Portlandzement ist für rund sieben Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Für die Betonherstellung war er bislang unentbehrlich – und es wird viel mit Beton gebaut. Da ist es schnell klar, wo die Bauindustrie ansetzen muss, um ihre Klimabilanz zu verbessern. Schließlich wollen bzw. sollen wir bis 2050 klimaneutral werden, um die Klimaziele nicht zu gefährden. Zementfreier Beton könnte ein Teil der Lösung auf dem Weg dorthin sein. Was das ist und wie er funktioniert, erfahren Sie in diesem Beitrag.
Zementgebundener Beton ist heute noch die Regel, er ist allerdings äußerst klimaschädlich
Bevor wir zu den Alternativen zu Zement kommen, wollen wir uns einmal die Aufgabe des Bindemittels bei der Betonherstellung genauer anschauen:
Zement fungiert als optimales hydraulisches Bindemittel, das eine zuverlässige Aushärtung des Betons sicherstellt. Hauptbestandteile von Zement sind Kalkstein und Mergel, die erhitzt und anschließend zusammen mit verschiedenen Zusatzstoffen zu einem feinen Pulver verarbeitet werden. Diese spezielle Mischung zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, bei Wasserzugabe auszuhärten und anschließend dauerhaft fest zu bleiben.
Allerdings entsteht bei der Herstellung von Zement, insbesondere durch das Erhitzen, jede Menge klimaschädliches CO2. Die Zementindustrie versucht durch neue Herstellungsmethoden die CO2-Emissionen zwar zu verringern, noch besser ist es jedoch, wenn bei der Betonherstellung gar keine klimaschädlichen Treibhausgase mehr entstehen. Mit zementfreiem Beton wäre man einen großen Schritt weiter.
Alternativen zu zementgebundenem Beton
Nicht nur Zement ist ein leistungsfähiges Bindemittel für Beton, auch Polymer- und Geopolymerbetone zeigen dies eindrucksvoll. Je nach Zusammensetzung, Hersteller und Einsatzgebiet werden diese Materialien auch als Reaktionsharzbeton oder Mineralguss bezeichnet. Diese Begriffe weisen auf die Verwendung nichthydraulischer Bindemittel hin. Darüber hinaus arbeiten einige Hersteller aktiv an der Entwicklung praxistauglicher Alternativen zu den sonst üblichen mineralischen Bestandteilen.
Viele mögliche Zusammensetzungen
Beton ist ein Gemisch aus körnigen Bestandteilen und einem flüssigen Bindemittel, das aushärtet. Vor diesem Hintergrund gewinnen neben Alternativen zu Zement auch Alternativen zu mineralischen Rohstoffen zunehmend an Bedeutung. Das Ergebnis ist sogenannter Polymerbeton.
Unter dem Begriff Polymerbeton werden Baustoffe zusammengefasst, die in ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften dem mineralischen Beton sehr ähnlich sind. Die verwendeten Bindemittel und Füllstoffe – also die Gesteinskörnung – können jedoch je nach Hersteller und Anwendungsgebiet variieren und aus ganz unterschiedlichen Materialien bestehen.
Bindemittel im zementfreien Beton
In der Regel machen die Bindemittel weniger als 20 % des Betons aus, oft sogar nur zwischen 5 und 15 %. Für Polymerbeton werden härtbare Harze als Bindemittel verwendet, die als Reaktionsharze bekannt sind. Diese basieren meist auf Rohöl und umfassen gängige Typen wie Epoxidharze, Polyurethane und ungesättigte Polyesterharze. Letztere können sogar aus recycelten PET-Flaschen hergestellt werden. Diese Kunstharze bestehen aus mindestens zwei reaktiven Komponenten: dem Harz und dem Härter. Beim Mischen dieser Komponenten entsteht eine Masse, die zu einem duroplastischen Kunststoff aushärtet.
