Wie sähe der perfekte Beton aus? Das fragen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IBP. Ihre neuesten Lösungen zeigen sie nächste Woche auf der Messe BAU in München. Dort präsentieren sie unter anderem klimafreundlichere Betonmischungen mit Pyrokohle-Zusatz und CO2-arme Zementklinker auf Basis spezieller Tonrohstoffe. Außerdem haben die Forschenden spannende Erkenntnisse über den antiken römischen Beton zutage gefördert.
Ein perfekter Beton müsste aus heutiger Sicht nicht nur vielseitig einsetzbar und widerstandsfähig, sondern auch möglichst nachhaltig sein. Er sollte am besten aus lokalen Ressourcen bestehen, recycelbar sein und darüber hinaus auch CO2-arm produziert werden. Dieses Ziel vor Augen, arbeiten die Fachleute vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (Fraunhofer IBP) seit Jahren an vielseitigen Lösungen. Einige davon präsentieren sie vom 13. bis 17. Januar auf der BAU 2025.
Pyrokohle als CO2-speichernder Sandersatz
Ein zentraler Hebel der Expertinnen und Experten: Sie ersetzen verschiedene Bestandteile des Betons durch so genannte Pyrokohle. Diese lässt sich herstellen, wenn man Pflanzenreste oder andere organische Stoffe (zum Beispiel Methan) in sauerstoffarmer Atmosphäre erhitzt. Dabei wird bis zu 40 % des in den Pflanzen enthaltenen Kohlenstoffes als Feststoff gespeichert. Das ist die angesprochene Pyrokohle. Nutzt man diese als Betonbestandteil, so wird das in der Kohle gebundene Kohlendioxid fortan im Beton gebunden. Auf diese Weise lässt sich nach Angaben der Fraunhofer-Forschenden sogar mehr CO2 im Beton binden, als zu dessen Herstellung insgesamt ausgestoßen wird.
Aber erfüllt die feste Pyrokohle im Beton denn irgendeine weitere Funktion im Baustoff, abgesehen von der Tatsache, dass sie CO2 langfristig speichert? Antwort: ja. Den Forschenden ist es nämlich gelungen, aus Pyrokohle ein Granulat zu entwickeln, das sich dafür eignet, Sand im Beton zu ersetzen. Diese Substitution ist möglich, weil das Granulat nur Korngrößen mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm aufweist und damit die diesbezügliche Anforderung an Sand erfüllt. Mit dem Pyrokohle-Granulat statt Sand ist der Beton nicht nur insgesamt klimafreundlicher, sondern er wird auch deutlich leichter. Das hilft Transportkosten und -energie einzusparen und kann natürlich auch die Anwendungsmöglichkeiten von Betonbauteilen erweitern.
„Wenn wir einen Teil Pyrokohle einsetzen, können wir circa drei Teile CO2 des Gesamtprodukts reduzieren“, erläutert Dr. Volker Thome, Abteilungsleiter Mineralische Werkstoffe und Baustoffrecycling am Fraunhofer IBP. „Damit sind wir sehr nah am klimaneutralen Beton und stehen der herkömmlichen Variante qualitativ in nichts nach.“
Um die CO2-Bilanz des Betons weiter zu verbessern und natürliche Ressourcen zu schonen, verwenden die Fachleute zudem so genannten biogenen Kalk , für dessen Herstellung Kohlendioxid der Atmosphäre entzogen und im Kalk als Feststoff gebunden wird. Hintergrund: Kalk ist ein wesentlicher Bestandteil des Zements im Beton.
Pyrokohle heißt übrigens so, weil sie durch Biomasse-Pyrolyse entsteht. Darunter versteht man die thermochemische Zersetzung organischer Stoffe unter Sauerstoffabschluss bei Temperaturen zwischen 350 und 900 °C. Über die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten derart aufbereiteter Pflanzenkohle – auch in der Baustoffbranche – haben wir vor ein paar Jahren schon mal in den BaustoffWissen-Beiträgen „ Baustoffe aus Biokohle? “ und „ Dämmstoff aus Pflanzenkohle “ berichtet.
Den richtigen Ton treffen
Ein weiteres Thema, das die Fraunhofer-Forschenden auf der BAU 2025 vorstellen wollen, betrifft die Senkung von CO2-Emissionen bei der Betonherstellung durch einen reduzierten Klinkergehalt im Zement. Im Projekt „LOCALAY“ untersucht eine Forschergruppe des Fraunhofer IBP zementklinkerreduzierte Rezepturen auf Basis verschiedener Tone , um sie in Massenbaustoffen einzusetzen.
Als Zementklinker bezeichnet man die steinartigen Kügelchen, die bei der Herstellung von klassischem Portlandzement entstehen, indem man Ton und Kalk zusammen bis zur Sinterung erhitzt, also fast bis zum Schmelzpunkt. Gemahlen ergeben diese Klinker den bekannten pulverförmigen Zement. Angesichts der schlechten CO2-Bilanz bei der Klinkerherstellung greift die Industrie schon seit vielen Jahren auf Ersatzstoffe wie industrielle Aschen und Schlacken zurück. Doch auch diese Stoffe werden in einer sich dekarbonisierenden Industrie künftig immer weniger verfügbar sein.
Im Projekt LOCALAY geht es nun unter anderem darum, einen CO2-armen Klinkerersatz auf Basis spezieller, in entsprechenden Mengen lokal verfügbarer Tone zu entwickeln. Nach Angaben der Forschenden gibt es in Deutschland verschiedene Tonarten, die – thermisch oder mechanochemisch aktiviert – dem Zement als Zumahlstoff beigemischt werden könnten. Die Fachleute haben bereits passende Ton-Lagerstätten identifiziert und analysiert.
Römischer Beton für die Moderne
Auf der Suche nach dem Beton der Zukunft lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit. Laut Fraunhofer IBP erfüllte nämlich der in der Antike verbaute „römische Beton“ schon alle Kriterien, die man heute an nachhaltige Betonbaustoffe stellt. Das antike Material, das wir bereits im BaustoffWissen-Beitrag „ Die Geschichte des Baustoffes Beton “ thematisiert haben, war zementfrei, bestand aus lokal verfügbaren Ressourcen wie Vulkanaschen und war nicht nur dauerhaft, sondern auch gegenüber vielen äußeren Einwirkungen resilient.
Bedauerlicherweise ging die genaue Rezeptur des römischen Betons verloren. Doch Mitarbeiter des Fraunhofer IBP arbeiten an der Rekonstruktion. Im Projekt „RICIMER“ (Roman Inspired Cement Innovation by Multi-Analytical Enhanced Research) erforschen sie gemeinsam mit Forschenden des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung die uralte Rezeptur. Ihr Ziel ist es, die Originalformulierungen samt Additiven zu detektieren und auf moderne Baustoffe zu übertragen.
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Volker Thome ist überzeugt: „Wir stehen kurz davor, das Rätsel der antiken zement-freien Formulierungen final zu lösen. Nun gilt es, auf Basis unserer Ergebnisse neue Rezepturen zu erstellen, nach römisch-nachhaltigem Vorbild, aber mit Müllverbrennungs- und Industrieaschen anstelle der in der Antike verwendeten Vulkanaschen.“ Ein spannendes Thema, über das die Fachleute auch auf der Münchner BAU informieren werden.
