Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt finanzierte ein Forschungsprojekt (Referenz 35818/01-23), das im Dezember 2024 in einem Bericht eines Teams von Ingenieuren und Professoren mehrerer deutscher Universitäten gipfelte. Ziel des Projekts war es, die Umweltauswirkungen von Beton zu verringern, indem ein klinkereffizienter Zement mit recycelten Betonzuschlägen kombiniert wurde, die einer beschleunigten Karbonisierung unterzogen worden waren. An der Zusammenarbeit waren Experten aus den Bereichen Materialwissenschaft, Bauingenieurwesen und Umweltverträglichkeitsprüfung beteiligt, und die Arbeiten wurden über einen Zeitraum durchgeführt, der Ende 2024 endete.

Technisch gesehen konzentrierte sich die Studie auf zwei Arten von rezyklierten Zuschlägen: grobe rezyklierte Betonzuschläge (cRCA) und feine rezyklierte Betonzuschläge (fRCA). Diese wurden als teilweiser Ersatz für Naturstein und Sand in Betonmischungen verwendet, die für Bahnsteige und architektonische Anwendungen mit hoher Dauerhaftigkeit konzipiert wurden. Um die höhere Wasseraufnahme, die Porosität und die potenzielle Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR), die mit rezyklierten Gesteinskörnungen verbunden sind, zu verringern, wendeten die Forscher ein beschleunigtes Karbonisierungsverfahren in einem Rotationsreaktor an. Durch die Karbonatisierung wurden Kalziumhydroxid und Kalziumsilikathydrat im Zuschlag in Kalziumkarbonat umgewandelt, wodurch die Wasseraufnahme verringert und die Übergangszone (ITZ) zwischen Zuschlag und Zementmatrix verbessert wurde.

Die Leistungstests zeigten, dass sowohl die nicht-karbonisierten als auch die karbonisierten Gesteinsmischungen AKR-Ausdehnungswerte unter 1,00 mm/m aufwiesen, was sie für die niedrigste AKR-Klasse (E-I-S) gemäß der europäischen Richtlinie qualifiziert. Die karbonisierten Gesteinskörnungen erreichten sogar eine geringere Ausdehnung, was auf eine stärkere Unterdrückung der AKR hinweist. Messungen der Verarbeitbarkeit ergaben, dass ein mehrstufiges Mischverfahren erforderlich war, um der höheren Wasseraufnahme der Gesteinskörnung Rechnung zu tragen, aber die endgültigen Mischungen behielten akzeptable Setzwerte für den Bau bei. Die Entwicklung der Druckfestigkeit wurde über einen Zeitraum von 28 Tagen überwacht. Die kohlensäurehaltigen Mischungen erreichten Festigkeiten, die mit denen von Referenzmischungen mit herkömmlichem Portlandzement vergleichbar oder sogar leicht höher waren, was zeigt, dass der reduzierte Klinkergehalt die strukturelle Leistungsfähigkeit nicht beeinträchtigte. Tests zur Frost-Salz-Beständigkeit bestätigten, dass die karbonisierten Gesteinskörnungen die Frost-Tau-Beständigkeit nicht beeinträchtigten, und die Optimierung der Packungsdichte verbesserte die mechanischen Eigenschaften durch die Reduzierung der Hohlräume weiter.

Neben der Leistung des Betons wurde im Rahmen des Projekts auch eine ökologische Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Die Verwendung von klinkereffizientem Zement senkte die CO₂-Emissionen um etwa 20 % im Vergleich zu gewöhnlichem Portlandzement. Durch die beschleunigte Karbonisierung der recycelten Zuschlagstoffe wurden erhebliche Mengen an CO₂ gebunden. Die Studie quantifizierte die Aufnahme für verschiedene Betonabfallströme und zeigte, dass Betonschlamm – ein Nebenprodukt der Betonherstellung – ein besonders hohes Karbonisierungspotenzial aufweist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der kombinierte Ansatz der Verwendung von rezyklierten Zuschlagstoffen und klinkereffizientem Zement den Kohlenstoff-Fußabdruck von Beton erheblich reduzieren und gleichzeitig die wichtigsten Haltbarkeitsmerkmale erhalten oder verbessern kann.

Insgesamt hat das Projekt gezeigt, dass eine hybride Strategie – der Ersatz natürlicher Gesteinskörnungen durch kohlensäurehaltige rezyklierte Gesteinskörnungen und die Substitution eines Teils des Portlandzements durch ein klinkereffizientes Bindemittel – einen Beton ergibt, der für anspruchsvolle Infrastruktur- und Architekturanwendungen geeignet ist. Die Zusammenarbeit, die von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt unterstützt wurde, führte zu einer umfassenden Sammlung von technischen Daten und Umweltkennzahlen, die als Grundlage für künftige nachhaltige Betondesigns und -politiken dienen können.