Geopolymere hingegen basieren häufig auf Metakaolin, d. h. kalziniertem Ton mit einem hohen Kaolingehalt. Auch andere Sekundärstoffe aus Industrie und Bergbau wie Reisasche, Silikastaub oder Rotschlamm können verwendet werden. Diese reaktiven alumosilikatischen Komponenten werden mit einer stark alkalischen Aktivierungslösung, meist einem Alkalihydroxid oder Wasserglas, gemischt. Dabei entsteht ein dreidimensionales alumosilikatisches Polymernetzwerk, das als Bindemittel aushärtet. Der Begriff „Geo“ soll auf die Ähnlichkeit dieser Polymernetzwerke mit geologischen Gesteinen und Mineralien hinweisen.
Füllmaterialien bei zementfreiem Beton
Was die Füllmaterialien betrifft, so können bei Polymer- und Geopolymerbetonen ebenso wie bei zementgebundenen Betonen mineralische Materialien wie Kies, Sand, Split und Quarz verwendet werden. Diese werden üblicherweise in Steinbrüchen abgebaut oder aus Flussbetten und Stränden gewonnen. Es wird jedoch auch die Verwendung alternativer Materialien erforscht.
Wüstensand, dessen Körner für herkömmlichen Beton zu fein und rund sind, kann beispielsweise in Polymerbeton integriert werden. Abhängig von der genauen Zusammensetzung des Bindemittels können auch verschiedene recycelte Füllmaterialien verwendet werden, wobei insbesondere aufbereiteter Bauschutt, wie zerkleinerter Altbeton, von wachsendem Interesse für die Forschung ist.
Eigenschaften und Einsatzgebiete von Polymerbeton
Durch die Verwendung von Reaktionsharzbindemitteln zeichnen sich Polymerbetone durch eine hohe Festigkeit aus. Dies ermöglicht schlankere Betonbauteile, wodurch Material eingespart werden kann. Zudem härten Polymerbetone schneller aus, was sie besonders für zeitkritische Sanierungsprojekte an Straßen und Brücken interessant macht. Die Gewichtsreduzierung durch den Einsatz von Kunststoffen ist besonders bei auskragenden Bauteilen wie Balkonen und Außentreppen von Vorteil. Ihre glatten, porenarmen Oberflächen sind zudem witterungs- und wasserbeständig und wenig anfällig für Algen- und Moosbewuchs.
Polymerbetone sind außerdem beständig gegen Säuren, Öle, Salze und Benzin, was sie zu einem idealen Material für Rohr- und Rinnensysteme macht. Im Vergleich zu zementgebundenem Beton sind sie elastischer und können Vibrationen besser absorbieren, was sie für Produktionsanlagen, insbesondere für Maschinengestelle und Fundamente, interessant macht. In Südafrika werden Wohnhäuser bereits standardmäßig aus Polymerbetonsteinen gebaut. Obwohl diese Steine in Europa noch nicht zugelassen sind, gibt es bereits Testgebäude, unter anderem in Frankreich und Deutschland.
Geopolymerbasierte Betone weisen verbesserte Dauerhaftigkeitseigenschaften auf, darunter eine erhöhte Säure- und Sulfatbeständigkeit sowie eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit. Da sowohl Polymere als auch Geopolymere chemisch aushärten und ohne Zementklinker auskommen, ist ihre Herstellung energieeffizienter als die von Zement, der bei Temperaturen von bis zu 1450 Grad Celsius gebrannt wird.
Aus Hochofenschlacke lässt sich Hüttensand und daraus wiederum zusammen mit Flugasche ein Zementersatz herstellen
Konkrete Beispiele für die Verwendung von zementfreiem Beton
Weltweit wird derzeit an zementfreiem Beton geforscht, einige der Forschungen führten bereits zu konkreten Projekten. Einige davon stellen wir Ihnen an dieser Stelle vor.
Tiny House in Beckum
Im August 2023 wurde in Beckum das erste Gebäude aus zementfreiem Beton mittels 3D-Drucktechnologie fertiggestellt. Für dieses Projekt kam der spezialisierte 3D-Trockenmörtel MC-PowerPrint GeCO₂ zum Einsatz. Dieses Material besticht durch seine gute Pumpfähigkeit sowie die erforderliche Thixotropie und Standfestigkeit. Diese Merkmale erlauben es nach Auskunft des Herstellers, mehrere Druckschichten ohne Verformungen durch das Eigengewicht übereinander zu platzieren, was zu einem ästhetisch ansprechenden und gleichmäßigen Druckergebnis führt.
