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Mehr zum Thema / Hermann Mörwald / Donnerstag 14.04.22

Beton, sau­be­rer in die Zukunft

Beton ist welt­weit all­ge­gen­wär­tig und als Bau­ma­te­ri­al eigent­lich nicht zu erset­zen. Der Bau­stoff genießt, was das Kli­ma anbe­langt, aber einen schlech­ten Ruf. Natio­nal wie inter­na­tio­nal gibt es unzäh­li­ge Pro­jek­te, die das Mate­ri­al kli­ma­freund­li­cher machen sol­len. Neue, stark CO2-redu­zier­te Zement- und Beton­re­zep­tu­ren drän­gen laut For­schen­den auf den Markt.
APA/dpa

„Beton kann durch kei­nen ande­ren Bau­stoff in gro­ßem Maß­stab ersetzt wer­den. Er ist näm­lich ein ein­fa­ches Mate­ri­al, das leicht, schnell, lokal und ‚tech­no­lo­gie­arm‘ her­ge­stellt wer­den kann, ist hoch belast­bar und rela­tiv ein­fach zu  ver­bau­en“, beschreibt Ildi­ko Mer­ta, Mate­ri­al­wis­sen­schaf­te­rin am Insti­tut für Werk­stoff­tech­no­lo­gie, Bau­phy­sik und Bau­öko­lo­gie der TU Wien und Gast­pro­fes­so­rin an der Fakul­tät für Tech­ni­sche Wis­sen­schaf­ten der Uni­ver­si­tät Novi Sad (Ser­bi­en), war­um Beton beim Bau­en all­ge­gen­wär­tig zu sein scheint.

„Beton ist welt­weit mit einem Anteil von nahe­zu 90 Pro­zent der mit Abstand meist ein­ge­setz­te Bau­stoff“, so Mer­ta wei­ter. „Laut diver­sen Pro­gno­sen wer­den glo­bal bis 2030 mehr als 25 Mil­lio­nen Häu­ser benö­tigt. Das ist eine immense Her­aus­for­de­rung und Beton als Bau­stoff wird dabei eine zen­tra­le Rol­le spie­len müs­sen“, meint die Wissenschafterin.

Zement­ver­brauch wächst stark

Ein zen­tra­ler Bestand­teil von Beton ist Zement (10 bis 15 Pro­zent; 60 bis 75 Pro­zent sind Zuschlag­stof­fe wie Kies und Sand, 15 bis 20 Pro­zent Was­ser). Geo­gra­fisch gese­hen wird Zement zu 90 Pro­zent in Ent­wick­lungs- und Schwel­len­län­dern genutzt und auch künf­tig gebraucht. In die­sen Regio­nen hat es die ver­gan­ge­nen Jahr­zehn­te mas­si­ve demo­gra­fi­sche Wachs­tums­schü­be gege­ben, was den Zement­ver­brauch in den letz­ten 30 Jah­ren laut Ildi­ko Mer­ta von der TU Wien stark in die Höhe getrie­ben hat.  Allein Chi­na kommt mitt­ler­wei­le für mehr als 50 Pro­zent des glo­ba­len Zement­ver­brauchs auf, dahin­ter folgt Indi­en. „Von einem wei­te­rem star­ken Wachs­tum muss man in die­sen bei­den Län­dern aus­ge­hen“, so Merta.

Mit Beton ist also wei­ter zu rech­nen. Er hat aber bekannt­lich einen schlech­ten Ruf, wenn es um die Öko­bi­lanz geht. Mer­ta erklärt, dass Beton an sich ein nach­hal­ti­ges Mate­ri­al mit einem nied­ri­gen CO2-Fuß­ab­druck ist. Wenn man ihn mit ande­ren Mate­ria­li­en ver­glei­che, sei er nicht „schmut­zi­ger“ als die­se. „Die Krux an Beton und Zement ist aber die enor­me Men­ge, die her­ge­stellt wer­den muss“, schil­dert Mer­ta. Der welt­wei­te jähr­li­che Pro-Kopf-Ver­brauch lie­ge näm­lich bei über vier Tonnen.

