14.07.2021

Biofilme auf Fassaden

Biofilme auf Fassaden

Quelle: BAM

Projektlaufzeit

01.01.2021 - 31.12.2023

Projektart

BAM eigenes Projekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Es wird die Biorezeptivität von Betonoberflächen untersucht. Sie sollen zur Vermeidung von mikrobieller Korrosion und zur gezielten Begrünung von Fassaden durch Biofilme genutzt werden.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Vision einer Fassade mit Algenbewuchs

Vision einer Fassade mit Algenbewuchs

Quelle: BAM

Um den Einsatz von Bioziden zu minimieren und Wartungsintervalle zu erhöhen soll ungewollter Bewuchs auf Fassaden vermieden werden. Andererseits kann die gezielte Ansiedlung von Biofilmen für eine neuartige Funktionalisierung von Fassaden genutzt werden. Biorezeptive Fassaden können zur Verbesserung der Luftqualität beitragen, den Hitzeinsel-Effekt vermindern und die Artenvielfalt in Innenstädten erhöhen.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Erforscht wird, wie durch Rezeptur, Texturierung und Benetzungseigenschaften von Feinkornbeton die Biorezeptivität gezielt gesteuert werden kann. In interdisziplinärer Zusammenarbeit soll aus der Gestalt und den Bedürfnissen der Zielorganismen die Topografie und Oberflächenchemie abgeleitet werden, die eine Anheftung begünstigt oder erschwert. Die Dynamik der Biofilmbildung wird erfasst und Veränderungen der Betonoberflächenmikrostruktur in Abhängigkeit von Exposition und Zeit aufgeklärt.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Im BAM-Fachbereich Baustoffe werden unterschiedlich strukturierte und beschichtete /dotierte Betonoberflächen hergestellt, die in Labor- und Feldversuchen auf ihre Biorezeptivität hin untersucht werden. Zur Kultivierung des Biofilms auf Proben im Labor wird das zur Schnellbewitterung von Fassaden angepasste HI-Tension System in der Abteilung Material und Umwelt genutzt. Es wird analysiert, welche Parameter der Substrate und der Klimarandbedingungen sich wie und warum auf die Qualität und die Quantität des Biofilms auswirken.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Das Vorhaben vereint an der BAM vorhandene Kompetenzen. Experten in Herstellung und Analyse funktionalisierter Oberflächen aus dem Fachbereich Baustoffe arbeiten zusammen mit der Forschungsgruppe von Frau Prof. Dr. Anna Gorbushina, Abteilung Material und Umwelt, eine Expertin für mikrobielle Ökologie von subaerischen Biofilmen. Input verschiedener Partner aus Wissenschaft und Baupraxis gewährleistet die spätere Realisierbarkeit der entwickelten Technologien.

Biofilme auf Baustoffen

Wie auch auf natürlichen Oberflächen bilden sich auf bewitterten Baustoffen wie Fassaden im Laufe der Zeit Biofilme. Besonders offensichtlich wurde der primär ästhetische Bauschaden Anfang der 90er-Jahre nach der großflächigen Sanierung von Plattenbauten bzw. der Neuerrichtung von Wohngebieten in den neuen Bundesländern. Durch die gestiegenen Anforderungen an den Wärmeschutz der Gebäudehülle wurden sehr hohe Dämmschichtdicken auf den Außenwänden aufgebracht. Damit wurden die Oberflächentemperaturen der Wetterschutzschicht planmäßig reduziert, gleichzeitig aber auch die Trocknungsbedingungen für Niederschlag und Tauwasser deutlich verschlechtert. In zahlreichen Forschungsarbeiten zur Problematik des Algenbefalls an Fassaden wurden die Rauigkeit der Oberfläche sowie die hygrischen Materialeigenschaften als ausschlaggebend eingestuft. Insbesondere wurden lang anhaltende Feuchtigkeitsfilme auf den Oberflächen als Hauptursache für das Wachstum von Mikroorganismen identifiziert. Auch visuell ist in der Regel sehr gut zu erkennen, dass die Gegenwart von grün-schwarzen Biofilmen mit dem Feuchteangebot auf den betroffenen Fassaden korreliert.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen durch eine gezielte Mikrostrukturierung von Betonsubstraten die Anheftungsbedingungen für die Mikroorganismen sowie die Verfügbarkeit von flüssigem Wasser gezielt gesteuert werden. So kann auf Oberflächen mit geringer Biorezeptivität der Einsatz von Bioziden verringert werden. Auf der anderen Seite sollen durch eine gezielte Erhöhung der Biorezeptivität Biofilme möglichst schnell und flächendeckend auf den Bauteilen aufwachsen. Im Vorgängerprojekt H-House wurde mit den Premiumzementen für ultrafesten Beton (UHPC) der Firma Dyckerhoff bereits sehr erfolgreich Makro- und Mikrostrukturierungen in Betonoberflächen eingeprägt. Neben der sehr feinen Körnung weist UHPC ein sehr dichtes Gefüge und damit eine sehr geringe Wasseraufnahme auf. Durch die geringe Sorption wird das Wasser an der Substratoberfläche gehalten und dem Biofilm zur Verfügung gestellt.

