Brücken sanieren mit «smartem» Stahl

Ein grosser Teil der Schweizer Brücken stammt aus der Zeit vor 1980 und kommt langsam an die Grenze der Lebensdauer. Ein Empa-Team hat nun ein Verstärkungssystem entwickelt, das mit ultrahochfestem Faserbeton und «Formgedächtnisstahl» selbst geschädigte Brückenplatten wieder stabilisiert und für weitere Jahrzehnte nutzbar machen kann.

Viele Stahlbetonbrücken wurden für Verkehrsbelastungen und Fahrzeuggewichte ausgelegt, die aus heutiger Sicht überholt sind. Gleichzeitig machen Chloride, Wasser und Frost den Bauwerken seit Jahrzehnten zu schaffen. Klassische Sanierungen stossen dort an Grenzen, wo Bauteile bereits stark gerissen oder dauerhaft verformt sind.

Hier setzt das neue Empa-System an. Es kombiniert eine bewährte Methode, die zusätzliche Schicht aus ultrahochfestem, faserbewehrtem Beton, mit einem aktiven Verstärkungselement, das gezielt innere Vorspannkräfte aufbaut. Ziel ist nicht nur, Tragfähigkeit zu erhöhen, sondern geschädigte Brückenplatten im wahrsten Sinn des Wortes wieder aufzurichten.

UHPFRC trifft Formgedächtnisstahl
Schon heute werden Brücken mit einer dünnen Schicht ultrahochfestem Faserbeton nachgerüstet, die direkt auf die Fahrbahnplatte aufgebracht wird. Der Hochleistungsbeton ist sehr dicht, widersteht Wasser und Tausalzen und lässt sich gut armieren. Ein robuster «Schutzpanzer» mit strukturellem Mehrwert.

Das Empa-Team um Angela Sequeira Lemos und Christoph Czaderski ersetzt in dieser Schicht nun die konventionelle Stahlbewehrung durch Stäbe aus Formgedächtnisstahl auf Eisenbasis. Nach dem Einbau werden die Stäbe auf rund 200 Grad Celsius erhitzt, versuchen sich zusammenzuziehen, werden aber vom Beton daran gehindert. Die Folge ist eine innere Vorspannung, die Risse schliesst, Verformungen zurückdrängt und die Platte dauerhaft in einen günstigeren Spannungszustand versetzt.

Risse schliessen sich sichtbar
In einem ersten Schritt untersuchte das Team die Verbundwirkung zwischen UHPFRC und Formgedächtnisstahl. Wie gut bleibt die Verbindung auch nach dem Erhitzen? Wie zuverlässig lassen sich Kräfte übertragen? Danach folgten Grossversuche mit fünf je fünf Meter langen Betonplatten, die freitragende Brückendecks simulierten.

Eine Platte blieb unverstärkt, die übrigen erhielten eine UHPFRC-Schicht, entweder mit klassischer Bewehrung oder mit Fe‑SMA‑Stäben. Um realistische Bedingungen abzubilden, wurden die Platten zunächst gezielt bis zur Rissbildung belastet und erst anschliessend verstärkt. Nach dem Erwärmen der Fe‑SMA‑Stäbe schlossen sich bestehende Risse sichtbar, durchhängende Bereiche hoben sich wieder an. Bereits in dieser Aktivierungsphase zeigten sich deutliche Verbesserungen der Verformungen.

Steifer, tragfähiger, länger haltbar
Begleitet wurden die Versuche von einem dichten Messkonzept. Digitale Kameras beobachteten die Rissbilder, im Innern der Platten erfassten faseroptische Sensoren Dehnungen entlang der Stäbe. Ähnlich wie Glasfaserkabel in der Telekommunikation, nur dass hier das zurückgestreute Licht zur Verformungsmessung dient.

Sowohl die konventionelle Verstärkung mit UHPFRC als auch das neue System mit Formgedächtnisstahl konnten die Tragfähigkeit gegenüber der unverstärkten Platte mindestens verdoppeln. Unter Alltagsbelastungen, etwa durch den normalen Strassenverkehr, zeigte sich die Fe‑SMA‑Variante jedoch deutlich im Vorteil. Die Platte wurde steifer, bleibende Verformungen traten später auf oder verschwanden ganz, vorhandene Risse konnten geschlossen werden. Das System wirkt damit wie eine «Reaktivierung» des bestehenden Tragwerks.

Einsatzfelder und nächste Schritte
Noch sind sowohl der ultrahochfeste Faserbeton als auch der Formgedächtnisstahl relativ teuer. Wirtschaftlich am spannendsten ist das System deshalb dort, wo andere Verstärkungsmethoden nicht mehr ausreichen. Zum Beispiel bei stark verformten, bereits geschädigten Brücken oder insbesondere sensiblen Bauwerken mit begrenztem Eingriffsraum.

Perspektivisch ist der Einsatz nicht auf Brücken beschränkt. Denkbar sind Anwendungen im Hochbau, etwa bei auskragenden Balkonen, Flachdächern oder sensiblen Bauteilen, bei denen kompakte Verstärkungslösungen und eine sehr dichte Oberfläche gefragt sind. Das von Innosuisse geförderte Projekt entstand in Zusammenarbeit mit der OST, dem Empa-Spin-off re‑fer und cemsuisse. Nach den erfolgreichen Versuchen sucht das Team nun eine geeignete Brücke für den ersten Pilot-Einsatz. Gelingt dieser Schritt, könnte sich der «smarte» Stahlbeton zu einem wichtigen Werkzeug im Umgang mit der alternden Schweizer Brückeninfrastruktur entwickeln.

Quelle: Empa