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Donnerstag, 16.08.2018
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Vulkanasche macht Beton "grüner"

Austausch von Zementanteilen gegen Asche senkt Energieverbrauch

Nach dem Rezept der Römer: Beton könnte durch die Beimischung von Vulkanasche stabiler und gleichzeitig umweltfreundlicher werden. Ersetzt man Teile des Zements durch gemahlenes Vulkangestein, verringern sich Energiebedarf und CO2-Ausstoß für die Herstellung des Baumaterials um fast 20 Prozent, wie Forscher ermittelt haben. Ein weiterer Vorteil: Ablagerungen von Vulkanasche gibt es in vielen Gegenden Welt reichlich.
Asche aus Vulkanausbrüchen eignet sich als klimafreundliches Baumaterial - wenn es dem Beton als Ersatz für Zement beigemischt wird.

Asche aus Vulkanausbrüchen eignet sich als klimafreundliches Baumaterial - wenn es dem Beton als Ersatz für Zement beigemischt wird.

Beton und sein Hauptbestandteil Zement sind einer der wichtigsten Baustoffe der Menschheit. Kaum ein anderes Material wird so häufig verbaut. Doch der Zement hat eine Schattenseite: Beim Brennen des Kalksteins werden enorme Mengen Kohlendioxid (CO2) frei, gleichzeitig benötigt dies große Mengen Energie. Schätzungen zufolge gehen deshalb rund fünf Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes allein auf das Konto der Zementproduktion.

Weltweit suchen Forscher daher nach Wegen, um Beton umweltfreundlicher zu machen. Besonders vielversprechend erscheint dabei der Ersatz zumindest eines Teils des Zements durch alternative Baustoffe. So kann beispielsweise die Beimischung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Beton stabiler machen und sogar zerkleinerter Plastikmüll kommt als Alternative in Frage.

Römer-Rezept im Test


Von den
Römern abgeschaut haben sich dagegen Forscher um Kunal Kupwade-Patil vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ihre Alternative. Schon vor 2.000 Jahren mischten die antiken Baumeister ihrem Zement und Beton vulkanische Asche bei, um die Haltbarkeit und Wasserbeständigkeit ihrer Bauten zu erhöhen. Ob der Römer-Beton jedoch auch in Bezug auf seine CO2-Emission und den Energieverbrauch Vorteile bringt, war bisher unbekannt.


Der Zementanteil im Beton benötigt für seine Produktion große Mengen an Energie.

Der Zementanteil im Beton benötigt für seine Produktion große Mengen an Energie.

Um das herauszufinden, haben die Forscher verschiedene Beton-Rezepte mit Vulkanasche getestet. Sie zermahlten dafür das Aschengestein zu unterschiedlich feinem Pulver und ersetzten damit zwischen 30 und 50 Prozent des Zements in ihrem Beton. In Belastungstests ermittelten sie anschließend die Stabilität des Baustoffs und errechneten, wie viel Energie und CO2 die Herstellung "kostet".

Kleinerer Energie-Fußabdruck


Das Ergebnis: Wie schon bei den Römern wirkte sich die Vulkanasche positiv auf die Stabilität des Betons aus: Je feiner die Asche dabei gemahlen war, desto fester und belastungsbeständiger war der Beton. Allerdings: Mit dem feineren Mahlgrad steigt auch der Energieverbrauch bei der Herstellung. Doch selbst dann verbessert der Austausch von Zementanteilen gegen Vulkanasche insgesamt die Energiebilanz des Betons.

Im Test sank der Energie-Fußabdruck um 16 Prozent, wenn 40 Prozent des Zements durch fein gemahlene Vulkanasche ersetzt wurde. "Die Zementproduktion verbraucht eine Menge Energie, weil man hohe Temperaturen benötigt und es ein mehrschrittiger Prozess ist", erklärt Stephanie Chin vom MIT. "Vulkanasche aber bildet sich schon bei großer Hitze und hohem Druck – die Natur nimmt uns die nötigen chemischen Reaktionen gewissermaßen schon ab."


Vulkanasche im Elektronenmikroskop

Vulkanasche im Elektronenmikroskop

Klappt auch bei ganzen Wohnblocks


Was diese Einsparungen auf der Ebene ganzer Gebäude und Wohnblocks bedeuten, haben die Forscher am Beispiel eines Stadtviertels in Kuweit untersucht. Für die 13 Wohnhäuser und 13 Geschäftsgebäude ermittelten sie die Menge an verbautem Beton und errechneten die Energiebilanz dafür. Dann testeten sie mithilfe von Modellrechnungen, wie sich der für das Baumaterial benötigte Energie verändern würde, wenn man bis zu 50 Prozent des Zements durch die gemahlene Vulkanasche ersetzen würde.

Das Resultat: Die im Labor ermittelten Energieeinsparungen lassen sich auch auf reale Bedingungen und die Größenordnung ganzer Gebäude und Stadtviertel übertragen. Bei den 26 Gebäuden wäre den Angaben der Forscher rund 16 Prozent weniger Energie nötig gewesen, wenn bis zu der Hälfte des Zements gegen Vulkanasche ausgetaucht worden wäre. Demnach könnte durch das "Römer-Rezept" beim Bauen einiges an Energie und damit CO2-Emissionen eingespart werden.

Hinzu kommt: Gesteinsformationen aus alter Vulkanasche gibt es in vielen Gegenden der Erde – sowohl an noch aktiven Vulkanen als auch an Orten urzeitlicher Vulkanaktivität. Weil dieses Material bisher kaum genutzt wird, wäre es reichlich vorhanden und vergleichsweise günstig. (Journal of Cleaner Production, 2018; doi: 10.1016/j.jclepro.2017.12.234)
(Massachusetts Institute of Technology, 12.02.2018 - NPO)
 
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