Als Alternative zu Stahlbeton entwickelt ein Forschungsteam im EU-Projekt „CARBCOMN“ einen Beton ohne klassischen Zement sowie weitgehend ohne Metallbewehrungen, der sich gut per 3D-Drucker verarbeiten lässt. Dabei setzen die Forschenden auf intelligente Formen, die filigrane und dennoch stabile Betonwände ermöglichen. Diese lassen sich später auch demontieren und wiederverwenden.
Ziel ist eine klimafreundliche und kreislauffähige Betonbauweise mit möglichst wenig Masse und alternativen Bindemitteln , bei der der verwendete Baustoff ausschließlich aus rezyklierten Materialien besteht und Stahlbewehrungen äußerst sparsam nur dort eingesetzt werden, wo sie auch wirklich notwendig sind. Dank digitaler Fertigung und 3D-Betondruck sollen maßgefertigte leichte Strukturen entstehen, die dennoch stabil sind. Bis 2028 wollen die Forschenden einen Prototyp entwickeln: ein 3D-gedrucktes Gebäudemodul, das die Machbarkeit des neuen Ansatzes zeigt.
CARBCOMN-Projekt
Das 2024 gestartete, vierjährige Projekt CARBCOMN („Carbon-negative Compression Dominant Structures for Decarbonized and De-constructable Concrete Buildings“) wird im Rahmen des EU-Förderprogramms „Horizon Europe“ mit insgesamt rund 6 Mio. Euro finanziell unterstützt. Beteiligt sind elf Forschungseinrichtungen und Architekturbüros aus ganz Europa.
Im Einzelnen handelt es sich dabei um die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und ihr Spin-off-Unternehmen re-fer (eisenbasierte Formgedächtnislegierungen), die ETH Zürich, die TU Darmstadt, die Universitäten Gent (Belgien) und Patras (Griechenland) sowie die Architekturbüros „Zaha Hadid Architects“ und „Mario Cucinella Architects“. Weitere Forschungspartner sind die Firmen Tesis (Simulationswerkzeuge für statische Berechnungen), Orbix (Stahlschlacken-Recycling) und Incremental 3D (3D-Betondruck).
„Zum einen nutzen wir digitale Fertigungsmethoden, um ressourcenschonend zu bauen, zum anderen ersetzen wir herkömmlichen Zement durch Bindemittel mit geringerem CO₂-Fußabdruck“, erzählt Empa-Forscher Moslem Shahverdi. Statt Zement kommt beispielsweise Stahlschlacke zum Einsatz – ein Nebenprodukt der Stahlindustrie.
Stabilität durch Form
Der Beton des CARBCOMN-Projekts besteht ausschließlich aus solchen und anderen Industrieabfällen. Auch deshalb handelt es sich um einen Baustoff mit reduziertem CO2-Fußabdruck. Die Forschenden formen ihn per 3D-Druck zu Bauteilen, die sie dann später zu tragenden Strukturen zusammensetzen.
Statt auf konventionelle Stahlbewehrung setzt das Konsortium auf „compression dominant structures“ (druckdominante Strukturen). „Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung“, erläutert Shahverdi. „Deshalb entwickeln wir Strukturen, die vor allem auf Druck beansprucht werden – ähnlich wie historische Steinbrücken mit ihren Bögen.“
Solche geometrisch optimierten Formen werden von den Forschenden zunächst digital geplant, bevor sie in der Realität entstehen. Die präzise Vorab-Simulation erlaubt nicht zuletzt einen deutlich reduzierten Materialeinsatz. Hohlräume werden gezielt dort freigelassen, wo keine Verstärkung nötig ist. Moslem Shahverdi: „Wir planen diese Öffnungen direkt im digitalen Modell, sodass der Roboter sie beim Drucken automatisch freilässt“.
Da der Druck der Betonelemente schichtweise erfolgt, lsst sich teure Schalungen einsparen. Und weil sie vergleichsweise filigran und ohne durchgehende Stahlbewehrung entstehen, verbrauchen sie wenig Material und sind relativ leicht. Nach Angaben der Empa reduzieren leichtere (und dennoch stabile) Elemente nicht nur den Materialverbrauch, sondern können in erdbebengefährdeten Regionen auch die seismischen Belastungen senken. „Selbst 10 % weniger Gewicht bedeuten viel“, sagt Shahverdi.
Bewehrung mit Formgedächtnislegierung
Ganz ohne Metallbewehrungen kommt das Konzept dennoch nicht aus. Sie werden jedoch nur dort eingesetzt, wo sie wirklich nötig sind. Hier bringt die Empa eine ihrer Spezialitäten ins Projekt ein: Eisenstäbe mit Formgedächtnislegierung (Fe-SMA). Diese vorgedehnten Metalle ziehen sich beim Erhitzen zusammen – anstatt sich auszudehnen – und versetzen so Bauteile nachträglich unter Spannung. Die Vorspannung erfolgt durch Hitzezufuhr – etwa durch elektrischen Strom, mittels Gasbrenner oder Infrarotstrahler. Durch das Zusammenziehen des Metalls wird die Betonstruktur dauerhaft vorgespannt.
„Wir arbeiten seit rund 20 Jahren mit solchen speziellen Legierungen“, berichtet Moslem Shahverdi. Aus dieser Arbeit heraus entstand das Empa-Spin-off re-fer. Anders als klassischer Spannstahl lassen sich die Eisenstäbe mit der Formgedächtnislegierung unkompliziert erst nach dem 3D-Druck in den Beton einfügen – und zwar nur dort, wo sie tatsächlich nötig sind. Langfristig soll auch dieser Arbeitsschritt automatisiert werden. „In Zukunft könnte ein zweiter Roboter die Fe-SMA-Bewehrungsstäbe direkt nach dem Druck einsetzen“, erläutert Shahverdi.
Durch das nachträgliche Einfügen der Bewehrung bleibt der eigentliche Druckprozess automatisiert und ungestört. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Bewehrungsstäbe später wieder vom Beton trennen lassen. Das ist entscheidend für eine spätere Wiederverwendung des Materials.
CO₂ als Härtemittel
Die Forschenden des CARBCOMN-Projekts arbeiten also an einem kompletten Verfahren zur Herstellung von Betonwänden aus dem 3D-Drucker, das besonders nachhaltig sein soll – unter anderem durch filigrane Formen mit vergleichsweise wenig Beton und noch weniger Bewehrungsmetall sowie durch den Verzicht auf klassischen Zement und die ausschließliche Verwendung recycelter Rohstoffe. Und es kommt noch etwas anderes hinzu: Der Beton soll nämlich auch noch größere Mengen CO₂ speichern.
Nach dem 3D-Druck werden die Betonbauteile nämlich in eine Kammer gebracht, in der CO₂ in das Material injiziert wird. Dieses reagiert chemisch mit der stahlschlackenbasierten Betonmischung. „Dieses Verfahren härtet den Beton und bindet gleichzeitig CO₂“, erklärt Shahverdi. Dadurch soll die Festigkeit der Wände weiter steigen. Sollte dies nicht ausreichen, könnte auch ein kleiner Anteil Zement ergänzt werden. Für normale Anwendungen im Tiefbau hält der Empa-Forscher dies aber nicht für notwendig.
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