Talk Science to Me #50: Wie kann Beton verbessert werden?

Schön, dass ihr heute wieder bei Talk Science to Me reinhört, dem Wissenschaftspodcast der TU Graz. Mein Name ist Birgit Baustädter und heute spreche ich mit Materialwissenschaftlerin Isabel Galan Garcia über, ihr habt es erraten, Beton. 

Liebe Frau Galan, vielen Dank, dass Sie heute hier sind und meine Fragen zum Thema Beton beantworten werden und zu Ihrer Arbeit. Können Sie sich bitte vorstellen, was arbeiten Sie an der TU Graz, woran forschen Sie, womit beschäftigen Sie sich jeden Tag?

Isabel Galan Garcia: Ich bin am Institut für Materialprüfung und Baustofftechnologie seit einem Jahr. Davor war ich am Institut für angewandte Geowissenschaften. Das heißt, ich bin von den Geolog*innen zu den Bauingenieur*innen gewechselt und ich beschäftige mich da hauptsächlich mit Beton, sonst wäre ich nicht da, aber mit der Entwicklung von Bindemitteln, die die Eigenschaften von Beton verbessern und auch die Umweltauswirkungen verringern. Ich untersuche hauptsächlich die Reaktionen, die während der  Hydratation, das heißt während der Erhärtung, stattfinden, aber auch die Reaktionen, die zum Beispiel während der Exposition gegenüber unterschiedlichen Umgebungen stattfinden. Das heißt zum Beispiel, wenn wir jetzt Beton mit klinkerreduzierten Bindemitteln entwickeln, müssen wir schauen, wie verhaltet sich diese Mischung, wenn wir sie in eine Umgebung mit sehr hohen Chloridbelastungen einsetzen.

Zum Beispiel, was für eine Umgebung wäre das?

Galan: Das wäre zum Beispiel bei den Straßen mit Streusalz, das ist im Moment sehr wichtig. Wir werden bald ein Projekt starten, in dem wir uns das genau anschauen, mit diesen neuen Mischungen, weil jetzt geht die viele Forschung in diese Richtung, dass man den Anteil an Klinker in den Betonmischungen reduziert. Und wir müssen genau wissen, wie verhalten sind dann diese Mischungen, weil es reicht nicht, den Zement zu reduzieren, wenn diese Mischungen dann nicht langlebig in unterschiedlichen Bedingungen aushalten. Die müssen nicht nur nachhaltig in dem Sinne weniger Zement, sondern auch dauerhaftig sein.

Warum möchte man den Klinker reduzieren?

Galan: Im Beton sind mehrere Komponenten, aber hauptsächlich ist der Zement verantwortlich für diese sehr hohen CO₂-Emissionen ist. Und das hat verschiedene Gründe. Einerseits während der Herstellung
vom Zement muss man Kalkstein erhitzen, um Calciumoxid zu bekommen und da wird sehr viel CO₂ freigesetzt. Andererseits braucht man sehr hohen Temperaturen, über 1.500 Grad, was auch mit sehr hohen CO₂-Emissionen verbunden ist. Und der dritte Grund ist, dass man sehr viel Beton verwendet und deswegen versucht man in den Betonmischungen so wenig Klinker wie möglich zu verwenden, sodass man diese CO₂-Emissionen reduzieren kann.

Und wie ist es möglich, dass man weniger Klinker verwendet? Also was mischt man dann stattdessen rein und wie schafft man es, dass es trotzdem stabil genug ist, um den Beton zu benutzen?

