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    Research | Forschung & Entwicklung

    Im Blitzgewitter: So wird Beton recyclingfähig

    Jedes Jahr fallen mehrere Millionen Tonnen Bauschutt an. Ein effizientes Recycling von Beton – dem Baustoff des 20. und 21. Jahrhunderts – existiert bislang jedoch noch nicht. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik arbeiten an einem neuen Recyclingverfahren: Mithilfe von Blitzen zerlegen sie das Gemisch aus Zementstein und Gesteinskörnung in seine Einzelbestandteile.

    Forscher am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP haben ein Verfahren entwickelt, das Beton in seine Bestandteile zerlegt. Die erhaltenen Kornfraktionen werden nach der Fragmentierung getrocknet und gesiebt. Foto: Fraunhofer IBP

    Beton ist unglaublich vielseitig und der meistverwendete Baustoff der Welt. Er wird aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung, einer Mischung aus Kies oder Kalksplitt in unterschiedlichen Größen, hergestellt. Allerdings sind die CO2-Emissionen nicht unproblematisch, die vor allem bei der Zementherstellung entstehen: Die Produktion von einer Tonne gebranntem Zementklinker aus Kalk und Ton setzt 650 bis 700 Kilogramm Kohlendioxid frei. So gehen jährlich 8 bis 15 Prozent der weltweiten CO2-Produktion auf das Konto der Zementherstellung. Auch beim Recycling von Altbeton gibt es noch keine perfekte Methode, um den Stoffkreislauf zu schließen. Allein in Deutschland betrug die Abfallmenge im Jahr 2010 fast 130 Millionen Tonnen.

    Erste Versuche führten die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik mit kleinen Betonprüfkörpern durch. Foto: Fraunhofer IBP

    Von den Betonprüfkörpern sind nur noch Kleinteile übrig geblieben. Foto: Fraunhofer IBP

    "Das ist ein riesiger Materialfluss, aber es gibt momentan kein effektives Recycling-Verfahren für Betonabbruch", erklärt Dr. Volker Thome vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP aus der Gruppe der Betontechnologie in Holzkirchen. Zurzeit wird Altbeton unter enormer Staubentwicklung zerschreddert. Die Gesteinsbrocken landen bestenfalls als Belag unter der Straße. "Das ist Downcycling", so Thome, also lediglich die Wiederverwertung von Rohstoffen, deren Qualität sich von Vorgang zu Vorgang verschlechtert. Gelänge es hingegen, die Gesteinskörnung von der Zementsteinmasse zu trennen, könnte der Kies als Zusatz bzw. Zuschlag wieder problemlos in den Frischbeton eingesetzt werden – ein erster entscheidender Schritt in Richtung Recycling von Altbeton.

    Die Rückgewinnung von hochwertigen Zuschlägen aus Altbeton würde die Recyclingquote etwa verzehnfachen und damit auf bis zu 80 Prozent steigern. Gelänge es, auch einen Zementersatzstoff aus Altbeton zu gewinnen, ließen sich die CO2-Emissionen der Zementindustrie deutlich senken. Um diese Ziele zu erreichen, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts ein Verfahren wieder entdeckt, das ursprünglich russische Wissenschaftler in den 1940er Jahren entwickelten: die elektrodynamische Fragmentierung. Mit ihr gelingt es, den Beton in seine Einzelbestandteile – Zuschläge und Zementstein – zu zerlegen.

    Bei dieser Vorgehensweise arbeiten die Forscher in Holzkirchen mit Blitzen. Normalerweise bevorzugen Blitze es, durch Luft oder Wasser zu verlaufen und nicht durch einen Festkörper. Damit der Blitz in den Beton einschlägt und einen Durchschlag erzeugt, nutzen die Experten die Erkenntnisse der russischen Wissenschaftler. Diese fanden heraus, dass die elektrische Durchschlagsfestigkeit – also der Widerstand, den jede Flüssigkeit und jeder Feststoff einem elektrischen Impuls entgegensetzt – keine physikalische Konstante ist: Sie ändert sich mit der Dauer des Blitzes. Bei einem äußerst kurzen Blitz unterhalb von 500 Nanosekunden besitzt Wasser deshalb plötzlich eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die meisten Festkörper. 

    Für das neue Beton-Recyclingverfahren bedeutet dies: Liegt der Beton unter Wasser und die Forscher erzeugen einen 150-Nanosekunden-Blitz, schlägt er bevorzugt nicht mehr ins Wasser ein, sondern in den Festkörper. Im Beton sucht sich der Blitz dann den Weg des geringsten Widerstands, das sind die Grenzen zwischen den Bestandteilen, also zwischen Kies und der Zementsteinmasse. Die ersten generierten Impulse, die Vorentladungen, schwächen das Material mechanisch vor. In diesem Moment bildet sich in dem Beton ein Plasmakanal aus, der binnen einer Tausendstelsekunde wie eine Druckwelle von innen nach außen wächst. Die Kraft dieser Druckwelle ist vergleichbar mit der einer kleinen Sprengstoffexplosion. Der Beton wird auseinandergezogen und in seine Bestandteile zerlegt.

    Mit der Labor-Fragmentierungsanlage gelingt es den Forschern zurzeit, pro Stunde eine Tonne Altbeton aufzubereiten. Bereits in zwei Jahren könnte eine entsprechende Anlage marktreif sein.

    Quelle: Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Dr. Volker Thome

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