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Der vielverwendete Baustoff Beton soll umweltfreundlicher werden – und an der FHWS wird dazu geforscht


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WÜRZBURG / SCHWEINFURT – Der Baustoff Beton ist ein Gemisch aus Gestein unterschiedlicher Korngrößen, Zement, Wasser sowie unterschiedlichen Zusätzen. Bezogen auf die Masse macht der Zement lediglich rd. 12 Prozent des Betons aus, jedoch prägt er maßgeblich den CO2-Fußabdruck des Baustoffs.

Die weltweite Zementproduktion ist für rd. 6 bis 7 Prozent der globalen CO2-Emmissionen verantwortlich und so hat sich die deutsche Zementindustrie mit ihrer CO2-Roadmap (https://www.vdz-online.de/aktuelles/deutsche-zementindustrie-auf-dem-weg-in-eine-co2-freie-zukunft ) das Ziel gesetzt, bis 2050 klimaneutral zu werden.


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Neben den Emissionen im Rahmen der Herstellung ist für die Nachhaltigkeit des Baustoffs auch die Nutzungsdauer der Bauwerke von entscheidender Bedeutung. Oft wird die Frage gestellt, warum Bauwerke der Römer wie das Pantheon in Rom und viele Sakralbauten einige der heutigen Bauwerke überdauern. Ein Teil der Antwort sind die teils enormen Belastungen durch Verkehr, Umwelteinwirkungen und die Nutzung von Tausalzen zur Eisfreihaltung im Winter, die insbesondere den Infrastrukturbauwerken zusetzen. Gerade der Einsatz der Tausalze verursacht enorme Schäden an den im Beton befindlichen Bewehrungsstählen, welche die heutige Stahlbetonbauweise im Vergleich zu den Bauwerken der Römer erst ermöglicht.


Zemente der Zukunft

Wie lässt sich nun Zement als Bindemittel des Baustoffs Beton widerstandsfähig und gleichzeitig möglichst CO2-neutral und damit umweltfreundlicher herstellen? Die Basis heutiger Zemente ist der sogenannte Zementklinker, der bei ca. 1.450 °C Brenntemperatur hergestellt wird. Die CO2-Emissionen resultieren jedoch nur zu rd. einem Drittel aus den Brennstoffen und zu rd. zwei Dritteln aus chemischen Umwandlungsprozessen, die prozessbedingt sind, so Fischer. Ein wesentlicher Schlüssel zur klimafreundlicheren Bauweise mit Beton sei die Reduzierung des Klinkeranteils durch weitere Zumahlstoffe. Die Herausforderung besteht nun darin, dass einige der bisher verwendeten und sehr gut geeigneten Zumahlstoffe aus der Roheisenherstellung mit Koks und aus Steinkohlekraftwerken stammen. Beide Prozesse unterliegen ebenfalls dem Wandel im Rahmen der CO2-Emisionsminderung.

Das Finden ganz neuer Zemente bzw. geeigneter Zumahlstoffe und deren korrekte Mischung für neue Zementsorten, welche die Anforderungen an Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit erfüllen, ist Ziel der Zementindustrie und vielfältiger Forschergruppen. Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft eine größere Zahl an Zementen Verwendung findet und dass diese gezielt nach den Anforderungen der Bauwerke und Bauteile eingesetzt werden.

An einem Baustein der Forschung arbeitet die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt: Prof. Dr. Christian Fischer und die Doktorandin Hannah Drenkard forschen an der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen im Labor für Werkstoffe im Bauwesen zur Bewertung der Dauerhaftigkeit der aus neuen Zementen hergestellten Betone: Sie führen sogenannte Chlorid-Migrations-Schnelltests zur Analyse des Widerstands der Betone gegenüber Chloriden aus Tausalzen oder Meerwasser durch. Die Gefahr durch die Chloride besteht darin, dass der natürliche, durch die hohe Alkalität (Säurebindungsvermögen) des Betons vorhandene Korrosionsschutz des Stahls im Beton lokal zerstört wird und der Stahl im Beton bei ausreichend Feuchtigkeit zu rosten beginnt.

Um neue Zemente für die künftigen Anforderungen zu konzipieren, führt Fischers Team das in der Realität sehr langsame Eindringen der Tausalze in den Beton im „Schnellverfahren“ durch: „Die bisher mehrheitlich analog und manuell geprägten Prüfverfahren zum Nachweis der Dauerhaftigkeit sollen mittels digitaler Prüf- und Auswertemethoden zuverlässiger und schneller gemacht werden. So können die auf neuen Zementen basierenden Betone beispielsweise schneller auf ihren Widerstand gegenüber schädlichen Chloriden aus Tausalzen geprüft werden.“

Für das FHWS-Forschungsprojekt erhielt das Forscherteam um Fischer den „FHWS-Sonderförderpreis Digital der Vogel Stiftung 2022“. Mit dem Preisgeld kann das Digital-Mikroskop zur Dokumentation, Analyse und Kontrolle der Zementproben aufgerüstet werden.

Wie wird Zement hergestellt?

Die Herstellung von Zement erfolgt in zwei Schritten: dem Brennen des Rohmaterials (vor allem Kalkstein) zu Zementklinker bei einer Temperatur von 1.450 °C

dem Vermahlen des Zementklinkers mit unterschiedlichen Zumahlstoffen und Klinkerersatzstoffen, z.B. Gips, Kalkstein, Hüttensand und Flugasche zu Zement

CO2-Roadmap zur Dekarbonisierung von Zement und Beton

Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes belief sich die weltweite Produktion von Zement im Jahr 2021 auf geschätzte 4,4 Milliarden Tonnen. Der Verein Deutscher Zementwerke e.V. (VDZ) hat eine Studie zur „Dekarbonisierung von Zement und Beton – Minderungspfade und Handlungsstrategien“ veröffentlicht: Seit 1990 konnten so die CO₂-Emissionen bereits um etwa ein Viertel reduziert werden. „Bei der weiteren CO₂-Minderung stößt die Zementindustrie jedoch zunehmend an Grenzen. Das liegt besonders an den prozessbedingten Emissionen der Klinkerherstellung, die mit heute verfügbarer Technik nicht minderbar sind”, so VDZ-Hauptgeschäftsführer Martin Schneider. Mit konventionellen Minderungsmaßnahmen würde es bis 2050 gelingen, die CO₂-Emissionen um 36 Prozent gegenüber 2019 zu verringern (das entspräche einer Reduktion von 50 Prozent gegenüber 1990). (Studie unterDekarbonisierung, https://www.vdz-online.de/dekarbonisierung)

Auf dem einen Bild: Die Doktorandin Hannah Drenkard forscht an der Dauerhaftigkeit von Beton.
Foto FHWS / Bolza-Schünemann


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