Galan: Das sind Zusatzstoffe oder auf Englisch supplementary cementitious materials. Das sind so Materialien, die ähnliche Eigenschaften haben wie Zement. Das heißt, nicht nur, dass sie mit Wasser reagieren, so wie der Zement . Diese Zutatstoffe brauchen manchmal auch alkalisches Milieu oder andere Bedingungen, sodass sie auch reaktiv werden. Aber am Ende ist das so, dass sie ungefähr die gleichen Phasen bilden wie der Zement. Und im Moment gibt es mehrere Ansätze. Im Moment verwendet man zum Beispiel Hüttensand. Das kommt von der Eisenproduktion oder Flugasche, von der Kohlenverbrennung. Das Problem ist die Verfügbarkeit von diesen Materialien im Vergleich zu dem Verbrauch von Zement und Beton. Deswegen muss man langfristige Lösungen suchen, weil Hüttensand und Flugasche bald nicht mehr verfügbar sein werden. Oder nicht so viel verfügbar, wie man das brauchen würde. Und zum Beispiel, wir untersuchen jetzt gerade andere Materialien. Im Moment ist ein sehr großes Thema gebrannte Tone. Die sind keine Abfallprodukte. Gebrannte Tone kommen auch natürlich vor, aber sie brauchen nur sehr geringere Temperaturen für die Aufbereitung. Und der CO_2-Fußabdruck ist viel viel geringer als von Zement. Ein anderes Material, das wir jetzt gerade untersuchen ist Siderit, das ist Eisencarbonat vom Erzberg und da braucht man keine Aufbereitung und das ist sehr spannendes Material, weil es bilden sich nicht die gleichen Phasen wie bei Zement und bei den anderen Stoffen. Es ist nicht puzzolanisch, wie zum Beispiel Flugasche oder gebrannter Ton. Aber wir haben gesehen, dass die Eigenschaften sich stark verbessern, zum Beispiel die Dauerhaftigkeit der Eigenschaften sich verbessern. Und damit hat man beides, reduzierten Klinker und auch die Eigenschaften verbessert.

Das wollte ich gerade fragen, welche Erfahrungen haben Sie mit dem Material gemacht? Also kann das Zement ersetzen? Ist der Beton gleichwertig, wie er vorher war mit Zement?

Galan: Ja, auf jeden Fall. 100-prozentig ersetzen sollen diese Ansätzen den Beton nicht. Es wird aber auch in den Normen immer mehr. Früher war es nur zu einem gewissen Teil erlaubt Zement zu ersetzen. Und jetzt wird es immer mehr. Und die Eigenschaften sind in vielen Fällen sogar besser. Zum Beispiel ist die Erfahrung mit Hüttensand, dass die Sulvatbeständigkeit viel, viel besser. Das heißt, es geht nicht nur um das Ersetzen, sondern dass die Eigenschaften sich verbessern. Wir haben auch gesehen, dass es immer Herausforderungen gibt. Zum Beispiel, muss man schauen, wie sich die Hydratation, wie die Erstarrungszeiten und so weiter, sich entwickeln. Es geht nicht, dass man einfach 20 Prozent weniger Zement macht und etwas anderes dazugibt. Man muss viele Sachen anpassen und berücksichtigen. Aber das ist unser Ziel, dass man nicht nur Zement ersetzt, sondern dass die Eigenschaften dann am Ende nicht nur gleich sind, sondern besser.

Sie haben es vorher schon erwähnt, wir verwenden sehr, sehr viel Beton. Das ist auch ein Kritikpunkt, der häufig geäußert wird. Gibt es für Sie Alternativen zum Baustoff Beton?

Galan: Ich meine, es gibt sehr viele Baustoffe, die jeder kennt, wie Gips, Kalk, Holz. Aber was man mit Beton alles bauen kann oder diese Vielseitigkeit von Beton, hat man mit keinem anderen Material bis jetzt gehabt. Das heißt, es kommt darauf an, welche Anwendungen man sich anschaut. Was man ersetzen kann, ist der Zement, aber für bestimmte Anwendungen haben wir bis jetzt keine andere Lösung als Beton. Ich habe jetzt erwähnt, diese Möglichkeit, wenn man einen Teil von dem Klinker ersetzt. Es gibt aber auch zementfreie Mischungen. Da beschäftigen sich Kolleg*innen von mir zum Beispiel mit den sogenannten Geopolymeren. Geopolymerbetone sind auch Betone, weil die auch aus Wasser, Gesteinskörnern und so weiter, Zusatzmittel, bestehen. Aber anstatt Zement sind sie alkalisch aktiviert. Das gibt es auch. Aber Beton ist, wie gesagt, für manche Anwendungen sehr schwer zu ersetzen.

