Im Bereich der Baumaterialien gibt es nach wie vor Innovationen. Neue Materialien bringen verbesserte Eigenschaften mit, sind umweltfreundlicher oder bieten sonstige Vorteile gegenüber den bisherigen Optionen. Zu diesen neuartigen Baustoffen zählt Carbonbeton. Entwickelt wurde der Baustoff an der TU Dresden und 2016 erhielt er den Deutschen Zukunftspreis. Wir werfen einen Blick auf diesen neuen Baustoff, der immer häufiger zum Einsatz kommt.
Die Zusammensetzung von Carbonbeton – ein moderner Verbundwerkstoff
Carbonbeton zählt zur Klasse der Verbundwerkstoffe. Die beiden Komponenten, aus denen das Material besteht, sind Beton und Kohlenstofffasern. Letztere kommen als Bewehrung zum Einsatz, sie verstärken also die Struktur des fertigen Baumaterials. Die Kohlenstofffasern werden in Form von Matten oder Stäben in den Carbonbeton eingebracht.
Somit handelt es sich bei Carbonbeton um eine Form des Textilbetons. Wie bei anderen Baumaterialien dieser Klasse erfolgt hier eine Kombination aus Beton mit einer Bewehrung. Diese wird großflächig im Beton integriert und ist später nicht mehr sichtbar.
In diesen Bereichen kommt Carbonbeton zum Einsatz
Carbonbeton lässt sich vielseitig im Hoch- und Tiefbau einsetzen. Es wird seit längerer Zeit bereits bei der Sanierung genutzt. Die ersten Einsatzbereiche waren die Sanierung von Schalen- und Kuppelkonstruktionen. Hier bietet Carbonbeton zwei wichtige Eigenschaften, die für den Einsatz im Bereich der Gebäudesanierung wichtig sind. Zum einen erlaubt das Material einen sehr dünnen Aufbau. Damit bleibt die Optik des ursprünglichen Gebäudes intakt, was besonders bei der Sanierung von denkmalgeschützten Objekten immer eine Herausforderung ist. Zum anderen bietet Carbonbeton trotz der geringen Stärke eine hohe Tragfähigkeit. Somit bleibt die Stabilität von Kuppelkonstruktionen bei der Sanierung gewährleistet.
Aus diesem Grund kommt Carbonbeton auch bei der nachträglichen Erhöhung der Tragfähigkeit zum Einsatz. Durch neue Bauvorschriften ist es teilweise erforderlich, die Tragfähigkeit von bestehenden Bauwerken zu erhöhen. Das gelingt mit Carbonbeton mit sehr geringem Aufwand und ohne große bauliche Veränderungen oder Einschränkungen. Aus diesem Grund wird immer häufiger auf Carbonbeton zurückgegriffen, wenn es zum Beispiel um die Verstärkung von existierenden Stahlbetongeschossdecken geht.
Ebenso ist Carbonbeton auch für Neubauten geeignet. In Dresden entstand unter der Leitung der dortigen TU und Professor Manfred Curbach das erste Haus aus dem neuen Material. Die Einsatzbereiche sind grundsätzlich deckungsgleich mit dem bekannten Stahlbeton. So kommt Carbonbeton für Fassaden, Verkleidungen und alle Arten von Wandkonstruktionen sowie im Brückenbau zum Einsatz.
Vorteile von Carbonbeton
In der Praxis zeigt Carbonbeton eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bekannten Stahlbeton. Dazu gehört zum Beispiel die Korrosionsbeständigkeit der Kohlenstofffasern. Stahl, der sonst zur Bewehrung genutzt wird, ist rostanfällig. Dieses Problem gibt es bei Carbonbeton nicht. Somit müssen die Matten aus Kohlenstofffasern nicht so tief im Beton versenkt werden, um vor Rostbildung geschützt zu sein.
Zudem sind die Kohlenstoffmatten sehr belastbar und haben eine hohe Tragfähigkeit. So erreicht der Stahl, der als Armierung zum Einsatz kommt, eine Festigkeit von rund 500 Newton pro Quadratzentimeter. Bei Carbonbeton liegt diese hingegen bei 3000 Newton pro Quadratzentimeter. Somit ist der Verbundwerkstoff sehr zugfest und im Vergleich zu Stahlbeton deutlich belastbarer bei gleicher Stärke.
