Beton ist nach Wasser der weltweit am häufigsten genutzte Baustoff der Welt. Durch die aufwendige Herstellung von Zement, dem wesentlichen Bestandteil von Beton, hat der Baustoff jedoch nur eine mäßige Energiebilanz. Daher suchen Forscher nach Additiven, die eine effizientere Produktion ermöglichen und zugleich die Materialeigenschaften verbessern. Ein erster Durchbruch ist nun mit der Verwendung von Vulkanasche gelungen.
In der Regel besteht der Baustoff Beton aus einem Gemisch von Zement, Wasser und einem sogenannten Zuschlag wie Kies oder Sand. Für die suboptimale Energiebilanz ist dabei vor allem der Zement verantwortlich. Denn bei der Herstellung werden Steine und Felsbrocken erst von Mühlen zermahlen, anschließend wird der pulverisierte Rohstoff noch chemisch und unter hohen Temperaturen weiterverarbeitet. „Auf die Produktion von herkömmlichem Zement entfallen weltweit gerechnet rund fünf Prozent der Kohlendioxidemissionen“, schätzt der am MIT forschende Co-Autor der Studie Oral Buyukozturk. Ziel des Projekts am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS) ist es deshalb, geeignete Ersatzmaterialien zu finden, um den Zementanteil in dem beliebten Baustoff Beton ohne Beeinträchtigung der Materialeigenschaften zu senken.
Natürliche Ersatzstoffe für Zement
Auf der Suche nach einem leicht zu bearbeitenden und weltweit verfügbaren Ersatz stießen die Wissenschaftler auf Vulkanasche – kristallisierte Mineralien mit einer Korngröße unter 2 mm. Diese wird auf eine Partikelgröße von 17 Mikrometer oder weniger zerkleinert und ersetzt den Zement in einem Verhältnis von zehn bis 50 Prozent. Ihr Vorteil ist unter anderem, dass sie in den meisten Erdteilen lokal zur Verfügung steht und keine aufwendige Nachbehandlung erfordert. Die Energiebilanz verbessert sich in erster Linie durch kurze Transportwege und dem Wegfall der hohen Temperaturen bei der Produktion.
Durch Vulkanasche in Beton überdurchschnittliche Belastbarkeit ohne Qualitätsverlust
In Untersuchungen stellte sich heraus, dass Beimischungen bis zu 50 Prozent ohne Qualitätsverlust möglich sind. Entscheidend für die Festigkeit ist dabei unter anderem die Partikelgröße. Je feiner der Mahlgrad der Vulkanasche, desto härter ist der daraus hergestellte Beton. Bei einem Durchmesser von sechs Mikrometer oder weniger stieg die Belastbarkeit überdurchschnittlich an. Die Wissenschaftler führen dies auf die größere Oberfläche zurück, an die sich Wasser und Zement chemisch binden. Nachteilig ist allerdings, dass kleinere Partikel einen feineren Mahlgrad benötigen und ihrerseits den Energieverbrauch in die Höhe treiben. Abseits von Spezialmischungen empfiehlt die Studie aus diesem Grund einen Durchschnitt von 17 Mikrometern. Dadurch reduziert sich der Energieaufwand nach ihren Berechnungen um rund 16 Prozent gegenüber reinem Zement.
Grundlagenforschung ermöglicht praktische Anwendung in naher Zukunft
Um dieses Einsparpotential genau zu bestimmen, nahm die Gruppe anschließend ein kleines Stadtviertel aus jeweils 13 Geschäfts- und Wohngebäuden in Kuwait unter die Lupe. Nach umfangreichen Vermessungen und der Kartografie mittels Drohnen kam sie zu dem Schluss, dass unter den lokalen Bedingungen 30 Prozent des Zements ohne Probleme durch Vulkanasche ersetzt werden könnte. Nach den praktischen Analysen widmen sich mehrere der beteiligten Autoren jetzt den Prozessen, die bei der chemischen Bindung eine Rolle spielen. Sie kündigten an, im Journal of Materials in Civil Engineering ein zweites Papier zu diesem Thema zu veröffentlichen. Diese Grundlagenforschung ermöglicht es Ingenieuren künftig, Beton mit einem Zusatz aus Vulkanasche für spezielle Anforderungen zu optimieren.