Die CO2-Haupt­last ent­steht bei der Zement­her­stel­lung – rund acht Pro­zent der welt­wei­ten Treib­haus­gas­emis­sio­nen kom­men aus der Zement­pro­duk­ti­on: Der Roh­stoff Kalk­stein muss auf 1.450 Grad erhitzt wer­den. Dabei ent­ste­hen 40 Pro­zent der Treib­haus­gas-Emis­sio­nen beim rei­nen Ver­bren­nungs­pro­zess, 60 Pro­zent wer­den durch die che­mi­sche Reak­ti­on bei der Kalk­stein­ver­bren­nung freigesetzt.

Zement neu mischen

Die Zement­an­la­gen – vor allem in Öster­reich –  sei­en bereits äußert effi­zi­ent.. Da ist laut Mer­ta kaum mehr etwas her­aus­zu­ho­len. Öko­lo­gisch gese­hen sei also der Haupt­an­satz­punkt, „wie viel Zement bringt man in den Beton und was für ein Zement­typ bzw. Bin­de­mit­tel wird dabei ver­wen­det“. „Dort könn­te man öko­lo­gisch am meis­ten bewir­ken. Da sind wir dann im Bereich der Inno­va­tio­nen“, so Mer­ta. Der ein­fachs­te Ansatz sei, den Anteil des klas­si­schen, weit­ver­brei­te­ten Port­land­ze­ments im Beton zu sen­ken. Das bedeu­te eine Opti­mie­rung des Mate­ri­als, also neue Mischun­gen zu ent­wi­ckeln, die für diver­se Belas­tun­gen ange­passt werden.

Beton wer­de übli­cher­wei­se bei der Pla­nung von Bau­pro­jek­ten mit einem Sicher­heits­wert von 50 mas­siv über­di­men­sio­niert. Bei Stahl oder auch Holz arbei­tet man laut der For­sche­rin dage­gen mit Sicher­heits­wer­ten von 10 bis 20 Pro­zent. Hier könn­te künf­tig die addi­ti­ve Fer­ti­gung wie z.B. der 3D-Druck dabei hel­fen, das Mate­ri­al effi­zi­en­ter und in gerin­ge­ren Men­gen – durch nied­ri­ge­re Sicher­heits­wer­te – ein­zu­set­zen. „Damit kön­nen die Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se von Beton­ele­men­ten prä­zi­se gesteu­ert wer­den. Das Mate­ri­al wird schließ­lich opti­mal auf die äuße­ren Ein­wir­kun­gen und Las­ten (z.B. Gra­di­en­ten­be­ton) ange­passt ein­ge­baut“, erläu­tert die Wis­sen­schaf­te­rin. Das sei mit den der­zei­ti­gen Ver­fah­ren (Vor­fer­ti­gung, Ort­be­ton) nicht möglich.

Auf der Suche nach Kalkersatz

Ein wei­te­rer Weg der nach­hal­tig opti­mier­ten Beton­her­stel­lung füh­re über die Mate­ri­al­wis­sen­schaf­ten, wor­in Mer­ta selbst mit ihrem Team tätig ist. Dabei gehe es u.a. dar­um, alter­na­ti­ve Bin­de­mit­tel zu ent­wi­ckeln, um den klas­si­schen auf Kalk­stein basie­ren­den Port­land­ze­ment zu redu­zie­ren bzw. teil­wei­se zu sub­sti­tu­ie­ren. Die neu­en Pro­duk­te müs­sen idea­ler­wei­se Eigen­schaf­ten wie der klas­si­sche Zement auf­wei­sen. Im Fokus der For­schung ste­hen vor allem alka­li­ak­ti­vier­te Bin­de­mit­tel (oder Geo­po­ly­me­re), die aus Neben­pro­duk­ten ande­rer Indus­trien (Hüt­ten­sand, Flug­asche, Schla­cke etc.) durch che­mi­sche Akti­vie­rung her­ge­stellt wer­den können.

