Nachhaltiger Beton aus dem Drucker
Ein europäisches Forschungsteam mit Beteiligung der Empa setzt auf intelligente Formen, digitale Fertigung und alternative Bindemittel – statt immer mehr Beton und Stahl zu verbauen.
@empa
Das Ziel: ein klimafreundlicher Baustoff, der filigran und dennoch stabil ist – und sich per 3D-Druck massgefertigt herstellen, wieder zerlegen und neu verwenden lässt.
Mit möglichst wenig Masse, ohne aufwändige Stahlbewehrung und ohne Zement wollen Forschende der Empa, der ETH Zürich und weiterer europäische Partner das Bauen mit Beton grundlegend verändern. Im EU-Projekt «CARBCOMN» werden Betonbauteile zudem so gestaltet, dass sie nach der Nutzung leicht demontiert und an anderer Stelle wiederverwendet werden können. «Zum einen nutzen wir digitale Fertigungsmethoden, um ressourcenschonend zu bauen. Zum anderen ersetzen wir herkömmlichen Zement durch Bindemittel mit geringerem CO₂-Fussabdruck», sagt Empa-Forscher Moslem Shahverdi. Statt Zement kommt beispielsweise Stahlschlacke zum Einsatz – ein Nebenprodukt der Stahlindustrie.
Stabilität durch Form statt durch Material
Der Beton im «CARBCOMN»-Projekt besteht nur aus Industrieabfällen und wird per 3D-Druck zu Bauteilen geformt, die später zu tragenden Strukturen zusammengesetzt werden. Statt konventioneller Stahlbewehrung nutzt das Konsortium «compression dominant structures». «Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung», erklärt Shahverdi. Daher entwickeln die Forschenden Strukturen, die hauptsächlich auf Druck beansprucht werden – ähnlich historischen Steinbrücken mit Bögen.
Leichtere Elemente reduzieren nicht nur den Materialverbrauch, sondern auch die seismische Belastung proportional zum Gewichtsverlust – ein entscheidender Vorteil in erdbebengefährdeten Regionen. «Selbst zehn Prozent weniger Gewicht bedeuten viel», sagt Shahverdi.
Chirurgisch eingesetzte Stahlbewehrung
Stahlbewehrungen werden nur dort eingesetzt, wo nötig. Die Empa nutzt dafür eisenbasierte Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA). Diese vorgedehnten Metalle ziehen sich beim Erhitzen zusammen und versetzen Bauteile nachträglich unter Spannung. «Wir arbeiten seit rund 20 Jahren mit solchen Legierungen», sagt Shahverdi. Das Empa-Spin-off re-fer bringt seine Expertise ebenfalls ins «CARBCOMN»-Konsortium ein.
Klassische Spannstahlbewehrungen müssen aufwändig vorgespannt werden; Formgedächtnislegierungen hingegen werden unkompliziert nach dem Druck in den Beton eingefügt.
CO₂ als Härtemittel
Nach dem 3D-Druck werden die Betonbauteile in eine Kammer gebracht und dort CO₂ ausgesetzt. Das Kohlendioxid reagiert chemisch mit der stahlschlackenbasierten Betonmischung, wodurch der Beton gehärtet und gleichzeitig CO₂ gebunden wird. Das Forschungsteam arbeitet daran, die Festigkeit durch eine optimierte Betonmischung zu erhöhen. Falls dies nicht ausreicht, könnte ein geringer Zementanteil beigefügt werden. Shahverdi ist überzeugt, dass dies bereits für normale Anwendungen im Tiefbau eine geeignete Grundlage darstellt.
