Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten im EU-finanzierten Projekt C-SINC gemeinsam mit Partnern an einem klimaschonenden Material, das Zement bei der Herstellung von Beton in Teilen ersetzen soll. Sie nutzen dabei CO₂-gebundene Magnesiumsilikate, die Kohlendioxid dauerhaft in mineralischer Form einschließen.
Die Herstellung von Zementklinker, ein Ausgangsmaterial für Zement, verantwortet etwa acht Prozent des weltweiten CO₂-Ausstoßes. „Diese hohen Emissionen entstehen durch den Energieeinsatz bei der Produktion, aber vor allem auch durch die chemisch bedingte Entsäuerung von Kalkstein bei der Herstellung von Portlandzementklinker, dem am häufigsten verwendeten Bindemittel für Beton“, erklärt Professor Frank Dehn, Leiter des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie sowie der Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe am KIT.
Zwar gebe es Zementersatzstoffe, etwa Flugaschen aus der Kohleverstromung oder Hüttensand, also gemahlene Hochofenschlacke. Diese werden jedoch aufgrund des Kohleausstiegs und der industriellen Transformation der Stahlindustrie in absehbarer Zeit knapper. Die Entwicklung einer nachhaltigen Alternative solcher Zementersatzstoffe ist das Ziel des EU-geförderten Projekts C-SINC mit Forschenden aus Deutschland, den Niederlanden, Belgien und Spanien. Die Arbeitsgruppe von Dehn testet die Praxistauglichkeit der damit herstellbaren neuen Betone.
CO₂ bleibt dauerhaft gebunden
Im Fokus stehen magnesiumhaltige Silikate, die in einem gezielten, beschleunigten Mineralisierungsprozess mit CO₂ zu Magnesiumcarbonat reagieren. Als sogenannter sekundärer zementärer Zusatzstoff soll dieses einen Teil des Klinkers ersetzen können. „Indem wir das dabei eingesetzte CO₂ gezielt aus Industrieabgasen abscheiden, also der Atmosphäre entziehen, kann Beton künftig nicht nur emissionsärmer werden, sondern aktiv als CO₂-Senke wirken“, sagt Dehn. „Das CO₂ wird nicht einfach gespeichert, es wird chemisch in ein Mineral eingebaut. Es bleibt fest gebunden und kann so über sehr lange Zeiträume nicht wieder entweichen.“
Koordiniert von einem Industriepartner, entwickeln die Forschungsteams nicht nur neue Materialien im Labor. Der neue zementäre Zusatzstoff soll zeitnah eingesetzt werden können. Dabei spielt das KIT eine wichtige Rolle: „Wir untersuchen mithilfe von Strategien des maschinellen Lernens und strukturmechanischer Modelle, wie sich das Bindemittel im Beton verhält, wie wir den Beton optimal zusammensetzen und wie er sich in der Praxis bewährt“, sagt Dehn. „Das machen wir in kleinem Maßstab, aber auch in realen, großen Bauteilen.“
Optimale Rezeptur gesucht
Ein großer Vorteil ist dabei eine enge Verzahnung von Simulation, experimenteller Forschung und großmaßstäblicher realitätsnahen Prüfungen an der Materialprüfungsanstalt in Karlsruhe. „Wir können mit Simulationen und maschinellem Lernen vorhersagen, welche Betonrezepturen funktionieren. Experimente setzen wir dann gezielt ein, um diese Prognosen zu überprüfen. So wollen wir belastbare Kennwerte erarbeiten, die zeigen, dass Beton mit dem neuen Bindemittel klimafreundlich ist und die Anforderungen an Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und Sicherheit erfüllt“, so Dehn.
Der Europäische Innovationsrat (EIC) fördert das Projekt innerhalb des Pathfinder-Programms „Towards cement and concrete as a carbon sink“. Die Fördersumme beträgt insgesamt rund vier Millionen Euro mit einer Laufzeit von vier Jahren. Davon entfallen rund eine Million Euro auf das KIT. Partner sind neben dem KIT und der koordinierenden PAEBBL AB (Schweden) die Technische Universiteit Delft (Niederlande), die Katholieke Universiteit Leuven (Belgien), die Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas und Prefabricados Tecnyconta S.L. (beide Spanien) sowie unterstützend Holcim Technology Ltd. (Schweiz). Weitere Informationen >>>