Auch wenn Beton nicht brennbar ist, kann es bei Tunnelbränden gefährlich werden: Hochleistungsbeton kann bei hohen Temperaturen explodieren. Das Phänomen ist zwar bekannt, die Physik dahinter ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Empa-Forscher haben die Vorgänge im Inneren von Beton nun erstmals mittels Neutronen-Radiographie und -Tomographie in Echtzeit sichtbar gemacht.
Gotthard, Montblanc, St. Bernardino – immer wieder stürzen bei Tunnelbränden die Decken der so stabil erscheinenden Röhren ein. Infernalische Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius bringen den Beton an seine Grenzen – und je nach verbautem Material kann er explodieren. Klar ist, dass im Hochleistungsbeton enthaltenes Wasser in Bewegung gerät, verdampft und nicht entweichen kann. Der enorme Dampfdruck in den feinen Poren des Betons und die thermische Belastung des Materials können dazu führen, dass Teile abgesprengt werden. Um die Physik des berstenden Betons besser zu verstehen, haben Empa-Forscher mit einem Team der Universität Grenoble und des dortigen Laue-Langevin-Institut nun erstmals dreidimensionale Bilder aus dem Inneren von aufgeheiztem Beton mittels Neutronen-Tomographie in Echtzeit erstellt. Die Untersuchungen waren nur möglich dank der starken Neutronenquelle am Laue-Langevin Institut. In einer Minute schossen die Wissenschaftler bis zu 500 Bilder und konstruierten daraus ein dreidimensionales Modell.
Bisher haben Experten lediglich vermuten können, dass sich Wasser im Beton von einer Hitzequelle wegbewegt und anstaut. Die Feuchtigkeit würde als Barriere wirken, und entstehenden Wasserdampf daran hindern, zu entweichen. So würde der Dampfdruck derart ansteigen bis dem Material nichts anderes übrigbleibt als zu explodieren. Mittels der neuen Experimente konnte das Forscherteam diese Feuchtigkeitsbarriere nun tatsächlich beobachten.
Wenn die Temperatur 200 Grad Celsius übersteigt, dehydriert der Zement im Beton und das gebundene Wasser wird zu Wasserdampf. Hochleistungsbeton hat generell eine extrem niedrige Porosität und sehr feine Poren. Vorteil sind hohe Festigkeit und aussergewöhnliche Dauerhaftigkeit, weil dies den Beton für externe Schadstoffe praktisch undurchlässig macht. Die niedrige Permeabilität von Hochleistungsbeton wird aber bei einem Brand mit sehr hohen Temperaturen zum Nachteil, weil Wasserdampf nicht entweichen kann und sich extrem hoher Dampfdruck ausbilden kann.
Empa-Forscher haben bereits neue Additive entwickelt und patentiert, die dem Abplatzen von Beton entgegenwirken. Die neuen Ergebnisse sollen nun einen weiteren Schritt hin zur Entwicklung von Baumaterialien mit grösserer Beständigkeit selbst bei höchsten Temperaturen wie bei einem Tunnelbrand führen.
