Beton war bisher nicht als klimafreundlicher Baustoff bekannt. Zurecht, denn die Zementherstellung ist weltweit für sechs bis acht Prozent der menschengemachten CO₂-Emissionen verantwortlich. Gleichzeitig ist Beton in der Lage, die klimaschädlichen Gase später wieder zu binden, zumindest teilweise. Die CO₂-Aufnahme erfolgt durch den Prozess der Karbonatisierung: Das CO₂ aus der Luft reagiert mit dem im Beton vorhandenen Calciumhydroxid und bildet Calciumcarbonat (Kalkstein). Bei Stahlbeton (eine Mischung aus Beton und Bewehrungsstahl) ist dieser Vorgang ausgesprochen unerwünscht, da er den pH-Wert von Beton verändert und dadurch die Korrosion verstärkender Metallteile fördert. Doch grundsätzlich schwächt die Karbonatisierung den im Beton enthaltenden Zement nicht. Je nach Zusammensetzung des Betons kann der chemische Prozess sogar dazu führen, dass das Material fester wird. Zusätzlich wird CO₂ gebunden.
Der Prozess der Karbonatisierung verläuft jedoch langsam, über viele Jahrzehnte. Noch dazu hängt er von vielen Faktoren ab. Doch in der Forschung wird schon lange überlegt, ob und wie sich der chemische Prozess nutzen lässt, um die Klimabilanz von bestimmten Beton-Arten zu verbessern. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben nun eine Lösung entwickelt, die bereits im Betonwerk beginnt: Hier wird Recyclingbeton mit dem Treibhausgas versetzt, um die Aufnahme zu beschleunigen.
Analysen zeigen CO₂-Aufnahme im Detail
Um herauszufinden, wie gut und effizient das Recycling-Granulat unter welchen Bedingungen das CO₂ aufnimmt, haben die Empa-Forschenden zunächst aufwändige Analysen in einer eigens installierten Anlage mit Recyclingmaterial aus rückgebauten Betonkonstruktionen durchgeführt. Dabei wurde das Recycling-Granulat in einer kontrollierten Umgebung mit reinem CO₂-Gas geflutet. Das ermöglichte den Forschenden die dabei ablaufenden Prozesse im Detail zu erforschen und die Aufnahme von CO₂ zu messen. Zudem untersuchte das Team das sogenannte „Recyclingwasser“ – ein Gemisch aus Wasser, Sand und Zement, das zum Beispiel bei der Reinigung von Betonfahrzeugen und Mischanlagen anfällt. Auch hier stellten sich die Forschenden die Frage, wie weit sich das Recyclingwasser nutzen lässt, um Kohlendioxid zu binden.
Ergebnisse bestätigen: Verfahren macht Beton klimafreundlicher
Für aussagekräftige Ergebnisse haben Andreas Leemann und Frank Winnefeld von der Empa-Abteilung „Concrete & Asphalt“ weitere Tests mit dem Recycling-Granulat vorgenommen. Die Ergebnisse waren überraschend. Unter dem Mikroskop konnten die Experten deutliche Veränderungen der Proben feststellen. Die Oberfläche zeigte helle und dunkle Flecken, die erkennen ließen, dass sich der ursprüngliche Zementstein verändert hatte. Bei den hellen Stellen handelte es sich um Calciumcarbonat, bei den dunklen Stellen um Calcium-Silicat-Hydrat (C-S-H) – das Hauptprodukt der Zementhydration, das Beton seine Festigkeit verleiht. Durch die erfolgte Karbonatisierung wurde dem Calcium-Silicat-Hydrat ein Teil des Calciums entzogen. Das Ergebnis: Das C-S-H ist kalkärmer und kann mit neu gebildeten Zementverbindungen in Recyclingbetonen reagieren. Noch dazu erhöht diese Reaktion die Druckfestigkeit. „Eine reaktive Phase also, die neu im Granulat entsteht und im Recyclingbeton eine höhere Festigkeit erzeugt“, sagt Leemann, „das hat uns schon überrascht.“
Darüber hinaus haben die Untersuchungen ergeben, dass die Feuchtigkeit einen erheblichen Einfluss auf die CO₂-Aufnahme ausübt. Trockenes Granulat kann demnach deutlich schneller CO₂ aufnehmen als feuchtes Granulat. Da Recycling-Granulat jedoch in der Regel draußen gelagert wird, stellt sich im Hinblick auf die Untersuchung die Frage, ob die Lagerung in Zukunft nicht ebenfalls angepasst werden sollte.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass das Verfahren Beton in zweifacher Hinsicht klimafreundlicher machen kann: Zum einen kann Recyclingbeton durch die Aufnahme von CO₂ die Atmosphäre entlasten. Zum anderen kann durch das CO₂ eine höhere Festigkeit des Materials erreicht werden, die es ermöglicht, den Zementgehalt im Recyclingbetonen zu verringern. Damit liegt das Potenzial der CO₂-Einsparung bei etwa 15 Prozent. Darüber hinaus ergaben die Untersuchungen, dass auch das Recyclingwasser in der Lage ist CO₂ zu binden.
Beton birgt viel Potenzial für die Bindung von CO₂
Ansätze zur CO₂-Speicherung im Beton sind vielversprechend und können dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der Betonherstellung zu verringern. Es gilt jedoch zu beachten, dass diese Technologien und Ansätze weiterhin erforscht und entwickelt werden müssen.
Ob sich das Verfahren, bei dem das Recycling-Granulat schon im Werk reinem CO₂-Gas ausgesetzt wird, in Zukunft implementieren lässt, hängt wohl vor allem von technischen und finanziellen Faktoren ab. Und davon, wie sich die Karbonatisierung von Recycling-Granulat auf lange Sicht in den verschiedenen Betonen auswirkt. Erste Lebenszyklus-Analysen haben jedoch ergeben, dass das karbonatisierte Material, im Vergleich zu Beton mit herkömmlichem Zement und ohne Recyclingmaterial, den Treibhausgas-Effekt netto um rund 13 Prozent reduzieren kann.
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