Was ist Beton?

„Am besten kommen Sie in meine Vorlesung – Beton ist so ein breites Feld“, lädt Markus Krüger, Leiter des Instituts für Materialprüfung und Baustofftechnologie der TU Graz, lachend ein. Denn die Frage „Was ist eigentlich Beton?“ sei unglaublich schwer zu beantworten. „Beton ist in erster Linie ein Massenbaustoff, der hervorragende Eigenschaften hat und es uns ermöglicht, Dinge so zu konstruieren, wie wir sie erdacht haben und wie es mit keinem anderen Baustoff möglich wäre.“

Gestein, Zement und Wasser

Aber von Anfang an: Beton ist ein erhärtendes Gemisch aus Gestein unterschiedlicher Körnung, Zement und Wasser. Er wird zähflüssig angerührt und als sogenannter Frischbeton in den meisten Fällen in eine Schalung gegossen, um die gewünschte Form zu erhalten. Neueste Technologien nutzen auch Roboterarme mit Druckdüsen, um Betonteile frei, also ohne Schalung, in 3D zu drucken.

Wichtig ist in jedem Fall die optimale Rezeptur für den jeweils gewünschten Beton – optisch schön für Sichtbeton, besonders robust für Infrastrukturbauten oder bereits formstabil als Frischbeton, um ihn durch eine Druckdüse auszudrucken. Diese Rezepturen werden am Institut von Markus Krüger untersucht. „Beton ist nur auf den ersten Blick eine graue, gleichförmige Masse“, erklärt er. „In Wirklichkeit ist Beton einer der komplexesten Baustoffe, die unser Bauwesen hat.“ Er arbeitet vor allem auch an der optimalen Zusammensetzung des Baustoffes, um höhere Festigkeiten und längere Lebensdauern zu erreichen. „Im Bereich der Festigkeit haben wir aber bald unsere Grenzen erreicht. Nun gilt es immer mehr, das Material noch nachhaltiger zu gestalten, indem zum Beispiel weniger der besonders klimaschädlichen Komponenten bzw. umweltverträglichere Ressourcen in der Betonproduktion eingesetzt werden.“

Am Institut arbeitet man unter anderem mit Abfallstoffen aus dem Baugewerbe – abgerissene Betonbauteile werden z.B. rezykliert und als Zuschlag neuem Beton beigemischt – und aus anderen Industriezweigen. „Wir nutzen zum Beispiel seit vielen Jahrzehnten Hüttensand aus der Stahlproduktion und ersetzen so einen Teil des Klinkers im Zement. Aber auch hier müssen wir nach weiteren Alternativen suchen, da Hüttensand zukünftig nicht mehr in den benötigten Mengen zur Verfügung stehen wird“, erklärt Krüger. Die Reduktion von Klinker ist insgesamt aber eine sehr effiziente Möglichkeit der Reduktion klimaschädlicher Emissionen, da insbesondere bei der Produktion von Zementklinker in hohem Maß klimaschädliches CO₂ emittiert wird. Der Klinker ist aber für noch etwas Anderes zuständig: Er sorgt für ein alkalisches Milieu im Beton, das wiederrum die Stahlbewehrung, die vornehmlich für die Übertragung von Zugkräften in den Beton eingebaut wird, vor Korrosion schützt. „Reduzieren wir den Klinkergehalt zu sehr, steigt das Risiko der Stahlkorrosion, so dass wir dem nun mit anderen Mitteln entgegenwirken müssen. Eine hohe Komplexität, wenn man Aspekte der Dauerhaftigkeit und der Ökologie unter einen Hut bringen möchte und dabei gleichzeitig zu beachten hat, dass Beton als Massenbaustoff auch zukünftig noch bezahlbar sein muss.“

Das Team arbeitet mit Kolleg*innen aus anderen Instituten der TU Graz auch an sogenanntem Ultrahochfesten Beton – also Beton, der wesentlich höhere Lasten tragen kann und damit schlankere Bauweisen ermöglicht. „Seine Herstellung ist zwar auf den ersten Blick mit höherem CO₂-Ausstoß und höheren Kosten verbunden, aber es wird wesentlich weniger Material gebraucht, um gleiche oder bessere Eigenschaften als bei herkömmlichen Betonkonstruktionen zu erreichen“, so Krüger.

Akkreditierte Prüfstelle und Zertifizierungsstelle
Neben der Arbeit an neuen Betonrezepturen betreibt das Institut für Materialprüfung und Baustofftechnologie auch eine akkreditierte Prüfstelle, in der eine Vielzahl an Baustoffen auf ihre Eignung für bestimmte Einsatzgebiete geprüft wird. Zudem werden Bauprodukte gemäß technischen Regelwerken zertifiziert, was für deren sicheren Einsatz in der Praxis essentiell ist.

