Beton
Stand: Januar 2024
Robust, formbar, druckfest, stabil – kaum ein anderes Material ist so vielfältig einsetzbar wie Beton. Das Gemisch aus Zement, Sand, Kies und Wasser erfüllt nach dem Aushärten wichtige bauphysikalische, statische und brandschutztechnische Anforderungen.
Die heute gängigen Bestandteile von Beton sind: Wasser, Zement, Zuschlagstoffe (Gesteinskörnungen-Sand, Kies, Splitt), Zusatzstoffe (Fasern, Gesteinsmehle etc.), Zusatzmittel (Fließmittel, Verzögerer etc.). Die Hauptbestandteile Wasser, Zement und Zuschlagsstoffe in Form von verschieden großen Gesteinskörnungen, sind heute grundlegend die gleichen wie beim römischen Beton (vgl. Exkurs). Im Laufe der Zeit hat sich aus einem uralten 3-Stoff-System, dessen Eigenschaften maßgebend durch das Wasser-zu-Zement-Verhältnis bestimmt wurden, zu einem hochmodernen 5-Stoff-System entwickelt, dessen Eigenschaften häufig ausschließlich durch Zugabe von Zusatzmitteln und -stoffen erreicht werden können. Durch Beimischung dieser zusätzlichen Komponenten, ist es heute möglich, Hochleistungsbaustoffe wie ultrahochfeste und selbstverdichtende Betone für architektonische Zwecke zu realisieren.
Eigenschaften von Beton
Die wesentlichen Eigenschaften von Beton sind:
Betonarten
Es gibt verschiedene Betonarten, die sich aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften für verschiedene Einsatzbereiche eignen. Zu den wichtigsten gehören:
Zementverbrauch
Die globale Zementproduktion lag zuletzt im Jahr 2022 bei 4,1 Mrd. Tonnen (Quelle: Statista). Sie wird laut Einschätzung von Experten durch die steigende Bevölkerungszahl, die zunehmende Urbanisierung und den wachsenden Infrastrukturausbau bis 2050 weiter ansteigen.
In Deutschland hingegen zeichnet sich eine andere Entwicklung ab: Laut einem Bericht des Bundesverbands der deutschen Transportbetonindustrie wurden rund 52 Millionen Kubikmeter Beton im Jahr 2022 produziert (Quelle: BTB). Weiterhin wurden in Deutschland im selben Jahr etwa 28 Mio. Tonnen Zement verbraucht (Quelle: Statista). Prognosen gehen von einem rückläufigen bzw. maximal stagnierenden Zementverbrauch in der Zukunft aus.
Der Zementverbrauch in Deutschland im Jahr 2021 teilte sich im Bausektor wie folgt auf (Quelle: vdz):
- Tiefbau: 33,7 Prozent
- Wohnungsbau: 30,2 Prozent
- Nichtwohnbau: 36,1 Prozent
Auswirkungen auf die Umwelt
Die Herstellung von Beton ist energieintensiv: Für die Zementproduktion wird Kalkstein gemahlen und im Brennofen auf 1.450 Grad Celsius erhitzt. Dabei werden pro Tonne Zement rund 600 Kilogramm CO2 freigesetzt Auf die jährliche Zementproduktion gerechnet sind bis zu 8 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen. Zudem kommen für den hohen elektrischen und thermischen Energiebedarf in den meisten Fällen fossile Rohstoffe zum Einsatz.
Die Höhe des Zementanteils sowie die Menge der verschiedenen Zusatzmittel und -stoffe sind abhängig von der geforderten Festigkeit und den Eigenschaften des Betons. Diese Anforderungen werden maßgeblich durch die Art der Verwendung bestimmt. Beton ist ein sehr vielseitig einsetzbarer Baustoff. So hat beispielsweise eine statisch notwendige Steigerung der Betonfestigkeitsklasse für ein Fundament aufgrund erhöhter Sicherheitsanforderungen durch den höheren Klinkergehalt im Zement erhebliche Einflüsse auf den CO2-Fußabdrucks des Gebäudes. Darüber hinaus wird für architektonisch hohe Ansprüche heutzutage fast ausschließlich selbstverdichtender Beton (Sichtbeton) verwendet, der eine deutliche Steigerung des Sandanteils erfordert.
Geht man von einem Mischungsverhältnis des Betons von 1:4 (Zement und Zuschläge) aus, vervielfacht sich der gesamte Rohstoffverbrauch entsprechend. Allein für den Beton eines Einfamilienhauses werden immense Mengen an Sand benötigt.