Stand der Wissenschaft

Zu Beginn des Projekts wurde eine ausgiebige Literaturrecherche durchgeführt. Neben gängigen Versuchsaufbauten wurde erfasst, welche Algen im urbanen Europa gängig und somit als Modellorganismen eingesetzt werden sollten.

Die mikrobielle Besiedlung von Fassaden ist von einer Vielzahl an Faktoren abhängig. Selbst wenn man das Substrat und die Mikroorganismen ausklammert, bleiben Temperatur, Dauer und Intensität der Sonneneinstrahlung, Wind, Regenhäufigkeit und -intensität, Ausrichtung der Fassade und Zusammensetzung des Aerosols. Aufgrund der Komplexität des Themas widersprechen sich die Ergebnisse der Veröffentlichungen zum Teil. Weitgehender Konsens besteht jedoch darin, dass die chemischen Eigenschaften des Substrats eine untergeordnete Rolle spielen und die Biorezeptivität hauptsächlich von physikalischen Eigenschaften abhängt. Die Oberfläche muss einerseits rau genug sein, um ein initiales Anheften der Algen zu ermöglichen und andererseits genug Wasser für das Wachstum zur Verfügung stellen. Ein hoher pH-Wert sowie die Verfügbarkeit von Bioziden erschweren und verzögern die Etablierung von Biofilmen.

Bezüglich der Wasserverfügbarkeit gibt es unterschiedliche Ansätze: Eignen sich hydrophobe Oberflächen mit beispielsweise Lotuseffekt, die das Wasser an der Substratoberfläche halten, aber – zumindest für den Fall der größeren Regentropfen - auch schnell ableiten? Oder sind hydrophile Oberflächen überlegen, die allerdings dazu neigen, die Feuchtigkeit im Porensystem des Betons zu speichern und so den Algen das freie Wasser auf der Oberfläche entziehen?

Das Projekt "Funktionalisierte Betonoberflächen zur gezielten Einstellung der Biorezeptivität" soll durch systematische Versuchsreihen im Labor und Freiland einige dieser theoretischen Fragen beantworten.

Versuche

Geeignete Oberflächenstrukturen sollen mithilfe von Silikon abgeformt und nach dem Erhärten als Strukturmatrizen in die Schalungen eingelegt werden. Etwaige Beschichtungen wie Hydrophobierungsmittel können direkt auf die Strukturmatrizen appliziert und somit nass in nass in die strukturierte Betonoberfläche eingearbeitet werden. Alternativ erstellen Industriepartner Prüfkörper mit auf das Projekt angepassten Spezialbeschichtungen. In der Diskussion sind hier Beschichtungen, die Algenkeime oder Nährstoffe beinhalten und anstelle des Baustoffes als Substrat dienen. So entsteht eine breit gefächerte Auswahl an Prüfkörpern mit verschiedenen Oberflächenstrukturen und -eigenschaften, deren Ausgangseigenschaften wie zum Beispiel Benetzungs- und Abrollwinkel sowie Rauigkeit dokumentiert sind.

Anschließend werden die Proben in Außenversuchen bewittert und regelmäßig auf Bewuchs untersucht. Die Umwelteinflüsse werden dabei durch eine Wetterstation aufgezeichnet. Parallel dazu werden in der bereits erprobten und validierten Umweltsimulationsanlage HI-Tension unter Nutzung eines Modellbiofilms Laborversuche laufen. Hier können klimatische Randbedingungen sowie unterschiedliche Nährstoffzugaben simuliert werden. Durch die kontrollierte Umgebung kann die Dynamik der Biofilmbildung und Veränderungen der Mikrostruktur genau erfasst werden. In Kombination mit den zuvor bestimmten Oberflächenparametern können Rückschlüsse gezogen werden, welche Parameter welchen Einfluss auf Qualität und Quantität des Biofilms haben.

Durch eine Anpassung der HI-Tension Anlage soll ein allgemeingültiger Test für die Biorezeptivität von Fassadenbaustoffen entwickelt werden

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Fachbereich Baustoffe

Projektpartner

Fachbereich Baustoffe der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Abteilung Material und Umwelt der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
KIT Baustoffe und Betonbau, Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
Universität Siegen, Chemie und Struktur neuer Materialien
Solaga UG
Leonhard Kurz Stiftung & Co. KG
Dyckerhoff Deutschland Premiumzemente

Förderung

Das Projekt "Funktionalisierte Betonoberflächen zur gezielten Einstellung der Biorezeptivität" wird durch das Menschen-Ideen Programm der BAM gefördert.