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Ein lächelnder Mann sitzt in einem Labor mit einem Bein auf einem Tisch, vor ihm auf dem Tisch steht ein Schale mit Gesteinsmaterialien und Zement, daneben eine Glasflasche.
Auf dem Tisch steht ein Schale mit Gesteinsmaterialien und Zement, daneben eine Glasflasche. | Bild: FH Münster – Katharina Kipp

Zukunft des Bauens

Klimafreundlicher Beton


Ein Wissenschaftsteam der FH Münster forscht seit drei Jahren an einer Lösung, mit der ein klimafreundlicher Beton ohne Zement hergestellt werden kann. Als Ersatz für Zement wurde eine Mischung aus Metakaolin und Feinanteilen von Beton-Rezyklate eingesetzt, als Bindemittel bzw. Aktivator-Lösung Natrium-Wasserglas genutzt. Die Belastbarkeit der verschiedenen Mischungsverhältnisse wurde im hochschuleigenen Prüflabor getestet und kontinuierlich weiterentwickelt.
 

Immer mehr Bauwerke aus Beton sind in die Jahre gekommen und werden abgebrochen – übrig bleibt jede Menge Schutt. Dieser besteht aus verschiedenen Korngrößen, von sehr klein bis ganz grob. Alles, was im mittleren bis groben Segment liegt, lässt sich in der Baubranche derzeit gut weiterverarbeiten.

Mit dem feinen Pulver im Beton-Rezyklat, das von der Konsistenz her an Mehl erinnert, gelingt das jedoch nicht ohne Weiteres. Darüber hinaus gibt es eine weitere Herausforderung beim Einsatz von Beton als Massenbaustoff: Zement. Dieser wird neben der Gesteinskörnung, Wasser sowie Zusatzmitteln und -stoffen benötigt, um Beton herzustellen. Er verursacht dabei aber fünf bis acht Prozent der CO2-Emissionen weltweit.

Bauingenieurinnen und Bauingenieure der FH Münster hatten deshalb die Idee, einen völlig neuen Beton zu entwickeln, der klimafreundlich und idealerweise CO2-neutral ist – und unter anderem aus den Feinanteilen des Beton-Rezyklats besteht. Für diesen Beton stellte das Team ein CO2-optimiertes Bindemittel her.

 

Metakaolin und Beton-Rezyklat als Zementersatz

„Das Bindemittel klebt die Gesteinskörner im Beton zusammen. Normalerweise geschieht das mithilfe des Zementleims“, erklärt Prof. Dr. Jörg Harnisch. Zement besteht aus Kalk und Ton. In der Herstellung wird er bei bis zu 1.450 °C gebrannt. Dabei stammt ein großer Teil der Energie nach wie vor aus fossilen Energieträgern – und das sorgt für einen erheblichen CO2-Ausstoß. Aber nicht nur hier entsteht CO2. Wird Kalkstein bei 1.450 °C gebrannt, wandelt dieser sich unter Abgabe von erheblichen CO2-Mengen zu Brandkalk um. Dieser Vorgang wird „entsäuern“ genannt, und sein Anteil am Gesamtausstoß von CO2 beträgt rund 60 %. Diese Menge wird also brennstoffunabhängig bei den derzeit eingesetzten Rohstoffen immer erzeugt.

„Unser Ansatz ist es daher, Zement zu ersetzen. Wir verwenden Metakaolin, einen thermisch speziell aufbereiteten Ton, und das feine Pulver aus dem Beton-Rezyklat. Letzteres haben wir vom Betonwerk Rekers bekommen, dessen Beton-Rezyklat aus der Produktion gut mit dem Beton-Rezyklat von der Baustelle vergleichbar ist.“ Metakaolin verbrauche in der Herstellung zwar immer noch Energie, allerdings deutlich weniger als beim Zement. Zudem „entsäuert“ Ton nicht wie Kalkstein, sodass der CO2-Ausstoß von dieser Seite auf ein Minimum gesenkt werden könne, so der Wissenschaftler.

 

Ein lächelnder Mann sitzt in einem Labor mit einem Bein auf einem Tisch, vor ihm auf dem Tisch steht ein Schale mit Gesteinsmaterialien und Zement, daneben eine Glasflasche.
Foto Prof. Dr. Jörg Harnisch
Bild: FH Münster – Katharina Kipp

 

Natrium-Wasserglas statt Wasser

Statt Wasser arbeitet das Team mit einer hochalkalischen Aktivator-Lösung – dem dickflüssigen Natrium-Wasserglas. „Dieser Prozess ist sehr komplex“, sagt Pia Gebken. „In dem Pulver gibt es amorphe Alumosilikate, die eine große chemische Reaktionsfreude besitzen. Wir lösen diese mit dem Wasserglas zunächst an. In einem zweiten Schritt verbinden sich die angelösten Elemente zu neuen, festen Strukturen. Dieser Vorgang wird auch als Polymerisation bezeichnet und ist vor allem im Zusammenhang mit Kunststoffen bekannt. Dadurch entsteht das neue Bindemittel, mit dem wir die Gesteinskörner zusammenkleben“, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin.