Sande sind ein essenzieller Rohstoff für die Beton- und Zementindustrie. Für die Herstellung kann jedoch kein beliebiger Wüstensand verwendet werden, da Sande mit zu feiner Gesteinskörnung, die dazu noch annähernd glatt geschliffenen sind, nicht geeignet sind. Stattdessen sind Sande mit einer ausgewogenen, groben, mittleren sowie feinen Korngrößenverteilung mit gröberen Oberflächen nötig, um die angestrebte Festigkeit zu erreichen.
Der Abbau der Sande in verschiedenen Ländern auf der ganzen Welt sowie der damit verbundene Transport in weit entfernte Regionen verursachen zusätzlich große Mengen an CO2 und zerstören Landschaften und ganze Ökosysteme. Hinzu kommt, dass die Betonindustrie auch große Mengen des weltweiten industriellen Wasserbedarfs beansprucht.
Daher wird seit Jahren an Lösungsansätzen zur Minderung der Umwelteinflüsse der Betonindustrie gearbeitet. Eine besondere Rolle zur Reduktion der Emissionen liegt bei der Zementherstellung. Hierfür werden weltweit CCUS-Technologien (Carbon Capture Utilisation and Storage), Zementersatzstoffe sowie neue Produktionsverfahren erprobt.
Ein weiterer Lösungsansatz ist der vermehrte Einsatz von rezyklierter Gesteinskörnung, welcher in Deutschland aktuell noch äußerst gering ist, aber in anderen Ländern, u.a. der Schweiz erfolgreich Anwendung findet. Bestandteil aktueller Forschung ist darüber hinaus, dass Potenzial der Rekarbonatisierung von mineralischen Baustoffen. Beton weist das Potenzial zur nachträglichen Bindung von CO2 durch gezielte Karbonatisierung auf.
Anteil des CO2-Fußabdruck für Massivhäuser aus Beton nach Bauteil (Quelle: InformationsZentrum Beton):
- Dächer: 7 Prozent
- Decken: 37 Prozent
- Innenwände: 15 Prozent
- Außenwände: 22 Prozent
- Gründung: 19 Prozent
Vor diesem Hintergrund scheinen klimafreundliches Bauen und Beton unvereinbar. Doch es gibt längst Ideen und auch angewandte Verfahren, die Beton grüner und nachhaltiger machen könnten. Nur sind diese Entwicklungen teilweise noch wenig bekannt oder es fehlt an entsprechender Nachfrage.
Vertiefende Themenseiten
Exkurs: Beton – der künstliche Stein damals bis heute
- Heutige Untersuchungen legen nahe, dass auf dem heutigen Gebiet der Türkei bereits vor 10.000 Jahren mörtelartige Gemische auf Basis von feinen Gesteinskörnungen mit Kalk und Wasser verbaut wurden. Dabei handelte es sich jedoch zunächst um nicht hydraulische Gemische, die nur an der Luft erhärteten und wasserlöslich waren.
- Das erste hydraulisch wirkende zementähnliche Gemisch auf Basis von vulkanischem Gestein (Puzzolane) geht auf die Römer vor mehr als 2.200 Jahren zurück und wird heute noch als römischer Beton bezeichnet. Dieses Stoffgemisch erstarrte selbst unter Wasser und blieb auch im Nachgang wasserfest. Es wurde „Opus Caementitium“ genannt: eine Mischung aus Bruchstein, gebranntem Kalk, Sand, Wasser und Vulkanasche (Puzzolan).
- Damit gelang den Römern der Bau von Brücken, Tunneln, Aquädukten und Kuppeln, die teils heute noch erhalten sind. Das bekannteste Bauwerk ist das 120 n. Chr. fertiggestellte Pantheon in Rom mit seiner stützenfreien, 43 m durchmessenden Dachkuppel. Die außerordentliche Festigkeit des antiken Betons kommt Forschern zufolge durch die zugeschlagene Vulkanasche.
- Mit dem Untergang des römischen Reiches gerieten die Erkenntnisse in Vergessenheit. Erst die Einführung von Portlandzement im Jahr 1824 führte zum eigentlichen Beton.
- Die erste Verarbeitung von Beton mit eingelegten Bewehrungsstäben zu Stahlbeton, um die Zugfestigkeit zu erhöhen, erfolgte etwa um das Jahr 1850. Diese Entwicklung führte Anfang des 20. Jahrhunderts schlussendlich zu einer Revolution der modernen Baukultur. Doch im Vergleich zur Antike halten Gebäude aus Beton heute selten länger als 50 bis 100 Jahre.
- Beim Abbinden oder Aushärten des Zementleibs bilden sich Kristalle aus, die sich ineinander verhaken und so die Druckfestigkeit des Betons erzeugen. Diesen chemischen Prozess bezeichnet man als Hydratation. Zement erstarrt etwa nach 24 Stunden, nach etwa 28 Tagen ist die Normfestigkeit erreicht.
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