Eine Revolution im Bauwesen ohne künftige Altlasten

Gebrochenes C³-Material

Carbonbeton – zur Nachhaltigkeit zählt neben der CO2-Bilanz auch ein stoffliches Recycling

Der klassische Bewehrungsstahl in Bauwerken aus Beton findet in mit Kunststoff gebundenen Carbonfasern eine Alternative. Vor allem das C³-Verbundforschungsprojekt unter Führung der TU Dresden hat in den letzten Jahren entscheidende Grundlagen für den Einsatz dieses High-Tech-Materials legen können. Neben der Verarbeitung von Carbon-Bewehrungsmatten, speziellen Zementrezepturen oder den Einsparpotenzialen in verschiedenen Bauteilen ging es den insgesamt 140 beteiligten Firmen und Forschungsinstituten auch um die Nachhaltigkeit. Fest steht inzwischen, dass sich die nur wenige Millimeter starke Bewehrung effizient einbauen lässt. Deren absolute Korrosionsbeständigkeit auch die geringer notwendige Überdeckung durch den Beton sparen enorme Energiemengen bei der Herstellung – und damit CO2-Emissionen sowie Transportkosten.

Über diese Vorzüge von Carbonbeton berichteten im Winter die VDI Nachrichten, das Leitorgan des Vereins Deutscher Ingenieure. Anlass war der Baubeginn eines Tagungsgebäudes in Dresden, bei dem erstmals komplett auf Stahl verzichtet wird. Sowohl die Sichtbeton-Elemente außen und Innen, die mit kompletter Isolierung in Sandwichbauweise in einem nahen Betonwerk in Oschatz gebaut wurden, als auch Bodenplatte und der Ortbeton werden mit Carbon bewehrt. Sichtbar wird die neue Bauweise auch durch eine geringe Plattenstärke von nur drei Zentimetern und der attraktiv geschwungenen, filigranen Dachkonstruktion aus Beton.

Der Artikel fand reichlich Widerhall, nicht nur in der Branche. Neben der Anerkennung, dass hier ein möglicher Weg zu einer Revolution im Bauwesen gezeigt wird, der auch in der immer hitziger geführten Klimadebatte einen Weg weisen könnte, tauchten mehrfach besorgte Fragen unter der ingenieurtechnisch qualifizierten Leserschaft auf. Kern der Zuschriften: Wie kann man das Problem des Recyclings lösen?

Für Jan Kortmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Baubetriebswesen der TU Dresden, lassen sich solche Bedenken allerdings heute bereits recht eindeutig widerlegen. Seit 2017 beschäftigt sich der Wissenschaftler mit dem Recycling von Carbonbeton und hat dazu promoviert. „Wir haben in den Jahren seither mehrere Großversuche unternommen und darin auch Bau- und Recycling-Unternehmen mit einbezogen“, sagt er. Die Betrachtung des gesamten Lebenszykluss und der Nachhaltigkeit von Carbonbeton sei zudem von Anfang an Bestandteil des Forschungsprojektes C3 gewesen. Deshalb sei das Projekt auch so groß ausgelegt worden, auch mit der Einbindung der Bauindustrie. „Unser Ziel war dabei, großtechnische Möglichkeiten zu ermitteln, bei denen der Beton von der Bewehrung getrennt und die Carbonfasern stofflich wiederverwendet werden können“, berichtet er.

Die TU Dresden hat eigens ein großes Technikum für das Forschungsthema aufgebaut. Für die Untersuchungen im Rahmen von Kortmanns Dissertation rückten zudem mehrere Großgeräte an, die einen eigens dazu errichteten Versuchsbau aus Carbonbeton so zerlegten, wie das durchaus auch bei kommerziellen Abbrucharbeiten heute mit Stahlbeton erfolgt. Natürlich wurden die Versuche mittels Kameras und Sensoren überwacht, weitere Daten aber auch im Nachgang erfasst und ausgewertet.

