Mit Robotern und Bindfaden Straßenbeläge stricken

Die Idee für den umweltschonenden Straßenbelag lieferte der Hochbau. Hier ist der "Rock Print Pavilion", eine temporäre Installation, die auf dem Kirchplatz vor dem Gewerbemuseum Winterthur zu sehen war. Es war Teil des Forschungsprojekts von Gramazio Kohler Research, der ETH-​Professur für Architektur und Digitale Fabrikation, und Teil der Ausstellung "Hello, Robot. Design zwischen Mensch und Maschine" Die stabilen "Schottersäulen" wurden unter Einsatz eines mobilen Roboters erstellt. Foto: Gramazio Kohler Research / ETH Zürich

Empa-Wissenschaftler ist es gelungen mit Hilfe eines Roboters und einigen Laufmetern Bindfaden Straßenbeläge umweltschonender zu verstärken.

An der Empa ist es Wisschenschaftler gelungen, allein mit Bindfäden und einem Roboter Straßenbeläge derart zu verstärken, dass diese eine Alterantive zu bisherigen Lösungen darstellt. Nach Gebrauch lässt sich der Straßenbelag auf einfache Art rezyklieren.

An der Empa werden bereits robotergestützte Bautechniken für den Straßenbau erprobt. Bisher würden diese allerdings lediglich im Hochbau angewandt. Das nun vorgestellte Verfahren ändert dies. Die Wissenschaftler wollen mit einer neuen Art von mechanischer Verstärkung den typischen Aufbau des Straßenbelags verändern. Künftig will man so helfen, wertvolle Ressourcen zu sparen oder Straßenbeläge gar vollständig zu recyklieren.

Der Hochbau als Ideengeber

Mit Bindefaden, Schotter und Robotik zu stabilen Straßenbelägen: Wissenschaftler an der Empa haben das nun geschafft. Mit dem neuen Verfahren will man eine umweltfreundlichere Alternative zu bisherigen Straßenbelägen erschaffen. Foto: Empa

Die Idee stammt aus einem Projekt des Gramazio Kohler Research Labs der ETH Zürich. Hier wurde das Projekt tatsächlich als Kunst- und Forschungsprojekt aufgezogen. Rein aus Bindfaden und Schotter aufgetürmte Stelen bewiesen damals, wie enorme Stabilität nur durch die Verzahnung und Verspannung des Schotters mit einem eingewobenen Faden erreicht werden kann – und das ganz ohne Zement. Ein Test im Labor zeigte, dass Schotterstehlen mit einer Höhe von 80 cm und einem Durchmesser von 33 cm einem Druck von 200 kN standhalten, was einer Belastung mit 20 t entspricht.

Auch Asphalt besteht aus Gestein verschiedener Größe und dem Bindemittel Bitumen. Und so übertrugen die beiden Empa-Forscher Martin Arraigada und Saeed Abbasion aus der Abteilung „Concrete & Asphalt“ dieses Konzept auf den Straßenbau: „Wir wollen herausfinden, wie man einen recyclingfähigen Belag in Zukunft herstellen könnte. Dabei setzen wir auch erstmalig digitalisierte Bauweisen im Strassenbau ein“, erklärt Arraigada.

Ein Schnur-verstärkter Straßenbelag, der ohne Bitumen auskommt, verspricht einige Vorteile. Denn Bitumen wird aus Erdöl gewonnen, wobei bei der Herstellung und auch später beim Gebrauch Luftschadstoffe freigesetzt werden. Außerdem macht es Asphalt anfällig für Risse und Verformungen und noch dazu undurchlässig für Regenwasser – auch das könnte so überwunden werden. Denkbar wäre für die Forscher auch, dass Gestein zum Einsatz kommen, das sonst für den Straßenbau nicht geeignet ist, dafür aber weniger rar sind. Nicht zuletzt macht das Verfahren einen ausrollbaren und recyclingfähigen Belag denkbar.

Hier gibt es noch weitere Impressionen sowie Informationen zu Projekten des Gramazio Kohler Research Labs der ETH Zürich im Umfeld des hier beschriebenen Verfahrens.

Das Geheimnis: Bindfaden, Schotter und ein Roboterarm

Lösungen für die genannten Aspekte überprüfen die beiden Empa-Forscher anhand verschiedener Tests. Als entscheidendes Hilfsmittel dient dabei ein Roboterarm. Er legt den Bindfaden in einem bestimmten einprogrammierten Muster auf die übereinander geschichteten Schotterlagen. Für die mechanischen Tests werden fünf dieser Schichten aus Schotter und Fadengewebe in einer Versuchsbox übereinandergelegt, wobei der Boden der Box mit einer Gummimatte ausgelegt ist, die das ganze Paket auf dem Untergrund fixiert. Sie simuliert das verformbare Bett, auf das der Straßenbelag aufgebracht wird. Dass es sich bei dem Bindfaden um genau denjenigen handelt, den jeder Schweizer und jede Schweizerin fürs Papierbündeln verwendet, zeigt, dass die Empa-Forscher hier völlig neue und zugleich auch kostengünstigere Wege beschreiten.

Es geht auch ohne Bitumen im Straßenbelag

Das Schotter-Bindfaden-Paket wird dann mit einer rotierenden Platte und mit Druck belastet. Dieser Belastungstest zeigt: Durch die Verstrickung der einzelnen Steine mit dem Faden hält das Paket einem Druck von 5 kN stand – also eine halbe Tonne –, ohne dass sich die Steine stark verschieben. Normalerweise übernimmt der Bitumen diese Aufgabe im Asphalt.

Parallel zu ihren Laborversuchen modellieren die Forscher alles im Computer in 3D mittels „Discrete Element Method“ (DEM). Hier soll sich die Verschiebung der einzelnen Steine zeigen und welche Zugkräfte auf den Faden einwirken – etwas, das im Labor nicht untersucht werden kann. Daneben werden auch verschiedene Muster und Maschenweiten sowie deren Auswirkungen auf die Stabilität des Belags näher untersucht.

Ein anwendungsreifes Produkt, das im Straßenbau eingesetzt werden könnte, gibt es zwar noch nicht. Doch die Grundlagenarbeit liefert viel Innovationspotenzial, um mit einfachen Mitteln einem rezyklier- und vielleicht ausrollbaren Straßenbelag näher zu kommen.

db

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