Beton-Upcycling als CO2-Senke

Doppelter Nutzen: Alter Beton aus abgerissenen Gebäuden kann dabei helfen, das Treibhausgas Kohlendioxid zu binden – und gleichzeitig zu neuen Mauersteinen werden. Möglich wird dies durch eine Methode, bei der alter Beton zermahlen, mit Kohlensäure getränkt und unter CO2-Zufuhr schichtweise getrocknet wird. Das Material nimmt dabei CO2 auf und bildet einen festen, belastbaren Stein. Dieser kann verbaut und wiederholt recycelt werden, wie japanische Forscher berichten.

Zement und Beton gehören zu den wichtigsten Baumaterialien der Menschheit. Doch die Herstellung des Zements aus Kalkstein setzt enorme Mengen CO2 frei – sowohl durch die chemische Umwandlung des Calciumcarbonats (CaCo₃) in Calciumoxid (CaO) als auch durch die für das Kalkbrennen benötigten Öfen. Deshalb suchen Wissenschaftler schon länger nach Methoden, um Zement einzusparen, beispielsweise durch Beimischung von Abraum, Plastikabfällen oder Vulkanasche.

Betonalterung im Zeitraffertempo

Doch es gibt noch eine andere Möglichkeit, Zement und Beton klimafreundlicher zu machen – durch Upcycling. Ein Team um Ippei Maruyama von der Universität Tokio hat eine Methode entwickelt, durch die aus alten Betonabfällen wieder neue, stabile Bausteine entstehen. Das spart Zement und damit auch die bei dessen Ehrstellung freigesetzten Treibhausgase. „Der Beton in urbanen Gebäuden dient dabei als städtische Mine von Calciumoxid-Ressourcen“, so das Team.

Das Entscheidende jedoch: Dieses Beton-Recycling bindet CO2 aus der Luft oder Industrieabgasen – und wirkt so als Treibhausgassenke. Möglich wird dies, weil die Forscher für ihre Upcycling einen natürlichen Prozess nutzen: die chemische Alterung des Betons. Ist er längere Zeit feuchter Luft und CO2 ausgesetzt, kommt es zu einer Carbonatisierung – das Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) aus dem gelöschten Kalk des Betons reagiert mit dem Luft-CO2 wieder zu Calciumcarbonat.

Diese natürliche Alterung von Mörtel und Beton kann immerhin fast die Hälfte des bei der Zementherstellung freigesetzten CO2 wieder aufnehmen – allerdings dauert dies normalerweise viele Jahrzehnte. Maruyama und sein Team haben dies nun beschleunigt und so optimiert, dass ein belastbares Material entsteht.

So funktioniert das Upcycling

Für das Beton-Upcycling werden die Betonabfälle – im Test war dies Baumaterial eines abgerissenen Schulgebäudes – zunächst fein zermahlen. Dann wird diese Masse mindestens einen Monat lang immer wieder angefeuchtet und der Luft ausgesetzt. Die große Oberfläche des Pulvers fördert dabei die Carbonatisierung. „Schon nach sieben Tagen sind das Calciumhydroxid und die amorphen Phasen des Materials reduziert und der Anteil von Calciumcarbonat bis auf 35 Prozent erhöht“, berichten Maruyama und seine Kollegen.

Nun folgt der nächste Schritt: Das carbonatisierte Betonpulver wird schichtweise in Formen gefüllt, jeweils mit einer Hydrogencarbonat-Lösung getränkt und dann bei rund 80 bis 100 Grad unter hohem Druck getrocknet. Das Ergebnis ist dann ein fester Block, der noch einem Kompressions-Druck von bis zu 20 Megapascal standhält, wie die Forscher ermittelten. „Wir können diese Calciumcarbonat-Betonblöcke groß und stabil genug machen, um damit normale Häuser oder Pflaster zu bauen“, sagt Maruyama.

Doppelter Nutzen

Nach Ansicht der Forscher eröffnet ihre Methode damit die Chance, Betonabfälle zu recyceln und so Rohstoffe, Energie und Treibhausgase einzusparen. Gleichzeitig wird mit dieser beschleunigten Carbonatisierung CO2 aus der Luft oder Industrieabgasen entfernt, was ebenfalls dem Klimaschutz zugutekommt. Ein weiterer Vorteil: Der recycelte Beton kann später erneut zermahlen und zu neuen Blöcken gemacht werden, wie das Team erklärt.

„Wir versuchen so, Systeme zu entwickeln, die zur Kreislaufwirtschaft und einer CO2-Neutralität beitragen“, erklärt Maruyama. „In den nächsten Jahren möchten wir die Methode in einer Pilotanlage nutzen und testen, damit wir die Effizienz und industrielle Anwendbarkeit der Produktion optimieren können.“ Außerdem arbeitet das Team bereits daran, auch größere Bauelemente aus  seinem Upcycling-Beton zu fertigen. Bis 2030 soll ein erstes zweistöckiges Gebäude aus dem Material entstehen. (Journal of Advanced Concrete Technology, 2024; doi: 10.3151/jact.22.406)

Quelle: University of Tokyo