Nachhaltiger Beton aus dem 3-D-Drucker
Mit 3-D-gedrucktem, CO₂-reduziertem Beton und digital optimierten Formen entwickeln Forschende der Empa eine nachhaltige Betonbauweise der nächsten Generation. Das Ziel: weniger Material, kaum Stahl, alternative Bindemittel und wiederverwendbare Betonbauteile für klimafreundliches Bauen.
3D-gedruckte Betonbauteile mit optimierter Geometrie: Die von der Empa mitentwickelte Bauweise spart Material, bindet CO₂ und ermöglicht eine nachhaltige, wiederverwendbare Betonarchitektur.
Foto: Empa
Die Bauindustrie zählt weltweit zu den größten Verursachern von CO2-Emissionen. Vor allem die Herstellung von Zement und der hohe Materialeinsatz treiben den ökologischen Fußabdruck in die Höhe. Ein europäisches Forschungsteam mit Beteiligung der Empa arbeitet deshalb an einer nachhaltigen Betonbauweise, also an einem nachhaltigem CO2 armem Beton, die weniger Material benötigt, den Zementeinsatz drastisch reduziert und auf digitale Fertigung sowie 3-D-Druck im Bauwesen setzt. Ziel ist ein klimafreundlicher, kreislauffähiger Baustoff, ein nachhaltiger Beton, der stabil, ressourcenschonend und wiederverwendbar ist.
Beton neu gedacht: Digitaler und ressourcenschonender Betonbau
Gemeinsam mit der ETH Zürich und weiteren europäischen Partnern will die Empa das Bauen mit Beton grundlegend verändern. Statt immer mehr Beton und Stahl einzusetzen, stehen intelligente Geometrien, digitale Planung und alternative Bindemittel mit geringerem CO2-Fußabdruck im Fokus. Entwickelt werden Bauteile, die genau auf ihre Belastung ausgelegt sind und dadurch mit deutlich weniger Material auskommen.
Im EU-Forschungsprojekt CARBCOMN wird herkömmlicher Zement weitgehend ersetzt. Stattdessen kommen Industrieabfälle wie Stahlschlacke zum Einsatz – ein Nebenprodukt der Stahlherstellung. Der daraus entstehende Beton besteht ausschließlich aus rezyklierten Materialien und ist ein Beispiel für CO2-armen, nachhaltigen Beton mit deutlich reduziertem Fußabdruck. Gleichzeitig werden die Bauteile so konzipiert, dass sie nach der Nutzung einfach demontiert und erneut verwendet werden können – ein zentraler Ansatz für nachhaltigen Beton in der Kreislaufwirtschaft.
Stabilität durch Geometrie: Weniger Material, mehr Effizienz
Ein zentrales Prinzip der neuen Betonbauweise sind sogenannte „compression dominant structures“. Beton besitzt eine hohe Druckfestigkeit, ist jedoch anfällig für Zugkräfte. Anstatt dieses Defizit mit viel Stahl auszugleichen, entwickeln die Forschenden Tragwerke, die hauptsächlich auf Druck belastet werden – ähnlich historischen Steinbrücken oder Gewölben. „Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung“, erklärt Empa-Forscher Prof. Dr. Moslem Shahverdi.
Möglich wird dieser Ansatz durch digitale Entwurfs- und Simulationswerkzeuge, mit denen sich geometrisch optimierte Formen präzise planen lassen. Der Beton wird anschließend schichtweise im 3-D-Druckverfahren hergestellt. Aufwendige Schalungen entfallen, und Hohlräume können gezielt dort eingeplant werden, wo sie statisch unkritisch sind. Das reduziert den Materialverbrauch erheblich und senkt gleichzeitig das Bauteilgewicht.
Leichtere Konstruktionen bringen einen weiteren Vorteil: Die seismische Belastung nimmt proportional zum Gewicht ab. Gerade in erdbebengefährdeten Regionen kann dies entscheidend sein, da selbst kleine Gewichtseinsparungen die Sicherheit deutlich erhöhen.
Gezielter Einsatz von Stahl im nachhaltigen Betonbau
Ganz ohne Bewehrung kommt auch dieser innovative Ansatz nicht aus. Allerdings wird Stahl nur noch punktuell und gezielt eingesetzt. Die Empa bringt hierfür ihre langjährige Erfahrung mit eisenbasierten Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA) ein. Diese speziellen Metalle ziehen sich beim Erhitzen zusammen und versetzen Bauteile nachträglich unter Spannung.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass die Bewehrung erst nach dem 3-D-Druck eingebracht wird. Der Druckprozess bleibt vollständig automatisiert, und die Stahlstäbe können exakt dort platziert werden, wo sie statisch erforderlich sind. Zudem lassen sie sich später wieder vom Beton trennen – eine zentrale Voraussetzung für Demontage und Wiederverwendung im Sinne der Kreislaufwirtschaft.
CO2-Speicherung im Beton: Neue Verfahren der Materialhärtung
Nach dem Druck werden die Betonbauteile in eine spezielle Kammer gebracht, in der CO2 injiziert wird. Das Gas reagiert chemisch mit der stahlschlackenbasierten Betonmischung, härtet das Material aus und bindet gleichzeitig Kohlendioxid dauerhaft. Dieses Verfahren verbindet Materialhärtung und CO2-Speicherung und verbessert so zusätzlich die Klimabilanz des CO2-armen Betons zusätzlich. Ziel ist es, die Festigkeit weiter zu optimieren, um den Zementeinsatz vollständig zu vermeiden oder auf ein Minimum zu beschränken.
Digitale Planung für nachhaltigen Beton über den gesamten Lebenszyklus
Parallel zur Materialentwicklung entstehen neue digitale Plattformen, die den gesamten Prozess vom architektonischen Entwurf bis zur Fertigung abdecken. Auch Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusanalysen sind integriert. Architekturbüros wie Zaha Hadid Architects entwerfen komplexe, freigeformte Strukturen, während Ingenieur- und Materialteams die technische Machbarkeit, Verbindungstechnologien und die spätere Demontage untersuchen.
Das im Rahmen von Horizon Europe geförderte Projekt CARBCOMN verfolgt dabei ein klares Ziel: eine praxisnahe, nachhaltige und kreislauffähige Betonbauweise für den Wohnungsbau. Dabei geht es weniger um spektakuläre Formen als um robuste Bauteile für den Wohnungsbau, die sich auch erdbebensicher verbinden und später wiederverwenden lassen.
(Empa / Heike van Ooyen)
Empfehlungen der Redaktion
Recycelter Beton für die Zukunft
KI verändert das Bau-Recycling
Nichts mehr verpassen: Hier geht‘s zur Anmeldung für den Bauingenieur-Newsletter…