Eine Möglichkeit wäre ja jetzt auch im Sinne der Kreislaufwirtschaft, eben Betonteile im Ganzen oder in Teilen wiederzuverwenden. Ist das auch ein Bereich, den Sie sich in der Forschung anschauen?

Galan: Nein, im Moment nicht. Aber ich finde es sehr spannend. Es gibt sehr viele Forschungsprojekte, die sich damit beschäftigen, dass zum Beispiel Beton als rezyklierte Gesteinskörnung wiederverwendet wird. Das hat auch sehr viele Herausforderungen, wie zum Beispiel das Wassersaugen, die Inomogenitäten. Aber es ist ein sehr spannender Bereich und in manchen Ländern ist es schon sehr weit entwickelt, in anderen aber sehr wenig. Und meiner Meinung nach, obwohl ich mich gerade derzeit nicht damit beschäftige, sollte man das weiter fördern, diese Richtung, dass man so viel wie möglich wieder verwendet, auf jeden Fall.

Was mögen Sie selbst an Beton?

Galan: Es ist sehr spannend, weil es ist sehr interdisziplinär. Es sind sehr viele Bereiche dabei, Chemie, Geologie, Bauingenieurwissenschaften. Und man kann es von vielen Seiten betrachten. Man denkt, es ist nur ein Pulver, das man einfach mit Wasser mischt und ein paar Steine und fertig. Und wenn man sich anschaut, was alles da drinnen in der Mikrostruktur passiert, im Mikrobereich oder sogar im Nanobereich. Es ist wirklich sehr spannend und ja, es ist unendlich und ich finde es auch nicht nur spannend, sondern wir müssen das halt fast machen oder wir müssen wirklich Beton nachhaltiger machen. Es ist einfach unsere Pflicht, weil wir haben jetzt im letzten Jahrhundert so viel mit Beton gebaut und das hat uns ermöglicht, irgendwie uns zu entwickeln oder es ist die Betonproduktion mit der Entwicklung parallel gelaufen, aber gleichzeitig haben wir auch unsere Umwelt zerstört. Und deswegen ist es fast unsere Pflicht, das alles besser zu machen.

Wie sind Sie selbst in dieses Forschungsgebiet gekommen? Warum interessieren Sie sich dafür? Wie war dann der Weg?

Galan: Ich habe mich im Studium mit mehreren Materialien beschäftigt, wie zum Beispiel Faserkomposite Materials oder ich habe auch mit biokompatibel Material für pharmazeutische Anwendungen gearbeitet. Und ich war in Deutschland in einem Institut für Verbundwerkstoffe. Ich hatte im Studium eine Lehrveranstaltung Elektrochemische Korrosion gehabt und die hat mir am meisten gefallen. Und als ich in Deutschland war, hat mir eine Kollegin von einer Forschungsgruppe in Madrid erzählt, die sich mit Betonkorrosion beschäftigt hatte. Und da war gerade eine Ausschreibung und dann habe ich mich beworben für ein Jahr, nur für ein Projekt und dann habe ich mich entschieden weiter zu machen und habe meinen PhD im Bereich Karbonatisierung von Beton gemacht. Danach war ich in Schottland, habe einen Postdoc gemacht, wo es mehr um alternative Zemente, Calcium-Sulfa- Luminat-Zemente, ging. Die sind ein bisschen nachhaltiger als die Portland-Zemente. Und auch alternative Herstellungsprozesse. Und dann bin ich nach Graz für ein Projekt über Spritzbeton gekommen.