Anstelle von konventionellem Zement verwendet MC-PowerPrint GeCO₂ ein innovatives Bindemittelsystem, das auf einer Mischung aus additiviertem Hüttensand und Flugasche basiert. Kai Markiefka, Produktmanager bei MC, betont die ökologischen Vorteile: „Insgesamt können durch den Einsatz von alternativen Bindemitteln, die auf industriellen Nebenprodukten basieren, ca. 70 Prozent der CO2-Emissionen im Vergleich zu zementösen Mörtelprodukten eingespart werden“
Das texanische Start-up Hive3D hat zusammen mit seinen Partnern Eco Material und Green Cement einen CO2-armen Mörtel für den 3D-Druck entwickelt. Die innovative Mischung soll den CO2-Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichem Mörtel um 93 Prozent reduzieren und gleichzeitig kostengünstiger und widerstandsfähiger sein.
Anstelle von Portlandzement auf Kalkbasis, der bei der Herstellung große Mengen CO2 freisetzt, verwendet Hive3D Puzzolan als Bindemittel. Dieses Geopolymer wurde bereits von den alten Römern verwendet und wird heute aus vulkanischen Ablagerungen oder industriellen Nebenprodukten wie Flugasche aus Kohlekraftwerken und Hüttensand aus Stahlwerken hergestellt. Allerdings reagiert Flugasche in ihrem ursprünglichen Zustand nicht wie Zement und muss daher vor der Verwendung als Bindemittel modifiziert werden.
Fertigbauteile aus Finnland
Das finnische Unternehmen Carbonaide plant, künftig Fertigteile aus zementfreiem Beton herzustellen. In einer Pilotanlage werden bereits zementfreie Pflastersteine hergestellt. Anstelle von Zement verwendet Carbonaide eine Mischung aus Hochofenschlacke, Grünlauge, die als Nebenprodukt bei der Zellstoffherstellung anfällt, und Bioasche aus Holzheizkraftwerken. Diese Zutaten werden zu einer Masse vermischt und in Formen gegossen.
Beim Aushärten wird zusätzlich CO₂ gebunden und durch einen Karbonatisierungsprozess verfestigt. Pro Kubikmeter des fertigen Materials werden so 60 Kilogramm CO₂ aus der Atmosphäre entfernt. Damit geht das Verfahren über die Klimaneutralität hinaus und reduziert aktiv die Menge an CO₂-Emissionen. Bei großflächiger Anwendung könnte diese Innovation einen wirksamen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels leisten.
Zementfreies Kanalsystem aus Deutschland
Das deutsche Unternehmen next.beton, das von mehreren Akteuren aus der Baubranche unterstützt wird, produziert seit einigen Jahren vollständig zementfreie Kanalsysteme. Laut Herstellerangaben wird der CO2-Fußabdruck im Vergleich zu konventionellen Kanalsystemen um bis zu 70 Prozent gesenkt. Bei der Herstellung von next.beton kommt ein Geopolymer-Bindemittel zum Einsatz, das durch die chemische Aktivierung von zwei industriellen Abfallprodukten, nämlich Hochofenschlacke und Flugasche, gewonnen wird.
Dieser zementfreie Beton weist in einigen Aspekten sogar bessere Eigenschaften als herkömmliche Betonsorten auf:
Hohe chemische Beständigkeit gegenüber Säuren und anderen aggressiven Substanzen
Vollständige Sulfatbeständigkeit
Geringe Schrumpfung und minimale thermische Ausdehnung
Außergewöhnliche Hitze- und Brandbeständigkeit
Zementfreie Beton aus Erde und Lehm
Das Team um Dr. Gnanli Landrou, Gründer des ETH-Spin-offs Oxara, hat einen zementfreien Beton namens „Cleancrete“ entwickelt: Erde. Der umweltfreundliche Beton besteht aus Aushubmaterial oder lehmhaltiger Erde direkt von der Baustelle, Wasser und einer speziell entwickelten chemischen Zusammensetzung namens Oxacrete.