Eine weitere Stärke von Carbonbeton ist, dass die Matten aus den Kohlenstofffasern beweglich sind. Das macht es sehr leicht, runde und geschwungene Formen aus Carbonbeton zu fertigen. Mit Stahlbeton ist dies deutlich schwieriger.
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Die Kohlenstofffasern im Carbonbeton sind zudem deutlich leichter als Bewehrungsstahl. Die Dichte liegt hier bei 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter, während Bewehrungsstahl eine Dichte von 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist. Dadurch ist Carbon etwa viermal leichter, was sich auch auf das Gesamtgewicht der fertigen Konstruktion auswirkt.
Durch den geringeren Materialeinsatz ist Carbonbeton sehr wirtschaftlich. Auch wenn die Kohlenstofffasern teurer sind als Stahlbeton, liegen die Gesamtkosten für Bauwerke auf einem ähnlichen oder sogar niedrigeren Niveau. Das liegt daran, dass insgesamt deutlich weniger Material benötigt wird. Das reduziert zudem die indirekten Baukosten wie etwa die Transportkosten für das Material zur Baustelle.
Umweltaspekte von Carbonbeton – wie steht es um die Klimabilanz und das Recycling?
Ein besonderer Vorteil von Carbonbeton sind die positiven Umwelteigenschaften. Aus diesem Grund wird das Baumaterial bereits jetzt als eine der Zukunftshoffnungen für den klimaneutralen Bausektor angesehen.
Der Gewichtsvorteil gegenüber klassischem Stahlbeton ist einer der zentralen positiven Umwelteigenschaften. Durch die bessere Tragfähigkeit können Konstruktionen aus Carbonbeton deutlich dünner sein als aus Stahlbeton. Dazu trägt auch bei, dass die Carbonmatten witterungsresistent sind und nicht wie die Stahlarmierung mit einer dicken Schicht Beton geschützt werden muss. Tragende Wände aus Carbonbeton sind so nur rund sieben Zentimeter stark, während Stahlbeton hier mit einer Stärke von etwa 15 Zentimetern zum Einsatz kommt. So lässt sich der Betonverbrauch direkt um bis zu 50 Prozent reduzieren. Bei der Sanierung von Bauwerken liegt die Materialersparnis sogar zwischen 75 und 80 Prozent.
Auch muss der Beton weniger basisch sein, da das Carbon nicht so empfindlich reagiert wie Stahl. Das reduziert die CO₂-Emissionen für das Bauwerk. Im Gesamtvergleich zu einem klassischen Stahlbetonbau liegen die CO₂-Emissionen so um bis zu 80 Prozent niedriger.
Bei Bauwerken aus Carbonbeton wird zudem mit einer längeren Haltbarkeit gerechnet. Stahlbeton wird früher oder später angegriffen und muss entweder saniert oder neu gebaut werden. Bei Bauten aus Stahlbeton wird so mit einer maximalen Haltbarkeit von 80 bis 100 Jahren kalkuliert. Bei Carbonbeton wird mindestens mit einer Nutzungsdauer von 100 Jahren gerechnet. Wahrscheinlich überdauern die Bauwerke auch noch längere Zeiträume, was sich jedoch erst in der Praxis zeigen wird. Das verbessert die Klimabilanz des Baustoffs nochmals, da in Zukunft Baumaterial gespart wird.
Ein weiterer Aspekt der Umwelt- und Klimabilanz ist das Recycling. Für das Recycling ist es erforderlich, den Carbonbeton in seine reinen Bestandteile zu trennen. Bereits jetzt ist dies zu 97 Prozent möglich. Dann stehen fast reiner Beton sowie Carbon zur Verfügung. Diese Materialien können dann jeweils einem spezifischen Recycling zugeführt werden. Wahrscheinlich wird es in Zukunft noch mehr Einsatzmöglichkeiten für recycelte Carbonfasern geben.
