Fragen und Antworten

Was ist Carbonbeton?
Was ist der Unterschied zwischen Stahl- und Carbonbeton?
Woraus werden Carbonfasern gewonnen?
Wie wird ein Carbongelege hergestellt?
Welche Verfahren zur Herstellung von Carbonbeton gibt es?
Wie lange dauert es, bis der Carbonbeton ausgehärtet ist?
Wie ist die Dauerhaftigkeit von Carbonbeton?
Wie teuer ist Carbonbeton im Vergleich zu Stahlbeton?
Wie hoch ist die Ressourcen- und Materialeinsparung beim Einsatz von Carbonbeton?
Welche Auswirkungen hat die Anwendung von Carbonbeton auf die Architektur?
Wie wird Carbonbeton recycelt?
Ist Carbonbeton brandbeständig?
Welche Kostenvorteile ergeben sich bei Textil- und Carbonbeton gegenüber Stahlbeton?
Welche Zukunft hat Textil- und Carbonbeton?
In welchen Bereichen kann Carbonbeton zum Einsatz kommen?
Wie viel Textil- und Carbonbeton wird in Deutschland verbaut?


Was ist Carbonbeton?

Carbonbeton ist ein Verbundwerkstoff aus Hochleistungsbeton und einer Bewehrung aus Carbon.

Die Bewehrung aus Carbon gibt es stab- und mattenförmig. Die Carbonstäbe werden in einem Pultrusionsprozess meist mit runden Querschnitten und verschiedenen Durchmessern hergestellt.

Die Mattenbewehrung wird in einem textilen Prozess hergestellt, so dass diese oft auch die Bezeichnung Textil trägt. Der damit bewehrte Beton wird oft auch als Textilbeton bezeichnet. Bei der Herstellung von Carbongelege werden bis zu fünfzigtausend  Carbon- bzw. Kohlenstofffasern zu einem Garn zusammengefasst. Eine Kohlenstofffaser hat einen Durchmesser von etwa fünf Mikrometer, zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Die Garne wiederum werden in einer Textilmaschine zu einem Gelege verarbeitet und mit einer stabilisierenden Beschichtung versehen. Die Fasern können zudem entsprechend der Kräfteverhältnisse so ausgerichtet werden, dass sie im Beton optimale Arbeit leisten. Im Beton sorgen sie für Leichtigkeit, Flexibilität und Stärke.

Der bisherige Baustoff Nummer 1, Stahlbeton, ist mit über 100 Millionen verbauten Kubikmetern im Jahr der wichtigste Baustoff Deutschlands. Um den Stahl vor Korrosion zu schützen, wird er mit einer dicken Betonschicht überdeckt. Nach Wasser ist Beton mit ca. 5 Milliarden m³ der am meisten verwendete Rohstoff.

Beton besteht aus Zement, Sand, Kies und Wasser. 1,6 Milliarden Tonnen Zement, 10 Milliarden Tonnen Gesteinskörnung (Sand und Kies) und eine Milliarde Tonnen Wasser pro Jahr werden weltweit für die Entstehung von neuen und der Sanierung von alten Gebäuden und Brücken verwendet.

Carbon ist der Grundbaustein des irdischen Lebens. Er lässt sich aus Pflanzen, Gesteinen und sogar Luft gewinnen. Zur Herstellung von Carbon wird aktuell noch Erdöl genutzt – da es preiswert und im Vergleich zu den benötigten Mengen unbegrenzt verfügbar ist.

Aktuelle Forschungen befassen sich u. a. mit Carbonherstellung aus Ligninen, also Holzabfallprodukten, die bei der Papierherstellung übrig bleiben. In ca. 5 Jahren sollte eine industrielle Herstellung möglich sein.

Der Materialwechsel zu Carbonbeton reduziert den Energiebedarf und den CO2-Ausstoß bei der Herstellung und Instandsetzung von Bauwerken um knapp 50 % und schont wertvolle Ressourcen.

Was ist der Unterschied zwischen Stahl- und Carbonbeton?

Der Unterschied zwischen Stahl-und Carbonbeton liegt darin, dass nicht rostanfälliger Stahl, sondern rostfreies Carbon zur Bewehrung im Beton  verarbeitet wird.