Oxacrete macht weniger als ein Prozent der gesamten Betonmasse aus und dient als Verflüssiger für den Lehm, der das eigentliche Bindemittel darstellt. Da bei jedem neuen Bauprojekt Erdaushub anfällt, spart Cleancrete sowohl Kosten als auch CO2-Emissionen. Der minimale Arbeitsaufwand für die Aufbereitung der Rohstoffe trägt ebenfalls zur positiven CO2-Bilanz und Kosteneffizienz bei. Das Oxara-Team schätzt, dass bis zu 20 Prozent der Baukosten eingespart werden können, wenn nichttragende Elemente wie Wände mit Cleancrete statt mit herkömmlichem Beton ausgegossen werden.
Zementfreier Beton dank Alkohol
Forscher des Institute of Industrial Science der Universität Tokio haben kürzlich eine innovative Methode zur Bindung von Sandpartikeln vorgestellt, die ganz ohne Zement auskommt. Professor Yuya Sakai und sein Team haben herausgefunden, dass sie aus Sand Trialkoxysilane herstellen können, indem sie eine Reaktion mit Alkohol und einem Katalysator initiieren und das dabei entstehende Wasser als Nebenprodukt entfernen.
Diese scheinbar einfache chemische Reaktion ist das Ergebnis jahrelanger Forschung. Um ein Material mit ausreichender Festigkeit zu erhalten, mussten optimale Reaktionsbedingungen gefunden werden. Dazu gehören die genaue Abstimmung der Mengenverhältnisse von Sand, Alkohol, Katalysator und Entwässerungsmittel sowie die richtige Erhitzungstemperatur und Reaktionszeit.
Nach Angaben der Wissenschaftler ist es mit dieser Methode gelungen, mechanisch stabile Baustoffkomposite aus verschiedenen Sandarten herzustellen, darunter Quarzsand, Glasperlen und sogar Wüstensand. Besonders bemerkenswert ist die Möglichkeit, Wüstensand zu verwenden, der wegen seiner runden Körnung bisher kaum als Baustoff eingesetzt werden konnte.
Kann zementfreier Beton das Klima retten?
Zementfreier Beton stellt eine revolutionäre und nachhaltige Alternative zu herkömmlichem Beton dar. Durch die Verwendung von innovativen Bindemitteln und Materialien, die oft aus industriellen Nebenprodukten oder lokal verfügbaren Ressourcen stammen, bietet zementfreier Beton eine Reihe von ökologischen und technischen Vorteilen.
Er ermöglicht nicht nur eine signifikante Reduzierung des CO2-Fußabdrucks, sondern bietet auch verbesserte mechanische und chemische Eigenschaften, wie etwa höhere Festigkeit, Säurebeständigkeit und thermische Stabilität. Verschiedene Unternehmen und Forschungsinstitute weltweit arbeiten an der Weiterentwicklung und Anwendung dieser vielversprechenden Technologie, die das Potenzial hat, die Baubranche zu transformieren und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Inwieweit zementfreier Beton das Klima retten kann, bleibt jedoch abzuwarten.
Nach einem Bauingenieurstudium und einer Ausbildung zum Online-Redakteur folgten 10 Jahre als bautechnischer Redakteur bei einer Internet-Agentur. Dort hat er zum Beispiel ein Baulexikon mit über 15.000 Begriffen aufgebaut, das zeitweise auch von OBI genutzt wurde. Eine Auskopplung davon mit speziellen Begriffen rund um den Fertighausbau ist noch auf fertighaus.de zu finden.
Es folgten 10 Jahre als Webtexter beim wohl größten Bad-Onlinshop Deutschlands. Dort war er dafür zuständig, dass die Seite für alle Begriffe rund ums Badezimmer (und Leuchten) gut bei Google rankt. Außerdem war er dort verantwortlicher Redakteur für das Magazin.
Aktuell arbeitet er als Content-Manager beim VDI Verlag. Dort kümmert er sich um all die technischen Themen, die Ingenieure interessiert.
Seit 2012 betreibt er bauredakteur.de und schreibt hier über Themen rund um Bauen, Wohnen, Einrichten und Garten.
