Kreislauffähige Betonfertigteile aus Geopolymerbinder für ressourcenschonende Quartiersinfrastrukturen und Bauelemente
Projektdurchführung
Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Fraunhofer Str. 10
83626 Valley
Zielsetzung
Im Fokus des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Vorhabens stand die Entwicklung und Validierung zukunftsweisender Baustofflösungen. Angesichts der ökologischen Herausforderungen im Bauwesen zielte das Projekt darauf ab, den CO₂-Fußabdruck urbaner Infrastrukturen signifikant zu senken und geschlossene Stoffkreisläufe zu etablieren. Der technologische Kernansatz lag in der Substitution des mineralischen Bindemittelsystems: Anstelle des emissionsintensiven Portlandzements kam ein alternatives System auf Basis von kalziniertem Ton und einer alkalischen Aktivatorlösung zum Einsatz. Als Demonstratorbauteil für die praktische Anwendbarkeit in der Quartiersinfrastruktur wurde eine Bodenplatte gewählt. Diese dient als Referenz für eine breite Palette an Stadtmöblierungselementen, die im öffentlichen Raum mechanischen sowie witterungsbedingten Belastungen ausgesetzt sind. Um dem Anspruch der Ressourcenschonung gerecht zu werden, wurde der Materialmatrix regionale Recycling- Gesteinskörnung zugegeben. Zudem wurde der Ansatz des „Carbon Capture“ durch die Integration von Pflanzenkohle (Biokohle) verfolgt. Letztere fungiert als dauerhafte Kohlenstoffsenke im Bauteil und verbessert – vorbehaltlich der normtechnischen Anerkennung – die ökologische Gesamtbilanz des Werkstoffs. Die Kreislauffähigkeit wurde über die reine Nutzungsphase hinaus betrachtet.
Arbeitsschritte
1. Anforderungsdefinition und Konzeption (AP 1)
In der ersten Phase wurden die theoretischen Grundlagen und Zielvorgaben für die Fundamentplatte festgelegt:
• Festlegung technischer Standards: Definition von Lastanforderungen, Umwelteinflüssen und optischen Kriterien (Farbe, Oberfläche) gemäß DIN EN 1339.
• Nachhaltigkeitsstrategie: Analyse von Kreislaufwirtschaftsansätzen mit Fokus auf die Wiederverwertung von Materialien als Zuschläge und die Minimierung des CO2-Fußabdrucks.
2. Materialentwicklung und Validierung (AP 2)
Dieser Kernbereich umfasst die chemische und physikalische Entwicklung des Baustoffs:
• Mischungsentwurf: Entwicklung eines Geopolymer-Materials (Metakaolin + Aktivator) als nachhaltige Alternative zu Zement.
• Probenherstellung: Fertigung von Testkörpern in Schalungen unter Dokumentation der Herstellungsparameter.
• Strukturelle Belastungstests: Durchführung von Biegezugfestigkeits- und Bruchlasttests an Platten gemäß DIN EN 1339.
• Dauerhaftigkeitsprüfungen: Bestimmung der Wasseraufnahme und Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstands an Probekörpern. Spezielle Säuretests und mikromechanische Analysen via Nanoindentation.
• Ökobilanzierung: Durchführung einer Lebenszyklusanalyse (LCA) zur Quantifizierung des Global Warming Potential (GWP).
3. Prototypenbau und industrielle Skalierung (AP 3)
Hier erfolgte der Transfer vom Labor in die Fertigung:
• Industrielle Rezeptur: Erstellung einer detaillierten Anleitung für die Produktion in Betonfertigteilwerken.
• Qualitätssicherung: Implementierung eines Überwachungskonzepts und Durchführung von Stichprobenkontrollen während der Herstellung der großformatigen Prototyp-Platten.
4. Integration von Befestigungssystemen (AP 4)
Um die Nutzbarkeit der Platten für Quartiersinfrastrukturen zu gewährleisten, wurden Ankerpunkte entwickelt:
• Anker-Analyse: Bestimmung der Lastanforderungen für die Befestigung zusätzlicher Bauteile.
• Kompatibilitätsprüfung: Auswahl und Integration von Ankern in die Geopolymer-Matrix sowie Untersuchung der Maßhaltigkeit im Schalungsprozess.
• Tragfähigkeitstests: Ermittlung der erforderlichen Zugkräfte und der seitlichen Belastbarkeit der Ankerpunkte.