Stahlbeton entsteht, indem gerippte Stahlstäbe in einen Betonmantel eingezogen werden. Stahlbeton zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, da er die Druckfestigkeit von Beton mit der Zugfestigkeit von Stahl kombiniert. Die Eigenschaften, große Lasten zu tragen und hohe Biege-und Zugfestigkeit zu besitzen, machen Stahlbeton zum idealen Baumaterial.

Doch er hat den großen Nachteil, dass er korrodiert. Um den Stahl vor Korrosion zu schützen, ist eine dicke Betondeckung als Schutzschicht notwendig. Das zieht einen weiteren Nachteil nach sich: Die Herstellung verschlingt viel Energie und trägt so zu einem hohen Anteil der Bauindustrie an den klimaschädlichen CO2-Emissionen bei. Zudem werden Stahlbetonbauwerke durch Korrosion zunehmend zum Sicherheitsrisiko.

Carbonbeton ist deutlich widerstandsfähiger als Stahlbeton. Carbon ist viermal leichter und sechsmal tragfähiger als Stahl, hat also die 24fache Leistungsfähigkeit. Carbonbeton ist weitaus beständiger als Stahlbeton, da das Material nicht korrodiert. Bauteile aus Carbonbeton können daher wesentlich schlanker ausfallen, was den Rohstoffbedarf verringert. Energieverbrauch und CO2-Ausstoß sinken auf etwa die Hälfte. Die flexible Formbarkeit der Kohlenstofffasern ermöglicht eine sehr filigrane Gestalt von Bauwerken, deren Lebensdauer zudem deutlich länger ist als bei der Bauweise mit Stahlbeton.

Woraus werden Carbonfasern gewonnen?

Die Fasern werden aus Kohlenstoff gewonnen, dem Grundbaustein allen irdischen Lebens. Er lässt sich aus Pflanzen, Gesteinen und sogar Luft gewinnen. Zur Herstellung von Carbon wird aktuell noch Erdöl genutzt – da es preiswert und im Vergleich zu den benötigten Mengen unbegrenzt verfügbar ist. Aktuell gibt es Forschungen, Lignine für die Carbonfaserherstellung zu nutzen. Lignine sind ein Abfallprodukt aus Holz, das bei der Papierverarbeitung in großen Mengen übrig bleibt.

Weiterhin wird gerade untersucht, ob und wie man CO2 aus der Luft für die Carbonfaserherstellung nutzen kann.

Wie wird ein Carbongelege hergestellt?

Eine Kohlenstofffaser hat einen Durchmesser von etwa fünf Mikrometern, zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Bis zu fünfzigtausend dieser feinen Fasern werden zu einem Garn zusammengefasst. Die Garne wiederum werden in einer Textilmaschine zu einem Gelege verarbeitet und mit einer stabilisierenden Beschichtung versehen. Die Fasern können entsprechend der Kräfteverhältnisse so ausgerichtet werden, dass sie im Beton optimale Arbeit leisten.

Alternativ dazu können die Carbongarne in einem Pultrusionsprozess zu Stäben verbunden werden. Diese Gitter/ Stäbe lassen sich dann- ähnlich wie bei einer Stahlbewehrung- auf die Baustelle oder in Fertigteilwerke transportieren.

Welche Verfahren zur Herstellung von Carbonbeton gibt es?

Carbonbeton kann im Gieß- und im Laminierverfahren hergestellt werden. Es wird flüssiger Beton verwendet. Beim Gießverfahren wird der Feinbeton in eine Platte gegossen, die einzelnen Schichten des Carbongeleges werden durch sog. Abstandhalter voneinander getrennt gehalten. Beim Laminierverfahren wird Feinbeton in eine Schalung gegeben und die Carbongelege eingearbeitet. Je mehr Schichten eingearbeitet werden, desto stabiler ist der Carbonbeton.

Wie lange dauert es, bis der Carbonbeton ausgehärtet ist?

