den Schichten identifiziert. Die gezielte Strukturierung ermöglicht im Ergebnis leichtere, dünnere Bauteile mit verbesserter Rissresistenz. So bietet sich der Hybridwerkstoff für Faserbeton‑ und Fassadenelemente oder Brücken‑ und Tragwerkslösungen an – mit reduziertem Materialeinsatz. Bisherige Laborexperimente werden als Proof of Concept angesehen. Feldtests sowie ökonomische und ökologische Bewertungen stehen noch aus.

Bild oben: Die Forschenden stellten balkenförmige Probenkörper mit abwechselnden Schichten aus sechseckigen Zementplatten und dünnen Polymerschichten her. (Quelle: Princeton University)

Leichtbaubezug: Mikro‑Architektur für Leichtbau – die gezielte Plättchen‑Struktur im Zement ermöglicht dünnere und leichtere Bauteile mit verbesserter Rissresistenz.

Nutzwert / Learning: Das Beispiel zeigt wunderbar, wie bio-inspirierte Mikrostruktur materialeffizient Leichtbaupotenziale für das Bauwesen und die Betonherstellung aktivieren kann.

Interessant für:  Materialentwickler, Leichtbauingenieure, Betonhersteller, Architekten, Forschende im Bauwesen

Quelle und weitere Infos: Newatlas, Pressemitteilung