Materialforschung Beton wird grün

Im Textil-Beton ersetzen Carbon-Fasern die Stahlmatten. So wird das Material leichter, zugfester und kann filigraner verarbeitet werden.

(Foto: Ulrich van Stipriaan)
  • Bei der Produktion von Zement, der wichtigsten Zutat von Beton, wird viel Kohlendioxid freigesetzt.
  • Ein großes Problem, angesichts des Baubooms in Schwellenländern wie China und Indien.
  • Wissenschaftler testen verschiedene Verfahren, um Beton umweltfreundlicher zu machen.
Von Tim Schröder

Man hat den Beton in den vergangenen Jahren reichlich gescholten. Als "Klimakiller" oder noch schlimmer als "Klimabombe". Ganz abwegig ist das nicht, bei der Produktion von Zement, der wichtigsten Zutat von Beton, wird viel vom Klimagas Kohlendioxid freigesetzt. Insgesamt trage die Beton-Herstellung mit rund fünf Prozent zum weltweiten Kohlendioxidausstoß bei, heißt es.

Das ist gewaltig, angesichts des Baubooms in Schwellenländern wie China und Indien kann einem schwindelig werden. Allein ein Großprojekt wie der chinesische Dreischluchtendamm, der höher als der Kölner Dom ist, benötigte Beton im Millionen-Kubikmeter-Maßstab. Doch letztlich braucht jeder Beton. Wir rollen auf Straßen aus Beton dahin, und wer ein Eigenheim baut, setzt es auf eine Beton-Sohlplatte. Kurz: Über Beton lässt sich leicht schimpfen, doch ohne ihn geht es nicht. Bleibt also die Frage, wie sich Beton umweltfreundlicher machen lässt?

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"Es gibt viele Rädchen, an denen man drehen kann", sagt der Baustofftechnologe und Betontechnik-Experte Björn Siebert von der TH Köln. "Beton ist ein Vielstoffgemisch, das aus diversen Zutaten besteht. Deshalb gibt es auch verschiedene Wege, ihn umweltfreundlicher zu machen." Heute gebe es zum Beispiel vielerlei Zusätze, die man dem Beton beimischt, um ganz besondere Eigenschaften einzustellen. So lässt sich zum Beispiel hochfester Beton herstellen, der mehr aushält. "Damit können Sie Betonwände dünner dimensionieren, die genauso tragfähig sind wie herkömmliche Wände", sagt Björn Siebert. "Wenn Sie die Wanddicke von 30 auf 20 Zentimeter reduzieren, ist die Betonersparnis beachtlich."

Einen anderen Weg gehen Forscher der TU Dresden. Sie haben ein Konzept erdacht, um mächtige Stahlbetonteile für den Haus- oder Brückenbau filigraner zu machen. Dabei setzen sie auf den Werkstoff Carbon, mit dem sie den Stahl ersetzen. Reiner Beton kann zwar hohen Druck ertragen, ist aber empfindlich, wenn man an ihm zieht. Bauteile wie Brücken oder Geschossdecken stattet man deshalb zusätzlich mit Stahlmatten aus, die Zugkräfte leicht wegstecken. Um den Stahl vor Wasser und Rost zu schützen, muss man ihn allerdings mit einer dicken Schicht Beton umhüllen.

Äußerlich gleicht Carbon-Beton dem klassischen Material.

(Foto: filmaton.tv)

Das macht die Stahlbetonbauteile relativ schwer. Im Projekt C3 an der TU Dresden setzt man deshalb nicht auf Stahl, sondern auf ein Geflecht aus Carbonfasern. Carbon ist leichter als Stahl, kann höhere Belastungen ertragen und rostet nicht. Eine wenige Millimeter dünne Deckschicht aus Beton ist deshalb völlig ausreichend. Noch hat sich der Carbonbeton nicht etabliert. Aber erste Versuchsobjekte gibt es bereits: zum Beispiel einen kleinen Pavillon, dessen Dach aus luftig leicht geschwungenen Bögen besteht, die eher an Pappe als an massiven Beton erinnern. Auch Carbonbetonplatten für die Verkleidung von Fassaden wurden in Dresden bereits entwickelt. Diese sind nur zwei Zentimeter dick. Stahlbeton müsste mindestens acht Zentimeter mächtig sein - eine Rohstoffersparnis von 75 Prozent.