Das ist abhängig vom verwendeten Beton und gleicht den bekannten Zeiten des Stahlbetons. In der Regel erreicht er nach ca. 3 Tagen 70% seiner Festigkeit. Nach 28 Tagen werden die charakteristischen Eigenschaften bestimmt. Auch danach geht der Aushärtungsprozess weiter.

Wie ist die Dauerhaftigkeit von Carbonbeton?

Während man bei Stahlbetonbauten von einer Nutzungsdauer von 40 bis 80 Jahren ausgeht, sprechen wir bei Carbonbeton von einer Nutzungszeit von 200 Jahren und mehr.

Wie teuer ist Carbonbeton im Vergleich zu Stahlbeton?

Carbon und Stahl liegen derzeit hinsichtlich der Leistungsfähigkeit preislich auf Augenhöhe, wobei die kg-Preise dies zunächst nicht erwarten lassen. 1 Kilogramm Stahl kostet nur ca. 1 Euro, 1 Kilogramm Carbon dagegen ca. 16 Euro. Die Dichte von Carbon ist allerdings viermal geringer und die Festigkeit sechsmal höher. Somit bekommt man für den 16-fachen Preis die 24-fache Leistungsfähigkeit.

Wie hoch ist die Ressourcen- und Materialeinsparung beim Einsatz von Carbonbeton?

Carbonbeton reduziert den Energiebedarf und den CO2-Ausstoß bei der Herstellung und Instandsetzung von Bauwerken um knapp 50 % . Fassadenplatten oder Verstärkungsschichten beispielsweise sind mit Carbonbeton nur noch ca. zwei Zentimeter statt mit Stahlbeton ca. acht Zentimeter dick. Somit muss 75 % weniger Material hergestellt, transportiert, eingebaut sowie verankert werden.

Welche Auswirkungen hat die Anwendung von Carbonbeton auf die Architektur?

Mit Carbonbeton können wir dünnwandiger bauen. Hinzu kommt die Flexibilität des Materials, die Architekten die Möglichkeit eröffnet, Gebäudegeometrien zu entwerfen, die bisher nur schwer umsetzbar waren. Schlanke Bauteile ermöglichen eine völlig neue Formensprache in der Architektur.

Module aus Carbonbeton können überdies mit Zusatzfunktionen wie Dämmen, Heizen oder Überwachen ausgestattet werden, wodurch eine „intelligente Vernetzung“ in Gebäude oder Brücken möglich ist.

Wie wird Carbonbeton recycelt?

Die  Trennung von Carbon und Beton wird derzeit unter Laborbedingungen erforscht und gelingt bereits. Das Carbon wird mit den gleichen Recycling-Prozessen zugeführt wie das aus der Luftfahrt-, Auto- und Sportartikelindustrie bekannt ist. Das Beton-Recycling erfolgt wie bisher.

Ist Carbonbeton brandbeständig?

Die reine Carbonfaser, welche üblicherweise im Bauwesen zur Anwendung kommt, ist im Gegensatz zum Werkstoff Stahl bis zu einer Temperatur von etwa 650…700 °C temperaturbeständig. Kann man ein Sauerstoffzutritt an der Carbonbewehrung ausschließen, würde die Faser unter Intergasbedingungen sogar bis ca. 1300°C stabil bleiben. Für den Einsatz im Beton ist zur Sicherstellung hinreichender Verbundeigenschaften zusätzlich eine Imprägnierung erforderlich. Diese bestimmt letztendlich das Temperaturverhalten und muss damit auf den Anwendungsbereich abgestimmt sein. Für den Großteil der Bauvorhaben sind für Normaltemperatur entwickelte Imprägnierungen ausreichend.

Welche Kostenvorteile ergeben sich bei Textil- und Carbonbeton gegenüber Stahlbeton?

Die Kostenvorteile sind bauwerksabhängig und liegen oft in der kürzeren Bauzeit und dem geringeren Materialverbrauch aber auch dem reduzierten Aufwand für Transport und Befestigung. In einigen Fällen sind auch die Schaffung sowie der Erhalt eines größer nutzbaren Bauwerksvolumens maßgebend.