 

Eine junge Frau hält in einem Labor zwei Betonquader in der Hand, Neben ihr steht eine Schale mit einem weißen Pulver, Sand und Beton-Rezyklat.
Wissenschaftliche Mitarbeiterin Pia Gebken zeigt erste Bindemittelversuche
Bild: FH Münster – Katharina Kipp
  • Als Natrium-Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte glasartige, also amorphe wasserlösliche Natriumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet.

  • Metakaolin wird aus kaolinitischem Ton hergestellt. Kaolinitischer Ton bzw. Kaolin (auch Porzellanerde genannt) ist ein unverfestigtes Sedimentgestein, das hauptsächlich Kaolinit, ein Verwitterungsprodukt des Feldspats, enthält. Für die Herstellung des Metakaolins wird der kaolinitische Ton nach Zerkleinerung und thermischer Trocknung calciniert. Calcinieren ist das Erhitzen (Brennen) calcium- und magnesiumcarbonathaltiger Mineralien, um diese zu entwässern oder zu zersetzen. Durch diese thermische Behandlung (bei atmosphärischem Druck) ändert sich die Struktur des kaolinitischen Tons.

Quellen: betonwiki.de, chemie.de und chemie-schule.de

 

Auf die Mischung kommt es an

Drei Jahre lang hat das wissenschaftliche Team daran geforscht. Dabei entpuppte sich vor allem das richtige Verhältnis von Metakaolin und Rezyklat als große Herausforderung: Ein zu hoher Anteil von Rezyklat führt dazu, dass die Festigkeit nicht besonders hoch ist. Aber auch die Zusammensetzung der Aktivator-Lösung spielt eine große Rolle und wurde in ausgiebigen Testreihen beleuchtet.
 

Mit Belastungstests zum Ergebnis

Die Prüfungen an Festmörtel und -beton hat Ingo Fenneker durchgeführt und begleitet: Er führte im Bautechnischen Zentrallabor der Hochschule Belastungstests in dreistelliger Anzahl durch. „Letztendlich ist es uns gelungen, funktionierende Betone zu entwickeln, die unter Baustellenbedingungen hergestellt werden können und eine technisch nutzbare Festigkeit aufweisen – Vorsicht ist aber bei dem Einsatz der alkalischen Lösung angesagt“, so Prof. Harnisch.

Besonders gut funktioniert Beton, der zu 75 % aus Metakaolin und 25 % aus Rezyklat besteht. „Dieser ist mit 30 N/mm² belastbar, was einem normalen Beton im heutigen Hausbau entspricht“, sagt Fenneker. Die Festigkeit sinkt leicht, wenn der Beton zu 50 % aus Metakaolin und zu 50 % aus Rezyklat besteht – er ist aber immer noch sehr gut nutzbar.

 

Ein Mann steht vor einer geöffneten Messanlage und hält einen Betonklotz in der Hand.
Ingo Fenneker macht im Bautechnischen Zentrallabor Belastungstests
Bild: FH Münster – Katharina Kipp

 

Ausblick

Und die Folgen für die Umwelt sind deutlich: Normaler Beton erzeugt ein CO2-Äquivalent von über 200 kg/m3. Beton mit viel Metakaolin und weniger Rezyklat reduziert das um 42 %, Beton mit mehr Rezyklat sogar um 50 %. Noch ein Vorteil: Die verbleibende Energie ist vornehmlich Prozessenergie, die in der Zukunft idealerweise aus regenerativen Quellen stammt. Dann wäre der neue Beton klimaneutral.

Fertig ist das Team damit aber noch nicht: Im nächsten Schritt will es untersuchen, wie dauerhaft der neue Beton ist – wie gut er also gegen Frost, Temperatur- und Feuchtebeanspruchung gewappnet ist. Und es gilt herausfinden, wie lange der Beton den darin verbauten Bewehrungsstahl sicher vor Korrosion schützt. „Außerdem wollen wir einen Beton mit noch höherer Festigkeit entwickeln. Was wir jetzt schon erreicht haben, ist für uns ein großer Erfolg. Da steckt aber noch viel Potenzial drin, das wir ausschöpfen wollen. Irgendwann komplett klimaneutralen Beton zu produzieren, wäre großartig, denn Bauen ohne Beton wird es auch in Zukunft nicht geben“, so Harnisch.

Die deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat das kooperative Forschungsvorhaben mit der Firma REKERS aus Spelle mit insgesamt rund 120.000 Euro gefördert.


Weitere Informationen:
Fachhochschule Münster, Fachbereich Bauingenieurwesen
www.fh-muenster.de/bau/

 

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BauPortal 2|2022