Was ist Spritzbeton eigentlich?

Galan: Spritzbeton ist eine Art Beton mit sehr besonderen Eigenschaften, weil es auch sehr besondere Anwendungen hat. Und die Eigenschaften sind mit den Anwendungen verbunden. Ich glaube, das kennt fast jeder in Österreich wegen dem Tunnelbau. Und diese besonderen Eigenschaften sind zum Beispiel ganz schnelle Erstarrungszeiten. Das Material muss man auch pumpen und fürs Pumpen muss man das Leimvolumen und die Gesteinskörnung anpassen und so weiter. Es ist Beton, aber mit ein bisschen einer anderen Zusammensetzung, ein bisschen anderen Eigenschaften und anderen Anwendungen.

Wenn ich jetzt diesen Spritzbeton umweltfreundlicher machen möchte und zum Beispiel den Zement ersetzen, ist das anders als bei Beton, der zum Beispiel in Schalungen gegossen wird, oder verwendet ihr dann quasi das gleiche Material und die gleichen Methoden für alle Arten von Beton?

Galan: Genau das untersuchen wir jetzt gerade. Ähnliche Materialien, die auch für Beton funktionieren, zum Beispiel, ich habe vorher diese gebrannten Tone erwähnt, und es ist tatsächlich sehr spannend, dass manche Eigenschaften ähnlich sind, aber andere nicht. Zum Beispiel diese Frühfestigkeitentwicklung, die für Spritbeton sehr wichtig ist. Wir haben gesehen, dass diese Tone sich anders verhalten, als wenn man es für Normalbeton einsetzt. Das heißt, es ist ähnlich, aber es ist nicht gleich. Deswegen ist es total wichtig, dass man sich ganz genau anschaut, wie diese Materialien, wenn man Beschleuniger verwendet, reagieren und wie sie interagieren. Das heißt, wir verwenden ungefähr die ähnlichen Materialien, aber mit Anpassungen, weil sie nicht ganz gleich sind, wenn man über Spritzbeton redet. 

Also Beton ist überhaupt nicht gleich Beton? 

Galan: Nein, sicher nicht. Es gibt sehr viele unterschiedliche Betonarten, auf jeden Fall. 

Wie schaut Ihr Arbeitsalltag aus? Stehen Sie sehr viel im Labor? Sind Sie mehr am Computer tätig und machen Simulationen? Was machen Sie den ganzen Tag?

Galan: Ich bin viel am Computer, aber ich bin auch öfters im Labor. Vor allem mit dem Bachelorstudierenden oder Masterstudierenden, die ich betreue. Und der Arbeitsalltag schaut sehr variabel aus. Ich kann zum Beispiel den ganzen Tag einmal nur an einer Publikation arbeiten und dann am nächsten Tag nur Online-Meetings mit Kolleg*innen oder mit Industriepartner*innen haben. Oder wir haben zum Beispiel in diesem Projekt über Spritzbeton eine ganze Woche, wo wir unsere Mischungen, die wir im Labor entwickelt haben, in reale Bedingungen, in einem Tunnel oder so, testen. Oder auf Konferenzen oder ja ich habe sehr viele Besprechungen mit Kolleg*innen und mit den Studierenden. Manche Tage habe ich auch Lehre oder Lehrevorbereitung, das heißt es ist wirklich sehr variabel bei mir.

Und wenn ihr eure Materialmischungen jetzt ausprobiert, muss ich mir das so vorstellen wie so eine kleine Betonküche, wo dann gerührt wird und dann einfach geschaut wird, was passiert über die Zeit oder wie geht das? 