Beton in Bauwerken

Wie verläuft nun der Prozess vom Baustoff zum Bauwerk? Unter anderem damit beschäftigt sich das Institut für Betonbau der TU Graz. „Beton zeigt ein komplexes Materialverhalten, ebenso wie Betonbauteile und -bauwerke ein anspruchsvolles Tragverhalten zeigen“, erklärt Dirk Schlicke, stellvertretender Institutsleiter, seinen Forschungsbereich. „Bauwerke haben enorme Lasten zu tragen und die hohe Druckfestigkeit von Beton kann dafür gezielt eingesetzt werden.“ So werden Bauwerke wie Hochhäuser, Täler überspannende Brücken, Talsperren oder auch Tunnel auf anspruchsvollem Untergrund überhaupt erst möglich.

Im Gegensatz zu seiner hohen Druckfestigkeit weist der Werkstoff Beton aber eine sehr geringe Zugfestigkeit auf – dem wird mit Bewehrungen aus Stahl entgegengewirkt. Diese können aus Betonstahl, aber auch aus Textil-Materialien auf Basis von Carbon, Polyethylen oder alkaliresistentem Glas bestehen. Oder, in bestimmten Anwendungsfällen, sogar aus kleinen Stahl- oder Kunststofffasern, die direkt in den Beton gemischt werden.

Das Zusammenspiel von Bewehrung und Beton ist aber nicht trivial, wie Schlicke erklärt: „Risse sind ein wesentlicher Bestandteil der Betonbauweise – erst durch Rissbildung kann sich die Bewehrung nämlich am Lastabtrag beteiligen. Aber nicht alle Risse sind gewollt.“
Schlicke selbst beschäftigt sich mit einem ganzheitlichen Blick auf das Verhalten von Beton in Bauwerken – von der ersten Beanspruchung durch Temperatur- und Volumsänderungen während der Betonerhärtung, über weiteres Verformungs- und Lastabtragverhalten bis hin zur Frage, inwieweit diese Faktoren die Tragkapazität des Bauwerkes beeinflussen.

Beton sinnvoll einsetzen

Trotz seines Rufes, wenig umweltfreundlich und wenig nachhaltig zu sein, ist Schlicke von der Nachhaltigkeit von Beton überzeugt: „Beton ist ein Baustoff, der langlebig ist und lokal verfügbar.“ Beton könne überall vor Ort hergestellt werden und komme dadurch ohne lange und umweltschädliche Rohstofftransporte aus. „Wichtig ist allerdings, in welchen Bereichen er sinnvoll eingesetzt wird“, sagt Schlicke und spielt auf das medial weit verbreitete Wort „Zubetonieren“ an. Es muss halt nicht überall Beton sein. „Jeder Baustoff hat Vorteile und im Sinne des ressourcenverantwortlichen Bauens sollten diese gezielt genutzt sein. Stahl etwa ist leistungsstark und leicht, Holz bietet effiziente Systemlösungen und Ziegelmauerwerk hat tolle bauphysikalische Eigenschaften für den Wohnbau.“ Die Aufgabe des Betons in der Zukunft sieht Schlicke vor allem in nachhaltigen Bauweisen, etwa durch effizienteren Materialeinsatz und neue Bauweisen, wie den modularen Betonbau. Wichtige Aufgabe ist aber auch die Erhaltung bestehender Bauwerke, die zwar den Sicherheitsstandards nach wie vor entsprechen, denen dies aber mit unzureichenden mathematischen Methoden nicht bestätigt werden kann.

Ein Fokus, dem sich Schlicke in Zukunft vermehrt widmen will, ist, an welcher Stelle im Planungsprozess sich Forschende und die Wissenschaft einbringen müssen, um bei neugebauten Bauwerken noch Optimierungen umsetzen zu können. „Wir arbeiten hier gerade mit Ingenieurbüros zusammen, die uns gute Einblicke geben, an welchem Punkt wir mit unseren Entwicklungen an der Praxis anknüpfen können.“

Urban Mining

Und auch am Institut von Markus Krüger hat man einen zusätzlichen Forschungsfokus im Visier: Das Urban Mining. Gemeint ist damit, sich den Gebäudebestand etwa in der Stadt Graz anzusehen und künftige bauliche Entwicklungen vorherzusehen. „Wir wollen zusammen mit Kollegen aus der Architektur untersuchen, wo in den nächsten Jahren Bauwerke abgerissen werden müssen, welche Rohstoffe oder gar ganze Bauteile dabei freigesetzt werden und wie wir sie neu im Bauwesen einsetzen können.“

Nachhaltigkeit, Recycling und Beton widersprechen sich also nicht und werden an der TU Graz immer stärker verbunden.

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Sustainable Systems“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.
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