 

Alka­li­ak­ti­vier­te Bin­de­mit­tel wer­den laut Mer­ta bereits seit Jah­ren gut beforscht, allei­ne die welt­wei­te Ver­füg­bar­keit reicht nicht, um wirk­lich breit öko­lo­gisch wie öko­no­misch Wir­kung zu ent­fal­ten. „Das, was zum Bei­spiel hier­zu­lan­de an Hüt­ten­sand und Flug­asche anfällt, wird bereits von der Zement­in­dus­trie auf­ge­nom­men. Da pas­siert schon eini­ges, es ist kaum noch mehr her­aus­zu­ho­len. Das Poten­zi­al ist aus­ge­schöpft und die Men­ge, die man an Port­land­ze­ment damit erset­zen kann, fällt nicht wirk­lich ins Gewicht; opti­mis­tisch geschätzt maxi­mal 10 Pro­zent welt­weit “, so Merta.

Neu­en Ton einbringen

Es heißt somit, Alter­na­ti­ven zu suchen und umzu­set­zen. In den ver­gan­ge­nen zehn Jah­ren wur­den der Exper­tin zufol­ge die For­schun­gen an neu­en und/oder grü­nen Zemen­ten inten­si­viert. Es konn­ten bereits gute Ergeb­nis­se erzielt wer­den und es gebe ers­te Anwendungen.

So soll etwa Zement­klin­ker, der gebrann­te Bestand­teil des Zements, der für die Aus­här­tung unter Bei­men­gung von Was­ser zustän­dig ist, teil­wei­se durch getem­per­te (kal­zi­nier­te) Tone ersetzt und damit die CO2-Bilanz des Betons ver­bes­sert wer­den. Da die Ver­bren­nungs­tem­pe­ra­tur von getem­per­tem Ton rund bei der Hälf­te von Kalk­stein lie­ge, wer­de ins­ge­samt 30 bis 40 Pro­zent weni­ger CO2 ausgestoßen.

Ein wei­te­res Asset sei, dass es welt­weit eine hohe Ver­füg­bar­keit gebe, beson­ders dort, wo der höchs­te Beton- und Zement­ver­brauch anfal­le. Laut Mer­ta könn­ten durch kal­zi­nier­te Tone zwi­schen 40 und 60 Pro­zent des Port­land­ze­ments ersetzt wer­den. Die Idee wur­de an der EPFL in Lau­sanne unter der Lei­tung von Karen Scri­ve­ner 2004 initi­iert und im Rah­men des Pro­jek­tes LC3 ana­ly­siert. Nach der Labor­pha­se sei­en der­zeit die ers­ten Pilot­an­la­gen im Ein­satz. Ein Hoch­ska­lie­ren ste­he an.

Beton upcy­celn

Unter der Lei­tung von eco­p­lus Bau.Energie.Umwelt Clus­ter Nie­der­ös­ter­reich arbei­tet Mer­ta mit ihrem Team der­zeit auf Initia­ti­ve der Beton­in­dus­trie an einem For­schungs­pro­jekt, wo es dar­um geht, dass noch mehr rezy­klier­ter Beton dem Upcy­cling zuge­führt wird, sprich hoch­wer­tig zum Ein­satz kommt. Beton soll in der Abbruch­hier­ar­chie nicht mehr abge­wer­tet wer­den, son­dern wie­der gleich­wer­tig ver­ar­bei­tet wer­den. Mer­tas Team soll in dem vier­jäh­ri­gen Pro­jekt UPcre­te – Per­for­mance von Recy­cling­be­to­nen im Upcy­cling (https://​ildi​ko​mer​ta​.com/) unter­su­chen, wel­che Mög­lich­kei­ten, Her­aus­for­de­run­gen und Hür­den es gibt. Dabei wer­den die wich­tigs­ten Ein­fluss­pa­ra­me­ter unter­sucht und opti­mier­te Recy­cling-Beton­mi­schun­gen ent­wi­ckelt. Es geht vor­der­hand dar­um, eine neue Norm zu schaf­fen, die es mög­lich macht, mehr wie­der­ge­won­ne­nen Beton­ab­fall neu­en Pro­duk­ten beizumischen.

