Material, Prozess und Maschine

Im Forschungsschwerpunkt Baustoffe und Verfahrenstechnik werden die wissenschaftlich-technischen Grundlagen der Rohstoffgewinnung, Produktion und Verarbeitung von Baustoffen untersucht und entwickelt. Die Aufgaben definieren sich vor allem durch das enge Zusammenspiel von Werkstoff, Prozess und Ausrüstung. Wirksame Neu- und Weiterentwicklungen lassen sich daher nur durch eine verknüpfte Betrachtung und enge Zusammenarbeit der Bereiche Materialwissenschaft, Verfahrenstechnik und Maschinenbau realisieren.

Beton und Mörtel

Materialwissenschaftliche Untersuchungen der verschiedenen im Bauwesen eingesetzten Werkstoffsysteme bilden die Grundlage im Tätigkeitsbereich Baustoffe. Hierbei sind vor allem zementbasierte Werkstoffe wie Betone und Mörtel zu nennen. In einer Vielzahl von Arbeiten wurden und werden konventionelle Werks- und Ortbetone, selbstverdichtende Betone (SVB), ultrahochfeste Betone (UHPC), faserbewehrte Betone, Textil-, Leicht-, Poren- und Schaumbetone, Mineralschäume, Compounds für Trockenmörtelprodukte, Bodenmörtel sowie der Sonderfall kunststoffgebundene Polymerbetone unter stofflichen und verarbeitungstechnischen Aspekten neu- und weiterentwickelt.

Keramische Roh- und Werkstoffe

Weitere Forschungsaktivitäten sind im Bereich der keramischen Roh- und Werkstoffe angesiedelt. Als ältester, von Menschenhand geschaffener, künstlicher Baustoff muss sich der Ziegel stetig steigenden bauphysikalischen Anforderungen stellen. Mit Innovationen im Rohstoffbereich und im Herstellungsprozess arbeiten wir daran, den Baustoff Ziegel sowohl aus bauphysikalischer als auch ökonomischer Sicht konkurrenzfähig zu halten. Neben dem Ziegel fokussiert die Branche auch immer mehr auf den Traditionsbaustoff Lehm, speziell vor dem Hintergrund des ökologischen Bauens. Die Produktnormen für Lehmsteine, -putze und -mauermörtel und das Technische Merkblatt für Lehmbauplatten setzen neue Maßstäbe für diese Baustoffgruppen. In diversen Forschungsarbeiten werden hierzu innovative Produktentwicklungen und Untersuchungen zur Optimierung bestehender Lehmbauprodukte vorangetrieben.

Spezialbaustoffe

Modernes Bauen stellt zunehmend höhere Anforderungen an die verwendeten Materialien. Neben der Verbesserung der traditionellen Baustoffe wie Beton und Ziegel haben deshalb in den letzten Jahren Baustoffe mit speziellen Eigenschaften Nischenbereiche verlassen und eine breitere Anwendung gefunden. Insbesondere der Anteil polymer gebundener Werkstoffsysteme wie beispielsweise Dichtstoffe und Injektage-Materialien hat sich zunehmend erhöht. Darüber hinaus werden herkömmliche Baustoffe wie beispielsweise Mauer- und Putzmörtel durch moderne Additive in Ihrer Leistungsfähigkeit weiter verbessert. Insbesondere die Dauerhaftigkeit unter aggressiven Umgebungsbedingungen kann auf diesem Weg weiter gesteigert werden (chemisch resistente Materialien).

Weiterhin bestimmt das steigende Umwelt- und Gesundheitsbewusstsein die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Spezialbaustoffe. Alternative Bindemittel und nachwachsende Rohstoffe ermöglichen Umweltschonenderes und gesundheitlich unbedenklicheres Bauen. Dazu gehören nicht zuletzt auch das Recycling und die Wiederverwertung von Bauabfällen. Die genannten Aspekte sind fester Bestandteil der Forschungsarbeiten im Bereich Spezialbaustoffe.

Obgleich seit den letzten Jahrzehnten der Baustoff Beton im Straßenbau zunehmend an Bedeutung gewinnt, werden die meisten Fahrbahndecken bis heute aus Asphalt gefertigt. Wachsende Anforderungen an Straßenkonstruktionen, die sich aufgrund ständig erhöhter Lasten im Schwerverkehr ergeben, eröffnen große Potenziale für ein zusätzliches Forschungsfeld. Dabei berücksichtigt die zielgerichtete Weiterentwicklung traditioneller Asphalte die ständig wechselnden Randbedingungen, um einen optimalen Baustoff anzubieten.


