Intelligente, 3D-gedruckte Betonwand für britische Schnellstraße

Die Struktur, eine Stützmauer, wurde an der A30 in Cornwall platziert. Sie ist mit von Cambridge entwickelten Sensoren versehen, welche Echtzeitinformationen über Temperatur, Dehnung und Druck liefern. Dieser “digitale Zwilling” der Mauer ermöglicht frühzeitige Fehlererkennung und -behebung.

Mit 3D-Drucktechnologie gestaltete das Team eine gekrümmte, stützende Hohlmauer, ohne herkömmliche Schalung und Stahlverstärkung. Die Mauer erlangt ihre Stabilität durch ihre spezielle Geometrie.

Diese etwa zwei Meter hohe und dreieinhalb Meter breite Wand wurde mit einem robotergestützten Betondrucker gedruckt. Diese Methode spart erheblich an Kosten, Material und Kohlenstoffemissionen.

Das Team, geleitet von Prof. Abir Al-Tabbaa, hat “intelligente” selbstheilende Betone und neuartige Sensortechnologien entwickelt. Während des Druckprozesses wurden Temperaturmessungen durchgeführt, um mögliche thermische Anomalien aufzuspüren.

“Da man für den 3D-Druck einen extrem schnell abbindenden Zement benötigt, entsteht dabei auch eine enorme Hitze”, so Al-Tabbaa. “Wir haben unsere Sensoren in die Wand eingebettet, um die Temperatur während des Baus zu messen, und jetzt erhalten wir Daten von ihnen, während die Wand auf der Baustelle ist.”

Die Sensoren messen neben Temperatur auch Feuchtigkeit, Druck, Dehnung, elektrischen Widerstand und elektrochemisches Potenzial. LiDAR-Technologie scannte die Mauer während des Drucks und erzeugte so einen digitalen Zwilling.

“Dadurch, dass wir die Wand digitalisieren, kann sie für sich selbst sprechen”, so Al-Tabbaa. “Und wir können unsere Sensoren nutzen, um diese 3D-gedruckten Strukturen besser zu verstehen und ihre Akzeptanz in der Industrie zu beschleunigen.”

Das Team hat einen speziellen Sensor entwickelt, der Veränderungen im Laufe der Zeit überwacht und potenzielle Schäden erkennt. Diese intelligenten Sensoren können zeigen, wie 3D-gedruckter Beton aushärtet und gleichzeitig den Zustand des Gastgebäudes überwachen.

“Dieses Projekt wird als lebendes Labor dienen, das über seine gesamte Lebensdauer hinweg wertvolle Daten generiert”, so Al-Tabbaa. “Die Sensordaten und der ‘digitale Zwilling’ werden den Infrastrukturexperten helfen, besser zu verstehen, wie der 3D-Druck genutzt und angepasst werden kann, um größere und komplexere Materialien auf Zementbasis für das strategische Straßennetz zu drucken.

Zu den Mitgliedern des Teams gehörten Dr. Sripriya Rengaraju, Dr. Christos Vlachakis, Dr. Yen-Fang Su, Dr. Damian Palin, Dr. Hussam Taha, Dr. Richard Anvo und Dr. Lilia Potseluyko aus Cambridge sowie die Leiterin der Materialabteilung von Costain, Bhavika Ramrakhyani, eine Teilzeit-Promotionsstudentin im Fachbereich Ingenieurwesen, und Ben Harries, Architectural Innovation Lead bei Versarien, der im Oktober ebenfalls eine Teilzeit-Promotion im Fachbereich Ingenieurwesen beginnt.

Die Forschung ist Teil des ‘Resilient Materials for Life’ Programms und der ‘Digital Roads of the Future’ Initiative. Sie wird durch den EPSRC, Teil des UKRI, und die Europäische Union unterstützt.