Einfaches neues Verfahren speichert Kohlendioxid in Beton, ohne dessen Festigkeit zu beeinträchtigen

Durch die Verwendung einer kohlensäurehaltigen (anstelle einer stillen) Lösung auf Wasserbasis während des Betonherstellungsprozesses hat ein Ingenieurteam unter der Leitung der Northwestern University eine neue Möglichkeit entdeckt, Kohlendioxid (CO2) in dem weit verbreiteten Baumaterial zu speichern.

Das neue Verfahren könnte nicht nur dazu beitragen, CO2 aus der sich immer weiter erwärmenden Atmosphäre zu binden, sondern führt auch zu Beton mit unveränderter Festigkeit und Haltbarkeit.

In Laborexperimenten erreichte das Verfahren eine CO2-Sequestrierungseffizienz von bis zu 45 %, was bedeutet, dass fast die Hälfte des bei der Betonherstellung eingespritzten CO2 aufgefangen und gespeichert wurde. Die Forscher hoffen, dass ihr neues Verfahren dazu beitragen kann, die CO2-Emissionen der Zement- und Betonindustrie auszugleichen, die verantwortlich für 8% der weltweiten Treibhausgasemissionen.

Die Studie war heute veröffentlicht In Kommunikationsmaterialieneine von Nature Portfolio herausgegebene Zeitschrift.

„Die Zement- und Betonindustrie trägt erheblich zu den vom Menschen verursachten CO2-Emissionen bei“, sagte Alessandro Rotta Loria von der Northwestern University, der die Studie leitete. „Wir versuchen, Ansätze zu entwickeln, die die mit diesen Industrien verbundenen CO2-Emissionen senken und Zement und Beton schließlich in riesige ‚Kohlenstoffsenken‘ verwandeln könnten. So weit sind wir noch nicht, aber wir haben jetzt eine neue Methode, um einen Teil des bei der Betonherstellung freigesetzten CO2 in genau diesem Material wiederzuverwenden. Und unsere Lösung ist technologisch so einfach, dass sie für die Industrie relativ leicht umzusetzen sein sollte.“

„Interessanter ist, dass dieser Ansatz zur Beschleunigung und Betonung der Karbonatisierung von zementbasierten Materialien die Möglichkeit bietet, neue klinkerbasierte Produkte zu konstruieren, bei denen CO2 zu einem Schlüsselbestandteil wird“, sagte Davide Zampini, Co-Autor der Studie und Vizepräsident für globale Forschung und Entwicklung bei CEMEX.

Rotta Loria ist Louis Berger Assistant Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Die Studie entstand in Zusammenarbeit zwischen Rotta Lorias Labor und CEMEX, einem globalen Baustoffunternehmen, das sich dem nachhaltigen Bauen verschrieben hat.

Einschränkungen bisheriger Verfahren

Beton ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Infrastruktur und nach Wasser einer der am meisten verbrauchten Rohstoffe der Welt. Um Beton in seiner einfachsten Form herzustellen, mischen Arbeiter Wasser, feine Zuschlagstoffe (wie Sand), grobe Zuschlagstoffe (wie Kies) und Zement, der alle Zutaten miteinander verbindet. Seit den 1970er Jahren haben Forscher verschiedene Möglichkeiten untersucht, CO2 in Beton zu speichern.

„Die Idee ist, dass Zement bereits mit CO2 reagiert“, erklärte Rotta Loria. „Deshalb absorbieren Betonstrukturen auf natürliche Weise CO2. Aber natürlich ist das absorbierte CO2 nur ein kleiner Bruchteil des CO2, das bei der Herstellung des zur Betonherstellung benötigten Zements freigesetzt wird.“

Verfahren zur CO2-Speicherung lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Karbonatisierung von gehärtetem Beton oder Karbonatisierung von frischem Beton. Bei der Methode mit gehärtetem Beton werden feste Betonblöcke in Kammern gelegt, in die CO2-Gas unter hohem Druck eingespritzt wird. Bei der frischen Variante spritzen Arbeiter CO2-Gas in die Mischung aus Wasser, Zement und Zuschlagstoffen, während der Beton hergestellt wird.

Bei beiden Ansätzen reagiert ein Teil des eingespritzten CO2 mit dem Zement und es bilden sich feste Kalziumkarbonatkristalle. Beide Techniken haben jedoch entscheidende Einschränkungen gemeinsam. Sie werden durch eine geringe CO2-Abscheidungseffizienz und einen hohen Energieverbrauch beeinträchtigt. Noch schlimmer: Der daraus resultierende Beton ist oft geschwächt, was seine Anwendbarkeit einschränkt.

Kompromisslose Stärke

Bei Northwesterns neuem Ansatz nutzten die Forscher den Karbonatisierungsprozess von Frischbeton. Doch anstatt CO2 beim Mischen aller Zutaten zu injizieren, injizierten sie CO2-Gas zunächst in Wasser, das mit einer kleinen Menge Zementpulver vermischt war. Nachdem sie diese karbonisierte Suspension mit dem restlichen Zement und den Zuschlagstoffen vermischt hatten, erhielten sie einen Beton, der während seiner Herstellung tatsächlich CO2 absorbierte.

„Die mit unserem Verfahren karbonisierte Zementsuspension ist eine Flüssigkeit mit viel geringerer Viskosität als die Mischung aus Wasser, Zement und Zuschlagstoffen, die üblicherweise bei aktuellen Verfahren zur Karbonatisierung von Frischbeton verwendet wird“, sagte Rotta Loria. „Wir können sie also sehr schnell mischen und eine sehr schnelle Kinetik der chemischen Reaktionen nutzen, die zu Kalziumkarbonatmineralien führen. Das Ergebnis ist ein Betonprodukt mit einer erheblichen Konzentration an Kalziumkarbonatmineralien im Vergleich zu dem Fall, bei dem CO2 in die Frischbetonmischung injiziert wird.“

Nach der Analyse ihres kohlensäurehaltigen Betons stellten Rotta Loria und seine Kollegen fest, dass seine Festigkeit der Haltbarkeit von normalem Beton ebenbürtig war.

„Eine typische Einschränkung von Karbonatisierungsmethoden ist, dass die Festigkeit oft durch die chemischen Reaktionen beeinflusst wird“, sagte er. „Aber basierend auf unseren Experimenten zeigen wir, dass die Festigkeit tatsächlich sogar noch höher sein könnte. Wir müssen das noch weiter testen, aber zumindest können wir sagen, dass es keine Kompromisse gibt. Da die Festigkeit unverändert bleibt, ändern sich auch die Anwendungen nicht. Es könnte in Balken, Platten, Säulen, Fundamenten verwendet werden – alles, wofür wir derzeit Beton verwenden.“

„Die Ergebnisse dieser Forschung unterstreichen, dass die Karbonatisierung von zementbasierten Materialien zwar eine wohlbekannte Reaktion ist, es aber durch ein besseres Verständnis der mit der Materialverarbeitung verbundenen Mechanismen noch Raum für eine weitere Optimierung der CO2-Aufnahme gibt“, sagte Zampini.

Die Studie „Speicherung von CO2 und gleichzeitige Stärkung von Beton durch Karbonatisierung des Zements in Suspension“ wurde von CEMEX Innovation Holding Ltd. unterstützt.