Neue Pro­duk­te drän­gen auf den Markt

„In den ver­gan­ge­nen zwei Jah­ren hat sich sehr viel in Öster­reichs Beton- und Zement­bran­che getan“, freut sich auch Joa­chim Juhart, Lei­ter der Arbeits­grup­pe mine­ra­li­sche Bau­stof­fe am Insti­tut für Mate­ri­al­prü­fung und Bau­stoff­tech­no­lo­gie mit ange­schlos­se­ner TVFA für Fes­tig­keits- und Mate­ri­al­prü­fung der TU Graz, im Gespräch mit APA-Sci­ence. Der Stand der Din­ge sei näm­lich, dass die euro­päi­sche Zement­in­dus­trie eine Dekar­bo­ni­sie­rungs-Road­map auf­ge­legt hat – also Pfa­de zur CO2-Reduk­ti­on in der Zement- und Beton­her­stel­lung – und die hei­mi­sche Zement­in­dus­trie folgt die­sen Wegen der Roadmap.

In Deutsch­land sei­en bereits im Vor­jahr der­ar­ti­ge Pro­duk­te an den Start gegan­gen, erläu­tert Juhart. Dahin­ter lie­ge eine euro­päi­sche Norm, die noch nicht umge­setzt sei, eini­ge Anbie­ter sei­en da aber bereits vor­ge­prescht. In Öster­reich wer­de ver­mut­lich in abseh­ba­rer Zeit eine gleich­zei­ti­ge und flä­chen­de­cken­de Ein­füh­rung aller Anbie­ter erfolgen.

Feh­len­de Nor­men und Regeln

Juhart fehlt es aber noch an Nor­men, einem Regel­werk und vor allem einer Ver­ga­be­pra­xis, bei denen CO2-Wer­te gene­rell berück­sich­tigt wer­den. Schon bei der Pla­nung und im nächs­ten Schritt bei der Ver­ga­be der Auf­trä­ge müss­te neben dem Preis auch die Qua­li­tät hin­sicht­lich der CO2-Emis­sio­nen in die Ent­schei­dung mit­ein­be­zo­gen wer­den. Das gel­te für alle Bau­stof­fe, nicht nur für Beton. Dabei geht es laut dem Wis­sen­schaf­ter um „embo­di­ed car­bon“, das CO2, das im Mate­ri­al steckt und bei der Pro­duk­ti­on anfällt und dann als „Ruck­sack“ mit­ge­führt wird.

Ein Hin­der­nis ortet er dar­in, dass es noch kei­ne ein­heit­li­che gemein­sa­me Daten­ba­sis dafür gibt. Daher kom­me es bei etwai­gen Dekla­ra­tio­nen von Fall zu Fall sehr unter­schied­li­chen, nicht ver­gleich­ba­ren Anga­ben. „Es sind zwar mitt­ler­wei­le Nor­men geschaf­fen wor­den, noch exis­tie­re aber kei­ne ein­heit­li­che Platt­form in Öster­reich, wo z.B. poten­zi­el­le Auf­trag­ge­ber sich infor­mie­ren kön­nen, mit wel­chem ‚CO2-Ruck­sack‘ ist wel­ches Mate­ri­al eigent­lich unter­wegs“, erläu­tert Juhart. Er ortet Nach­hol­be­darf, auch die Poli­tik sei dies­be­züg­lich gefordert.

Wer­den neue Pro­duk­te nur nach dem erst­ma­li­gen Preis bei der Pro­duk­ti­on bewer­tet ohne ein ‚Bonus­sys­tem‘, dann sei es schwer, sie auf den Markt zu bekom­men. Anfäng­lich soll­te es da Anschub­maß­nah­men geben. Vor allem brau­che es ein Bewusst­sein bei den Pla­nern und den öffent­li­chen Bau­her­ren, dass unter­schied­li­che Bau­ma­te­ria­li­en unter­schied­li­che CO2-Las­ten auf­wei­sen können.