Bei der Sanierung von Brücken sind unter Verwendung von Carbonbeton Schichtdicken von 2 cm realisierbar. Bei der Sanierung mit Stahlbeton wären 7-8 cm notwendig. Mit Carbonbeton kann bis zu 80% Beton eingespart werden, der nicht transportiert und verbaut werden muss. Durch die dünne Carbonbetonschicht wird das Gewicht der Brücke nicht nennenswert erhöht, so dass mit Carbonbeton auch Brücken saniert werden können, bei denen einen Sanierung mit Stahlbeton nicht möglich ist. Sowohl die Materialeinsparung, die reduzierte Bauzeit und damit ggf. reduzierte Sperrzeit als auch die Verlängerung der Lebensdauer der bestehende Bausubstanz führen zu Kostenvorteilen.

Bei der Sanierung von Silos können die Carbonbewehrungen deutlich schneller verlegt werden als Stahlbewehrungen. Auf eine Befestigung der Bewehrungen mit Ankern kann verzichtet werden. Statt 7-8 cm Schichtdicke beim der Stahlbetonvariante werden beim Carbonbeton nur 1-2 cm Schichtdicke benötigt. In der Summe wird bis zu 80 % Beton gespart, die Bauzeit und die Ausfallzeit reduziert und das nutzbare Silovolumen weitgehend erhalten. Alles führt zu einem Kostenvorteil.

Bei der Sanierung von denkmalgeschützten Bauwerken, die nach der Sanierung ein ähnliches Erscheinungsbild aufweisen sollen wie vor der Sanierung, dürfen die Verstärkungsschichten nicht zu einer sichtbaren Veränderung der Bauwerksstruktur führen. Die Dicke der aufzubringenden Verstärkungssicht muss zuvor am bestehenden Bauwerk abgetragen werden. Wenn 7-8 cm Stahlbeton als Verstärkungssicht aufgebracht werden soll, sind zuvor 7-8 cm Beton zu entfernen. Bei Carbonbeton sind es nur 1-2 cm. Bis zu 80 % weniger Beton muss abgetragen und recycelt sowie neu aufgebracht werden. Die Kostenvorteile liegen im reduzierten Materialverbrauch und der geringeren Bauzeit.

Bei der Sanierung von Gebäudedecken können die Carbonbewehrungen deutlich schneller verlegt werden, als Stahlbewehrungen. Auf eine Befestigung der Bewehrungen mit Ankern kann verzichtet werden. Statt 7-8 cm Schichtdicke, bei der Stahlbetonvariante, werden beim Carbonbeton nur 1-2 cm Schichtdicke benötigt. Das Gewicht der bestehenden Bausubstanz wird durch die dünne Carbonbetonschicht nur geringfügig erhöht, so dass auf eine Verstärkung der angrenzenden lastabtragenden Bauteile (Stützen, Wände und Fundamente) weitgehend verzichtet werden kann. Außerdem bleibt die nutzbare Raumhöhe weitgehend erhalten. Die bis zu 80 % Betoneinsparung, die Bauzeitreduzierung aber auch der Verzicht der Verstärkung der angrenzenden Bauteile führen zu einem Kostenvorteil.

Beim Neubau von Brücken wird vor allem auf die deutlich längere Lebensdauer abgestellt. Der Sanierungsaufwand wird durch die nichtrostende Bewehrung erheblich reduziert und auch ein Neubau wird erst deutlich später notwendig. Dies führt über die Lebensdauer zu Kostenvorteilen.

Neue Vorhangfassaden aus Carbonbeton weisen Bauteildicken von ca. 3 cm auf. Die Stahlbetonvarianten haben eine Dicke von mind. 7 cm. Die über 50 % des teuren, teils eingefärbten hochwertigen Betons werden eingespart. Mehr Fassadenplatten können mit einem LKW transportiert werden. Die Befestigungsmitten, für die Befestigung der Platten am Bauwerk, können geringer dimensioniert werden. Die reduzierte Wanddicke führt zu einer größeren verkauf- bzw. vermietbaren Fläche. Die reduzierten Kosten für Beton, Befestigung und Transport aber auch die größere nutzbare Fläche führen zu Vorteilen.