Galan: Ja genau, es schaut ein bisschen so aus, dass man diese Rezepturen ausprobiert und dann ein bisschen mehr, ein bisschen weniger, so wie in der Küche. Und dann kommt es zu den Untersuchungen, dass man sich zum Beispiel die Makrosachen anschaut, die Festigkeit. Aber man geht auch in den Mikrobereich und man schaut unter dem Mikroskop, welche Phasen sich entwickelt haben, wie schaut es mit der Porosität aus. Ja, es gibt sehr viele Untersuchungsmethoden, die wir verwenden. Also sehr interdisziplinär, wie Sie es vorher schon erwähnt haben, Es gibt sehr viele Untersuchungsmethoden, die wir verwenden. Bei uns in den Projekten arbeiten Geologen, Chemiker, Chemikerinnen, Ingenieure, sehr unterschiedliche Bereiche.

Wenn das Forschungsthema so interdisziplinär ist, habt ihr dann auch viele Kooperationen mit anderen Instituten oder anderen Forschungseinrichtungen, wo Projekte gemacht werden?

Galan: Ja, auf jeden Fall. Ich kann ein Beispiel erwähnen. Wir haben mit den Kolleg*innen von der analytischen Chemie ein Projekt über die Entwicklung von optischen Sensoren, die man für die Messung von Dauerhaftigkeitsparameter verwenden kann und genauer bestimmen. Zum Beispiel, wenn man über Karbonatisierung von Beton redet, verwendet man normalerweise ganz einfache Methoden, die nur sagen, karbonatisiert ja oder nein. Und mit diesen Kolleg*innen, mit diesen Sensoren, haben wir die genauen pH-Werte bestimmen können. Und das gibt uns sehr viel mehr Information bezüglich zum Beispiel der späteren Korrosion von Stahl, wenn wir über Stahlbeton reden. Ein anderes Beispiel wäre eine Kooperation mit Spanien, mit Expert*innen in Optik. Und mit ihnen haben wir sogenannte thermochromische Bindemittel entwickelt. Das ist eine Mischung aus Zement und diesen thermochromischen Materialien, die die optischen Eigenschaften abhängig von der Temperatur ändern können. Das heißt, man könnte diese Materialien zum Beispiel bei Fassaden anwenden und die würden dann zum Beispiel im Winter mehr Strahlung von der Sonne absorbieren und im Sommer mehr Strahlung reflektieren. Und das würde zum Beispiel für Energieeinsparung in den Gebäuden sorgen. Genau, ja, das ist für uns auch sehr wichtig, dass wir mit anderen Gruppen an der TU Graz kooperieren, aber auch international mit Kolleg*innen von anderen Bereichen.

Das heißt aber, es gibt auch sehr viele Optionen, wie man Beton und Betonbauten umweltfreundlicher gestalten kann.

Galan: Ja, genau. Auf jeden Fall. Sie haben vorher gefragt, warum mich das so interessiert. Und das ist auch ein Grund, dass es so viele Möglichkeiten gibt, die man probieren kann. Und es funktionieren nicht alle, aber manche schon. Und das macht viel Spaß und es ist auch sehr befriedigend. Es fühlt sich gut, wenn man sowas einfach ausprobiert und wenn das am Ende funktioniert und man etwas beitragen kann in dem Bereich.

Gibt es für Sie so eine Forschungsfrage oder ein Thema, das Sie im Laufe Ihrer Karriere gern lösen würden?

Galan: Ich glaube, bei mir ist es so wie bei allen, die in dem Bereich Forschung machen. Es ist wirklich die große Frage, wie machen wir Beton nachhaltiger und dauerhaftiger. Das ist die große Frage. Ich weiß nicht, ob wir das lösen, aber in dieser Richtung arbeiten wir auf jeden Fall. 

Vielen Dank für das Interview. 

Galan: Danke auch.

Vielen Dank, dass ihr heute dabei wart. Nächstes Mal spreche ich mit Cyrill Vallazza-Grengg, der das CD-Labor für reststoffbasierte Geopolymer-Baustoffe in der CO₂-neutralen Kreislaufwirtschaft leitet.