Um den Beton im großen Stil umweltfreundlicher zu machen, werden Ideen wie der Carbonbeton allein aber nicht reichen. Vielmehr muss man an die Substanz heran, an die Massenproduktion und die grundlegende Rezeptur. Traditionell besteht Beton aus drei wesentlichen Zutaten: Wasser, Zement und der Gesteinskörnung wie zum Beispiel Kies. Bei der Herstellung von Zement wird besonders viel Kohlendioxid frei, daher steht er besonders im Fokus. Zement wird aus Kalkstein und Ton hergestellt. Beides wird gemahlen, vermischt und bei Temperaturen von 1450 Grad Celsius in großen Öfen gebrannt, was viel Energie verbraucht. Chemisch gesehen, besteht Kalkstein aus dem Stoff Kalziumkarbonat, CaCO₃.

Zum starken Kohlendioxid-Ausstoß der Zementwerke trägt bei, dass beim Brennen aus dem Kalziumkarbonat Kohlendioxid, CO₂, entweicht. Dabei entsteht Kalziumoxid, CaO. Und auf diese Verbindung kommt es an. Das Kalziumoxid reagiert während des Brennens mit anderen Substanzen, die in geringen Mengen im Kalkstein und Ton enthalten sind - Verbindungen, die Aluminium, Eisen oder Silizium enthalten. Dabei bilden sich Kalzium-Metallverbindungen, die für die Eigenschaften des Zements besonders wichtig sind. Das Endprodukt dieses Brennvorgangs bezeichnet man als Zementklinker, ein grobes Pulver, das dann zum feinen Zement zermahlen wird. Vermischt man auf der Baustelle den Zement mit Wasser und der Gesteinskörnung bilden die Kalzium-Metallverbindungen Kristalle, die fest miteinander verhaken, wodurch der Beton aushärtet.

"Heute greift man an verschiedenen Stellen dieses langen Herstellungsprozesses an, um das Endprodukt umweltfreundlicher zu machen", sagt Björn Siebert. Seit Jahrzehnten setzt man zum Beispiel bei der Zementherstellung Flugasche ein, die bei der Verbrennung von Steinkohle in Kraftwerken entsteht. Auch Hüttensand aus der Stahlproduktion wird dem Zement in großen Mengen zugesetzt. Beides reduziert also den Bedarf an gebranntem Kalkstein und Ton und verringert so den Energiebedarf und den Kohlendioxidausstoß. Auf dem Markt gibt es seit Langem verschiedene Zementqualitäten, die sich am Gehalt der Beimischungen unterscheiden. CEM-I-Zement, der sogenannte Portlandzement zum Beispiel, enthält zu 95 Prozent Zement aus Kalkstein und Ton, CEM-III/B-Zement hingegen mehr als 66 Prozent Hüttensand.

Eine Tonne des neuartigen Materials kann 100 Kilogramm Kohlendioxid schlucken

Weltweit versuchen Forscher den Anteil von Zementklinker im Beton zu verringern. Man kann dem Zement beispielsweise ungebrannten Kalk beimischen. Derzeit untersuchen Forscher, wie viel sich zusetzen lässt, ohne dass sich die Eigenschaften des Zements verschlechtern. Vor einigen Jahren wurde ein anderes Verfahren hochgelobt, das Wissenschaftler am Imperial College in London entwickelt hatten. Bei diesem Verfahren wird für die Betonherstellung statt des klassischen Zements Magnesiumoxid verwendet. Die Forscher stellten fest, dass die Mischung beim Aushärten sogar Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnahm. Sie rechneten den Effekt hoch und kamen zu dem Schluss, dass dieses Verfahren pro Tonne Beton 100 Kilogramm Kohlendioxid schlucken würde. Zum Vergleich: Bei der Produktion von einer Tonne Portlandzement werden je nach Zementwerk zwischen 650 und 920 Kilogramm Kohlendioxid frei.

Die Entdeckung wurde 2010 vom Magazin des Massachusetts Institute of Technology in den USA zu den zehn "Breakthrough"-Technologien des Jahres gekürt. Die Forscher gründeten eigens die Firma Novacem. Doch dann folgte der Katzenjammer. So kurz nach der Finanzkrise fanden sich keine Geldgeber, die das Projekt fördern wollten. Immerhin konnten die Forscher ihre Idee an einen großen Zementhersteller verkaufen.