„Beton ist nicht Beton. Nicht nur bei den Eigen­schaf­ten, auch bei der Car­bon-Last erge­ben sich durch unter­schied­li­che Bei­mi­schun­gen gro­ße Unterschiede.“ Joa­chim Juhart von der TU Graz

Feh­len­de Klasse

„Beton ist nicht Beton, nicht nur bei den Eigen­schaf­ten, auch bei der Car­bon-Last erge­ben sich durch unter­schied­li­che Bei­mi­schun­gen gro­ße Unter­schie­de“, so Juhart. Der Para­me­ter Treib­haus­po­ten­zi­al wer­de noch kaum in der Pla­nung berücksichtigt.

Das gel­te auch für die Klas­si­fi­zie­rung von Beton. „Es gibt Klas­sen für die Fes­tig­keit, die Dau­er­haf­tig­keit, sogar die Ver­ar­beit­bar­keit für ver­schie­de­ne Anwen­dun­gen, aber es gibt kei­ne Klas­se für das Treib­haus­po­ten­zi­al“, schil­dert Juhart.  Wür­de man der­ar­ti­ges schaf­fen, könn­te man Pla­ner wie Bau­her­ren aber auch Auf­trag­ge­ber unter­stüt­zen, da es als Güte­kri­te­ri­um wahr­ge­nom­men wür­de – schwarz auf weiß. Das soll­te dann über sämt­li­che Bau­ma­te­ria­li­en – nicht nur Beton – hin­weg ver­gleich­bar sein, wie­der­holt der Materialwissenschafter.

Das For­schungs­feld

„Wir haben in den ver­gan­ge­nen Jah­ren Ansät­ze bei der Beton­her­stel­lung, nicht beim Zement, ver­folgt“, umreißt Juhart sein For­schungs­feld. Dabei sei es um die Opti­mie­rung von Beton­pro­duk­ten in Zusam­men­ar­beit mit Betrie­ben aus der Indus­trie gegan­gen. „Wir konn­ten Beton­re­zep­tu­ren ent­wi­ckeln, die deut­lich CO2-ärmer sind als alles, was der­zeit aus­ge­lie­fert wird“, schil­dert Juhart.

 

„Pro­to­ty­pisch haben wir dabei bereits gezeigt, dass im Beton bis zu 25 Pro­zent weni­ger CO2 ste­cken könn­te“, ergänzt er. Aus ver­schie­de­nen Grün­den kom­me es aber noch zu kei­nem flä­chen­de­cken­den Ein­satz. Haupt­säch­lich daher, dass es, wie bereits erwähnt, bei Aus­schrei­bun­gen kein Kri­te­ri­um sei. Vie­len Bau­her­ren sei es auch zu ris­kant, neue Bau­stof­fe, oder neu adap­tier­te Bau­stof­fe ein­zu­set­zen, wo es noch an Lang­zeit­er­fah­run­gen feh­le. „Das scheint sich jetzt aber zu ändern . In die Bran­che ist Bewe­gung gekom­men“, ist Juhart für die Zukunft zuversichtlich.

 

„Bau­her­ren sind natür­lich dar­an inter­es­siert, dass die Dau­er­haf­tig­keit des Bau­ma­te­ri­als gewähr­leis­tet ist. Sie möch­ten, dass Bau­wer­ke im Hoch­bau min­des­tens 50, im Infra­struk­tur­bau min­des­tens 100 Jah­re hal­ten. Auch auf die­sem Feld sind wir aktiv“, erklärt der Beton­tech­no­lo­ge. Dabei soll mit­tels beschleu­nig­ten Dau­er­haf­tig­keits­prü­fun­gen gezeigt wer­den, dass Beton­mi­schun­gen mit alter­na­ti­ven Roh­stof­fen die Ansprü­che des Mark­tes und der Zuver­läs­sig­keit sowie Bestän­dig­keit nach Nor­men erfül­len. „Das ist auf­wen­dig, es bedarf an Inves­ti­tio­nen, die Prüf­kos­ten müs­sen über­nom­men wer­den. Das sind Auf­wän­de, die von der Wirt­schaft oft nicht ohne wei­te­res gemacht wer­den“, erläu­tert der Exper­te, war­um es oft viel Zeit braucht, bis neue Pro­duk­te in der Pra­xis ankom­men. „Tech­nisch ist viel mehr mög­lich, als prak­tisch gemacht wird“, fasst er zusammen.

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