Beton als Kohlendioxidspeicher
Neue Zusatzstoffe aus Magnesiumsilikaten
Beton könnte künftig noch mehr dazu genutzt werden, Kohlendioxid dauerhaft mineralisch zu binden und damit einen Teil der Emissionen seiner Herstellung auszugleichen. Im europäischen Forschungsprojekt C-SINC entwickeln Partner aus Industrie und Wissenschaft einen reaktiven Zusatzstoff auf Basis karbonatisierter Magnesiumsilikate. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersucht, wie sich daraus praxistaugliche Betone herstellen lassen und ob sie die Anforderungen an Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und Sicherheit erfüllen.
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Die Herstellung von Zementklinker gehört zu den größten CO2-Quellen der Baustoffindustrie. Die Emissionen entstehen einerseits durch den hohen Energiebedarf der Brennprozesse, andererseits durch die chemische Entsäuerung des Kalksteins. Daher versuchen einige Hersteller, den Klinkeranteil im Beton zu senken. Bisher übernehmen diese Aufgabe vor allem reaktive Zusatzstoffe wie Flugasche und Hüttensand. Ihre Verfügbarkeit wird jedoch abnehmen: Mit dem Ausstieg aus der Kohleverstromung fällt langfristig weniger Flugasche an, zugleich sinkt durch die Transformation der Stahlindustrie voraussichtlich auch die Verfügbarkeit von Hüttensand. C-SINC sucht daher nach einer neuen Materialbasis für sogenannte Supplementary Cementitious Materials, kurz SCM.
Im Mittelpunkt stehen magnesiumhaltige Silikate, wie sie auch in natürlichen Gesteinen vorkommen. Sie können Kohlendioxid chemisch binden und in stabile Karbonate umwandeln. Das daraus entstehende Material soll klassische Zusatzstoffe ergänzen oder ersetzen und zugleich ermöglichen, weniger Zement einzusetzen.
Beschleunigte Verwitterung
Vorbild für den Prozess ist die natürliche Verwitterung. Magnesiumsilikate reagieren dabei mit Kohlendioxid und bilden Karbonate, in denen der Kohlenstoff dauerhaft mineralisch gebunden bleibt. In der Natur kann diese Umwandlung mehrere Millionen Jahre dauern.
C-SINC untersucht, wie sich derselbe Prozess technisch auf wenige Stunden oder Tage verkürzen und in eine industrielle Prozesskette übertragen lässt. Die verfahrenstechnische Entwicklung liegt beim koordinierenden Industriepartner Paebbl. Dort werden die Ausgangsminerale karbonatisiert und zu einem feinen Zusatzstoff aufbereitet. Das KIT erhält das fertige Material und untersucht, wie es sich im Beton verhält. Zunächst ersetzt das karbonatisierte Magnesiumsilikat den Zement nicht vollständig. Es dient als reaktiver Betonzusatzstoff, der den Klinkeranteil reduzieren soll. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen bleibt das Kohlendioxid in den neu gebildeten Karbonaten gebunden. Der Ansatz verbindet damit zwei Effekte: weniger Emissionen durch einen geringeren Klinkeranteil und zusätzlich gespeichertes CO2.
Vom Pulver zur Betonrezeptur
Ob daraus ein praxistauglicher Baustoff entsteht, hängt vom Zusammenspiel mit Zement, Wasser, Gesteinskörnung, Zusatzmitteln und Bewehrung ab. Hier setzt das Team um Professor Frank Dehn am KIT und an der Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe (MPA). Die Wissenschaftler*innen untersuchen Reaktionsmechanismen, optimieren Mischungen und prüfen die daraus hergestellten Betone. Zunächst geht es um grundlegende Eigenschaften. Wie entwickelt sich die Festigkeit? Wie schnell erhärtet der Beton? Wie verändert der Zusatzstoff das Frischbetonverhalten? Die Frühfestigkeitsentwicklung ist vor allem für die Fertigteilproduktion interessant. Grundsätzlich soll das Material sowohl für Fertigteile als auch für Ortbeton geeignet sein.
Bei neuen Zusatzstoffen fehlen viele Erfahrungswerte. Deshalb verbindet das KIT thermodynamische Modelle mit experimentellen Untersuchungen. Simulationen helfen, aussichtsreiche Zusammensetzungen auszuwählen. Anschließend zeigen Laborversuche, ob sich die Prognosen bestätigen.
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Wie dauerhaft ist der neue Beton?
Für die Baupraxis reicht eine hohe Druckfestigkeit allein nicht aus. Beton muss über Jahrzehnte belastbar sein. Deshalb untersucht das KIT auch Dauerhaftigkeit, Schwinden, Kriechen und das Verhalten unter unterschiedlichen Umwelteinwirkungen. Perspektivisch sollen Betone entstehen, die in unterschiedlichen Expositionsklassen eingesetzt werden können. Dafür müssen sie unter anderem Frost, Karbonatisierung und Chlorideinwirkung standhalten.
Besondere Aufmerksamkeit gilt dem Zusammenspiel mit der Bewehrung. Magnesiumbasierte Systeme können sich chemisch von konventionellen Portlandzementbetonen unterscheiden. Damit stellt sich die Frage, ob der Korrosionsschutz des Bewehrungsstahls dauerhaft erhalten bleibt. Sollte sich hier ein höheres Risiko zeigen, könnten nichtmetallische Bewehrungen in den Blick rücken. Dabei wären auch Rückbaubarkeit und Rezyklierbarkeit zu bewerten.
Einen Einsatz in klassischen Ingenieurbauwerken wie Brücken oder Tunneln halten die Forschenden derzeit noch für nicht ratsam. Dort spielen Langzeitverformungen, dynamische Beanspruchungen und hohe Dauerhaftigkeitsanforderungen eine große Rolle. Wahrscheinlicher sind zunächst Anwendungen im Hochbau unter vorwiegend statischen Lasten.
Aus Probekörpern werden Bauteile
Derzeit wird die Produktion des karbonatisierten Materials vom Gramm- und Kilogrammmaßstab auf größere Mengen hochskaliert. Am KIT entstehen vorerst klein- und mesoskalige Probekörper. Im nächsten Schritt sollen größere Balken und Bauteile folgen, die in den Prüfhallen der MPA Karlsruhe unter realitätsnahen Bedingungen belastet werden können. Diese Versuche werden zeigen, wie sich das Material im Bauteil verhält, wann Risse entstehen und wie sich Verformungen entwickeln. Modellierung, Laborprüfung und großmaßstäbliche Versuche sollen belastbare Kennwerte für Zulassung und Normung schaffen.
Da der neue Zusatzstoff bislang weder national noch europäisch geregelt ist, führt der Weg zunächst über Verwendbarkeitsnachweise und bauaufsichtliche Zulassungen. Das KIT bringt dabei seine Erfahrung aus Sachverständigengremien und Normung ein. Ziel ist es, frühzeitig Prüfprogramme zu entwickeln und Daten zu erzeugen, die spätere Genehmigungsverfahren vorbereiten. Gelingt dieser Schritt, könnten Gebäude und Bauteile einen Teil des heute freigesetzten Kohlendioxids dauerhaft mineralisch speichern.
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