Die Technik des Verfahrens entscheidet

Stoffanalytik

Für alle aufgeführten Stoffsysteme bietet das IAB modernste Methoden der Stoffanalytik und standardisierte Baustoffprüfungen an. Parallel dazu werden mittels Maschinenvermessung die Abläufe bestehender Verfahrensschritte analysiert und überprüft.

Grundoperationen der mechanischen und thermischen Verfahrenstechnik

Die im IAB untersuchten Verfahren und Prozesse lassen sich als eine Auswahl klassischer Grundoperationen der mechanischen und thermischen Verfahrenstechnik zusammenfassen:
• Abbauen und Lagern
• Transportieren und Dosieren
• Brechen und Mahlen
• Mischen und Trennen
• Brennen und Kalzinieren
• Agglomerieren und Formen
• Aufbereiten und Recyceln

Ausrüstung

Da fast alle stoffverarbeitenden Prozesse am IAB thematisiert werden können, ließe sich die Liste deutlich erweitern. Weiterhin bestimmen diese Prozesse auch die genutzte Ausrüstung, die eine Vielzahl an Geräten, Anlagen und steuerungstechnischen Komponenten umfasst.

Verarbeitungsmaschinen

Dabei stehen Verarbeitungsmaschinen für granulare und pastöse Werkstoffe im Fokus. Im Praxiseinsatz müssen verwendete Brecher, Mischer oder Verdichtungsanlagen vermehrt hochkomplexe Stoffsysteme verarbeiten. Das Forschungsspektrum erstreckt sich dabei von Fluiden über Suspensionen, Schäume und granulare Medien bis hin zu komplexen mehrphasigen Systemen, die Eigenschaften mehrerer Einzelphasen in sich vereinen.


Kontrollgenauigkeit nach Zielstellung

Qualitätssicherungssysteme

Die Entwicklung hochwertiger Qualitätsicherungssysteme stellt ein wichtiges Wirkungsfeld des IAB Weimars dar. Im Zentrum steht dabei die Entwicklung von Mess- und Analysesystemen zur Quantifizierung des Stoffverhaltens. Auf deren Grundlage gewonnene Daten werden anschließend in der Steuerung bzw. Regelung eingesetzt und tragen somit zu einer Qualitätssteigerung in der Produktion bei.

Optische Messmethoden

Besonderes Augenmerk liegt auf den optischen Messmethoden in der Prozessüberwachung. Hier ist der große Anwendungsbereich der Bildverarbeitungssysteme zu nennen, die sich gut in der Qualitätskontrolle einsetzen lassen, da sie wichtige Merkmale wie Textur und Farbstabilität visuell erfassen. Erweitert wird dieser Messansatz durch faseroptische Verfahren, die hochauflösende Temperatur- und Dehnungsmessungen entlang des gesamten Lichtleiters ermöglichen.

Konstruktion

Erfüllt die existierende Ausrüstung das vorgegebene Anforderungsprofil nicht, werden die benötigten Geräte neu entwickelt. Dazu wird das für die jeweilige Grundoperation am besten geeignete Verfahren ausgewählt und unter verfahrenstechnischen Aspekten dimensioniert. Es folgen Konzeption und Entwurf der Maschinen sowie deren eigentliche Konstruktion, die mit der Erprobung unterschiedlicher Ausführungsvarianten einhergeht.

Optimierung

Parallel zur klassischen Entwicklungsarbeit kommen verschiedene numerische Methoden zur Optimierung bestehender und in Entwicklung befindlicher Ausrüstungen zum Einsatz. Auf Basis der analysierten Stoffeigenschaften und jeweiligen Maschinengeometrie werden numerische Modelle des Gesamtsystems abgeleitet, die sowohl das zu verarbeitende Stoffsystem als auch die Maschinendynamik des Gerätes abbilden.

Numerische Simulation

Im Anschluss an eine sichere Modellvalidierung werden mit Hilfe der numerischen Simulation Variantenrechnungen durchgeführt, die einerseits die Voraussetzung für die Weiterentwicklung der jeweiligen Komponenten schaffen und andererseits das Prozessverständnis signifikant erhöhen.


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