Forschung

Forschungsprojekt an der FH Münster entwickelt klimafreundlichen Beton

Bild 1: Pia Gebken ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und hält die ersten Bindemittelversuche des Teams in die Kamera. Links im Bild sind Metakaolin (weißes Pulver), darunter Feinanteile des Betonezyklats und Normsand zu sehen. Daneben steht ein kleiner Behälter mit Natrium-Wasserglas, im Hintergrund: der neue Beton (Fotos: FH Münster/Katharina Kipp)

Bild 2: Prof. Dr. Jörg Harnisch zeigt die Bestandteile eines klassischen 3-Stoff-Betons: Zement, Gesteinskörner und Wasser

Bild 3: Dass sie mit ihrem Ansatz tatsächlich Beton herstellen können, ist ein großer Erfolg für das Team (v. l.): Konstantin Fache, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Jörg Harnisch, Bachelorstudent Noel Oellerich, Mitarbeiter Ingo Fenneker und Pia Gebken, wissenschaftliche Mitarbeiterin

Bild 4: Ingo Fenneker führte im Bautechnischen Zentrallabor der Hochschule Belastungstest in dreistelliger Zahl durch

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 Betonrezyklat, 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 5 bis 8 % der CO2-Emissionen weltweit. 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 Betonrezyklats besteht. Denn damit stellte das Team ein CO2-optimiertes Bindemittel her.

Herausforderung
„Das Bindemittel klebt die Gesteinskörner im Beton zusammen. Normalerweise geschieht das mit Hilfe des Zementleims“, erklärt Projektleiter 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 der Anteil am Gesamtausstoß von CO2 beträgt rund 60 %. Diese Menge wird also brennstoffunabhängig bei den derzeit eingesetzten Rohstoffen immer erzeugt.

Der Ansatz ist es daher, Zement zu ersetzen. Daher wird Metakaolin verwendet, ein thermisch speziell aufbereiteter Ton, und das feine Pulver aus dem Betonrezyklat. Letzteres wurde vom Betonwerk Rekers geliefert, dessen Betonrezyklat aus der Produktion gut mit dem Rezyklat von der Baustelle vergleichbar ist. Metakaolin verbraucht 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 kann, so der Wissenschaftler. Statt Wasser arbeitet das Team mit einer hoch alkalischen Aktivatorlösung – das dickflüssige 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 in Zusammenhang mit Kunststoffen bekannt. Dadurch entsteht das neue Bindemittel, mit dem wir die Gesteinskörner zusammenkleben“, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin.

Auf das Verhältnis kommt es an
Drei Jahre lang haben die Bauingenieure 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 Fertigkeit nicht besonders hoch ist. Aber auch die Zusammensetzung der Aktivatorlösung spielt eine große Rolle und wurde in ausgiebigen Testreihen beleuchtet. 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 Harnisch. Besonders gut funktioniert Beton, der zu 75 % aus Metakaolin und 25 % aus Rezyklat besteht. Dieser ist mit 30 N/m² belastbar, was einem normalen Beton im heutigen Hausbau entspricht. Die Fertigkeit sinkt leicht, wenn der Beton zu 50 % aus Metakaolin und zu 50 % aus Rezyklat besteht – ist aber immer noch sehr gut nutzbar. 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 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 ohne Beton bauen wird es auch in Zukunft nicht geben“, so Harnisch.

Das kooperative Forschungsvorhaben mit der Firma REKERS aus Spelle wurde von der deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit insgesamt rund 120.000 € gefördert.

Weitere Informationen
FH Münster
D-48149 Münster
www.fh-muenster.de

15.11.2021