Mit Sprudelwasser CO₂-Emissionen von Beton senken

Viele Menschen werden bei ihren Haus- oder Gartenbauarbeiten schon einmal Beton angemischt und verwendet haben. Das Prinzip ist einfach: Zement mit Bindemitteln (oft Sand und Kies) und Zuschlagstoffen (einfaches Wasser) vermischen und fertig ist die graue, zähflüssige Baumasse, die binnen Tagen bis Wochen fest und hart wie Stein wird. Doch dieser Baustoff, der die westliche Bauweise revolutioniert hat, ist vielen inzwischen ein Dorn im Auge.

Grund dafür ist seine CO₂-Bilanz. Damit wir Zement erhalten, müssen zunächst zermahlener Kalkstein, Ton und Mergel gebrannt werden. Dabei entsteht Kohlendioxid, was bei rund vier Milliarden Tonnen jährlich hergestelltem Zement acht Prozent des jährlichen CO₂-Ausstoßes ausmacht.

Doch häufig wird vergessen, dass der fertige Beton während seiner Lebenszeit wieder Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt. Laut Steven Davis von der University of California in Irvine werde dabei mindestens 43 Prozent des zuvor freigesetzten Treibhausgases wieder gebunden. Am besten sei Mörtel, denn dieser nehme sogar 97,9 Prozent des CO₂ wieder auf.

Damit Beton künftig noch mehr Kohlenstoffdioxid binden kann, haben US-amerikanische Forscher der Northwestern University in Illinois das Rezept um Sprudelwasser erweitert.

Mit Kohlensäure mehr CO₂ binden

Beton ist keine moderne Erfindung, denn bereits die Römer wussten, dass sich das Kalk-Wasser-Sand-Gemisch ideal zum Bauen riesiger Bauwerke eignet. Außerdem experimentierten auch sie bereits und erschufen unter Zugabe von Vulkanasche wasserfesten Beton.

Im Fall der US-amerikanischen Forscher ist es eine kohlensäurehaltige Lösung auf Wasserbasis, die während des Herstellungsprozesses von Beton hinzugegeben wird. Vereinfacht gesagt, verwenden sie Sprudelwasser statt stilles Wasser. Damit sei es möglich, CO₂ aus der Atmosphäre zu binden und ein Baumaterial mit „kompromissloser Festigkeit und Haltbarkeit“ zu erschaffen, so die Forscher.

Unter Laborbedingungen konnten die Ingenieure um Alessandro Rotta Loria bis zu 45 Prozent Kohlendioxid an den Beton binden. Das heißt, dass fast die Hälfte des bei der Herstellung eingebrachten CO₂ im Sprudelwasser aufgefangen und gespeichert wurde.

„Wir versuchen, Ansätze zu entwickeln, die die mit diesen Industrien verbundenen CO₂-Emissionen verringern und schließlich Zement und Beton in massive Kohlenstoffsenken verwandeln könnten“, sagte Studienautor Rotta Loria.

Ein baldiger Einsatz der Neuentwicklung sei noch nicht abzusehen. Dafür sei die Methode „technologisch so einfach, dass sie für die Industrie relativ leicht umzusetzen“ sei.

Bisherige Methoden wenig erfolgreich

Als unverzichtbarer Bestandteil der Infrastruktur ist Beton eines der am meisten verbrauchten Materialien der Welt. Deshalb arbeiten Forscher seit den 1970er-Jahren an verschiedenen Möglichkeiten zur Bindung von CO₂ im Beton.

Aber da Beton nicht gleich Beton ist, gibt es zwei unterschiedliche Verfahren der Karbonisierung: zum einen die CO₂-Speicherung in Festbeton und zum anderen die CO₂-Speicherung in Frischbeton.

Bei der Festbetonkarbonisierung werden massive Betonblöcke in Kammern gelegt, in die CO₂-Gas unter hohem Druck eingeleitet wird. Bei der Frischbetonkarbonisierung injiziert man dagegen CO₂-Gas in die Mischung aus Wasser, Zement und Zuschlagstoffen, während der Beton hergestellt wird.

In beiden Verfahren reagiert ein Teil des eingebrachten Kohlendioxids mit dem Zement und bildet feste Kristalle aus Kalziumkarbonat. Beiden Techniken sind jedoch entscheidende Grenzen gesetzt. So ist unter anderem der Energieverbrauch hoch und der entstandene Beton oft geschwächt, was seine Anwendbarkeit beeinträchtigt.

Hart, härter, Beton

Bei dem neuen Ansatz der Northwestern University speicherten die Forscher das Treibhausgas in Frischbeton. Aber anders als zuvor brachten sie das CO₂ nicht während des Mischens aller Zutaten ein. Vielmehr brachten sie zunächst das CO₂-Gas in Wasser ein und vermischten es mit einer kleinen Menge Zementpulver. Erst danach wurde der kohlensäurehaltige „Vorteig“ zu den restlichen Zutaten gegeben und miteinander vermischt.

Im Anschluss ihrer erfolgreichen CO₂-Speicherung stellten Rotta Loria und seine Kollegen fest, dass die Festigkeit ihres Betons mit der Haltbarkeit von herkömmlichem Beton gleichzusetzen ist – oder sogar besser.

„Unsere Experimente zeigen, dass die Festigkeit sogar noch höher sein könnte [als bei herkömmlichem Beton]. Wir müssen dies noch weiter testen, aber zumindest können wir sagen, dass sie nicht beeinträchtigt wird. Da die Festigkeit unverändert ist, ändern sich auch die Anwendungsmöglichkeiten nicht. Er könnte für Balken, Platten, Säulen, Fundamente – also für alles, wofür wir derzeit Beton verwenden – genutzt werden“, so Rotta Loria.

Die Studie erschien am 26. Juni 2024 im Fachjournal „Communications Materials“.