5. Verwertung und Ergebnistransfer (AP 5)
Der letzte Schritt dient der Fachkommunikation:
• Dokumentation: Erstellung von Informationsmaterial und Bildmaterial.
• Kommunikation: Verbreitung der Ergebnisse in der Fachwelt
Ergebnisse
Das Fraunhofer IBP entwickelte im Rahmen des Projekts zwei zementfreie Geopolymer-Rezepturen, die vollständig bei Raumtemperatur ohne thermische Aktivierung aushärten. Die technologische Basis bildet ein Bindemittelsystem aus Metakaolin und einer alkalischen Kalium-Wasserglas-Lösung, das durch Quarzsande und Kiese ergänzt wird. Ein zentrales Innovationsmerkmal ist die Integration von Pflanzenkohle (Biokohle), die im Bauteil als dauerhafte Kohlenstoffsenke dient. Es wurde zudem die Ressourcenschonung durch den Einsatz von rezykliertem Betonbrechsand gesteigert, was gleichzeitig die Verarbeitbarkeit optimierte.
Hinsichtlich der Performance zeigten die Ergebnisse, dass der Geopolymerbeton technisch gut mit konventionellen Baustoffen konkurrieren kann. Das Material erreichte Mittelwerte der Druckfestigkeit von ca. 48 MPa, was der Festigkeitsklasse eines C40/50-Betons entspricht. Besonders hervorzuheben ist die progressive Frühfestigkeit, bei der bereits nach 48 Stunden rund 86 % der Endfestigkeit erreicht wurden. Die für Bodenplatten kritische Biegezugfestigkeit lag mit 5 bis 6 MPa deutlich über der normativen Anforderung von 4 MPa gemäß DIN EN 1339. Zudem wies das System in hausinternen Tests eine hohe chemische Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren auf.
Die Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse verdeutlichen den massiven Einfluss der Biokohle. Während das entwickelte Geopolymer rein materialseitig einen GWP-Wert von etwa 124 kg CO₂-Äquivalenten aufweist, was bereits einem sehr guten Wert entspricht, reduziert sich dieser bei voller Anrechnung der Pflanzenkohle als Kohlenstoffsenke auf beachtliche ~70 kg CO₂-Äquivalente. Im Vergleich zu konventionellen zementären Systemen auf Basis von CEM III, welche ebenfalls mit Biokohle versetzt werden können, ist davon auszugehen, dass mit dem Geopolymerbinder eine um ca. 30–40 % bessere ökologische Bilanz erreicht wurde.
Der entscheidende Mehrwert dieser Technologie offenbart sich jedoch in ihrer Funktionalität. Neben bekannten Vorzügen wie schneller Frühfestigkeit und hoher Chemikalienbeständigkeit, zeigt das Eigenschaftsprofil signifikante Vorteile in thermisch anspruchsvollen Szenarien. Sowohl bei dauerhaft hohen Umgebungstemperaturen als auch im akuten Brandfall weist die Geopolymer- Matrix eine thermische Stabilität auf, an der klassische zementäre Bindemittel oft scheitern. Dennoch haben die Untersuchungen, v.a. die Ergebnisse der Frost-Tau-Versuche, auch gezeigt, dass der Weg zur Serienreife Detailarbeit erfordert.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Ergebnisse wurden auf mehreren Veranstaltungen und Workshops gezeigt, u.a. 7. BIM-Salon der Bayerischen Architektenkammer, 3. Jahresveranstaltung des Strategiedialogs "Wohnen und Bauen" Baden-Württemberg.
Fachliche Publikationen sind derzeit in Vorbereitung.
Fazit
Das Vorhaben erbrachte den Nachweis, dass zementfreie Bindemitteltechnologien in der Lage sind, technische Standards sowie Anforderungen der Kreislaufwirtschaft vollumfänglich zu erfüllen. Der erfolgreiche Transfer vom Labormaßstab zur Fertigung einer großformatigen Prototyp-Platte (~1 m²) unter realen Bedingungen bestätigte zudem die Verarbeitbarkeit des Materials in bestehenden Betonfertigteilwerken.
Mit dieser Arbeit wurde die Basis für eine neue Generation nachhaltiger Baustoffe weiter ausgebaut und die Potenziale validiert. Nun gilt es, die identifizierten Stellschrauben in der Weiterentwicklung konsequent zu nutzen, um diese Technologie in die breite Baupraxis zu überführen.