Leichte Bahnsteigsysteme aus Carbonbeton können schnell verlegt werden und führen somit zu reduzierten Sperrzeiten der Bahnstrecke. Wird eine Bewehrung aus Glas (elektrisch nicht leitend) verwendet, kann außerdem auf die Erdung verzichtet werden. Beides führt zu Kostenvorteilen.

Welche Zukunft hat Textil- und Carbonbeton?

Beton ist der meistverbaute Baustoff weltweit. Er besteht im Wesentlichen aus Zement, Sand/Kies und Wasser. 1,6 Milliarden Tonnen Zement, 10 Milliarden Tonnen Gesteinskörnung (Sand und Kies) und eine Milliarde Tonnen Wasser pro Jahr werden weltweit für die Entstehung von neuen und der Sanierung von alten Gebäuden und Brücken verwendet. Rein die Zementherstellung ist für ca. 5% der weltweiten CO2 Emission verantwortliche.

Vor dem Hintergrund der immer knapper werdenden Ressourcen und der angestrebten CO2-Reduktion werden in Zukunft nur noch Produkte auf dem weltweiten Markt erhältlich sein, die mit sehr viel weniger Ressourcen und einer viel geringeren CO2-Emission produziert werden können.

Carbonbeton, als Alternative zum Stahlbeton, setzt genau da an. Immer mehr Bauwerke werden aus Carbonbeton erreichtet und mit Carbonbeton saniert. Die Carbonbetonentwicklung ist mit einem langzeitigen Wachstum in zahlreichen Branchen verbunden. Durch die enorme Breitenwirkung profitieren neben der Baubranche, vor allem die Chemie-, Maschinenbau- und Textilbranche in hohen Maße.

In welchen Bereichen kann Carbonbeton zum Einsatz kommen?

Eine Bewehrung aus Carbon ist korrosionsbeständig, leicht und frei formbar. Die Betondeckung, die die Bewehrung vor Korrosion schützen soll, ist bei Carbonbeton mit ca. 5 mm deutlich geringer als beim Stahlbeton, wo die Betondecken eine Dicke von bis zu 6 cm aufweist. Dadurch können äußerst dünne Bauteile und Sanierungsschichten realisiert werden. Bei Bauteilen mit einem hohen Anspruch an eine lange Lebensdauer kann Carbonbeton zum Einsatz kommen. Außerdem ist Carbon elektrisch leitend, wodurch multifunktionale Bauteile z. B. mit integrierter Heizung realisiert werden können.

Somit ist der innovative Baustoff überall dort einsetzbar, wo ressourcen- und energieeffiziente, langlebige, platzsparende und multifunktionale Bauweisen benötigt werden. Dies betrifft vor allem die gesamte Bandreite des Bauwesens und umfasst neben dem Hoch- ebenfalls den Tief- und Ingenieurbau.

Im Bereich des Neubaus findet Carbonbeton vornehmlich da Anwendung, wo eine Reduzierung des Gewichts oder der Bauteildicken sowie eine Erhöhung der Dauerhaftigkeit von Vorteil sind. Zu nennen sind beispielsweise Brückentragwerke, Brückenkappen, Fertigteilgaragen, Fassaden und Wände in Büro- und Wohngebäuden aber auch Deckenplatten in Parkhäusern.

Im Bereich der Sanierung wird Carbonbeton verwendet, wenn die Tragfähigkeit von Bauteilen erhöht werden soll und gleichzeitig eine geringe Schichtdicken, eine möglichst geringe Erhöhung des Bauteilgewichtes oder der Erhalt des Bauwerksvolumens gewünscht wird. Auch im Bereich des Denkmalschutzes, bei dem die Optik des Bauwerkes erhalten bleiben muss, kommt Carbonbeton zur Erhöhung der Tragfähigkeit zum Einsatz. Als Beispiel können die Sanierung von Brücken, Industrieanlagen und Gebäuden genannt werden. Sowohl Silowände, Kanäle, Deckenplatten, Stützen und Dächer von denkmalgeschützen Gebäuden wurden bereits saniert.

Wie viel Textil- und Carbonbeton wird in Deutschland verbaut?

Hierzu liegen bisher keine Erkenntnisse vor.


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