Probehalber gingen die Experten dabei auch mit einem Vorschlaghammer auf die Bauteile los – schließlich lassen sich drei Zentimeter dünne Platten leichter brechen als die mindestens doppelt so starken stahlbewehrten Bauteile. Schon dort zeigte sich, dass die Matten sich relativ leicht und unbeschadet vom Beton trennen lassen. Doch in der Realität wird es natürlich auf Maschinen hinauslaufen. Kortmann zeigt als Beleg Fotos und Videos, auf denen zu sehen ist, wie ein Backenbrecher einen eigens errichteten Versuchsbau abbricht und die Betonreste in mobile Brecher bringt. „Wir haben dabei Korngrößen von weniger als 56 Millimeter erreicht, die Bewehrung wird in größeren Stücken von fünf bis 20 Zentimeter frei, und das zu mehr als 99 Prozent“, berichtet er. Da die Bewehrungsmatten ein deutlich kleineres Gitter als bei Stahlmatten bilden, bleiben daher ganze Teilstücke der mit Kunstharz ummantelten Carbon-Matten erhalten. Die Separierung ist technisch derzeit noch eine Herausforderung, war jedoch mit einem kamerabasiertem System möglich.

Dass die Versuche praxisnah waren und damit durchaus erwarten lassen, sich ohne weiteren Zusatzaufwand umsetzen zu lassen, bestätigen auch Praktiker. Klaus Weigl, bis zum Eintritt in den Ruhestand Prokurist bei der Caruso Umweltservice GmbH, kennt sich mit dem Abbruch von Betonkonstruktionen im Industrie- und Wohnungssektor bestens aus. Als Projektverantwortlicher für das C³-Thema in seinem Unternehmen hat er auch Testbauten mit Carbonbeton mit seinen Maschinen zerlegt. Es habe keine größeren Probleme bei der Zerkleinerung und Trennung der Komponenten gegeben. „Dabei waren nur Standard-Geräte im Einsatz, die mit dem Material in vergleichbarer Weise wie bei Stahlbeton zurechtkamen“, fasst er die Versuche zusammen. Dabei entwickle sich ja erfahrungsgemäß auch die Abbruchtechnik ständig weiter, die Standzeit der allermeisten Bauteile aus Carbonbeton könne mit vielen Jahrzehnten veranschlagt werden. „Der Abbruch und die Aufbereitung stellen schon heute keine besondere Herausforderung dar“, sagt er.

Auch das Ausschließen von Bedenken hinsichtlich gesundheitlicher Gefahren durch freigesetzte Fasern haben in Dresden eine Rolle gespielt. Beim Zerkleinern des Betons wurde mit Emissionsmessungen analysiert, ob neben dem auftretenden Staub auch einzelne Fasern frei werden. „Das muss schon deshalb untersucht werden, weil wir ja die verheerenden Erfahrungen mit den Asbestfasern aus Beton kennen“, sagt Kortmann – und kann hier ebenfalls gleich Entwarnung geben. Sofern Fasern an den Bruchstellen frei werden, haben sie eine Stärke zwischen fünf und zehn Mikrometern, also gut das Doppelte der Asbestfasern und damit nicht mehr im kritischen Bereich. „Wir haben auch geprüft, ob sich die bisher im Bau eingesetzten Fasern noch aufspalten lassen, das aber ist bei dem von uns verwendeten Material auszuschließen“, versichert der Wissenschaftler.

Mit einer Trennung und Sortierung der Bewehrung vom Beton steht zumindest eine thermische Verwertung als Minimalvariante im Raum, was angesichts des recht teuren und energie-intensiv hergestellten Materials allerdings nicht optimal wäre. Für eine Wiederaufbereitung der Carbonfasern muss noch die Kunststoffmatrix entfernt werden, die dem Faserverbund Halt und Struktur gibt. Technisch möglich ist das beispielsweise durch Pyrolyse, einem thermischen Prozess. „Wir haben dafür in Deutschland bereits großtechnische Anlagen“, sagt Kortmann. Ob der damit verbundene Aufwand es eines Tages auch wirtschaftlich sein wird, lässt sich freilich wie bei vielen neuen Kreislaufprozessen bislang nicht sagen. Problematisch bleibt zudem, dass für viele Hightech-Anwendungen recycelte Carbonfasern vermutlich nicht akzeptiert würden. Für den erneuten Einbau in Beton allerdings sieht Kortmann hier kaum ein Problem, sondern eher ein breites Anwendungsfeld (siehe WIR recyceln Fasern).

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