Reportage
Beton für alle Wünsche
Ein Besuch im Forschungsinstitut der Zementindustrie in Düsseldorf
Ein ohrenbetäubender Knall bricht durch die Laborhalle, als der graue Quader von zehn Zentimeter Kantenlänge unter dem Druck der schweren Hydraulikpresse zerbirst. Dann ist Ruhe – und der Test bestanden: der Druckfestigkeitsprüfwürfel des ultrahochfesten Betons weist eine Festigkeit von weit mehr als 100 Newton pro Quadratmillimeter auf – bei normalem Beton liegt dieser Wert zwischen 25 und 40 Newton pro Quadratmillimeter.
Die Laborräume im Erdgeschoss des Forschungsinstituts der Zementindustrie (FIZ) in Düsseldorf, das vom Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) unterhalten wird, sind High-Tech-Werkstätten: Mit verschiedensten Apparaturen werden frisch angemischte Betone gerührt, geschüttelt und anschließend auf ihre Fließfähigkeit hin überprüft. Bereits erhärtete Betonwürfel der unterschiedlichsten Zusammensetzungen werden nach jeweils verschiedenen Trocknungs- und Lagerungszeiten auf ihre Belastbarkeit und Langlebigkeit hin getestet. Mehrere Tausend dieser Prismen und Würfel aus Mörtel und Beton werden hier jährlich auf ihre Qualitäten hin überprüft: Die einen werden gequetscht und zerbrochen, die anderen in Wasser und Taumittellösungen über sechs Monate hin bei 60 Grad Celsius geradezu gekocht, immer wieder eingefroren und aufgetaut, elektrischen Spannungen ausgesetzt, über Monate hin 65-prozentiger Luftfeuchtigkeit und großer Hitze ausgesetzt, chemisch analysiert, millimeterdünn zerschnitten und schließlich mit dem Rasterelektronenmikroskop auf die möglichst gleichmäßige Verteilung ihrer Bestandteile und der in das Material eingeschlossenen Luftbläschen hin untersucht. Die Materialien, die diese Tortur unbeschadet überstehen, haben die Prüfung bestanden – und dürfen anschließend im Tief- und Hochbau eingesetzt werden.
Harte Qualen für viele Wünsche
Mittels dieser dem Beton zugefügten Qualen wird fortwährend getestet, ob sich die verschiedensten Wünsche von Herstellern, Ingenieuren, Architekten und Bauherren an das Material auch wirklich erfüllen: Kostengünstig und umweltfreundlich in der Herstellung muss der Beton sein, leicht und unter allen Bedingungen zu verarbeiten, hart, strapazierfähig und langlebig – und möglichst resistent gegen alle Arten von Umwelteinflüssen. Einer der untersuchten Mechanismen ist hierbei die so genannte Alkali-Kieselsäure- Reaktion (AKR). Mit AKR wird eine mögliche chemische Reaktion zwischen den Alkalien des Zementsteins im Beton und Gesteinskörnungen mit alkalilöslicher Kieselsäure bezeichnet. Hier sorgen die im Forschungsinstitut entwickelten Verfahren dafür, dass auch dieses schwierige Thema sicher beherrscht werden kann.
Die labortypische Ordnung und Sauberkeit der Räumlichkeiten des Instituts wird an einer Stelle des großen Raumes gebrochen. Hier sieht es eher aus wie auf einer Rohbaustelle: Die Mitarbeiter prüfen gerade die Konsistenz eines selbstverdichtenden Betons, der demnächst für das Schwerlastfundament der Windräder eines Offshore-Kraftwerkes eingesetzt werden soll. Sie gießen den frisch angemischten Beton durch einen größeren Trichter auf einer Bodenplatte aus. Dabei wird beobachtet, ob die graue Masse mit der richtigen Fließgeschwindigkeit aus dem Trichter läuft, sich der Beton gleichmäßig verteilt und während des Fließens richtig entlüftet – Kriterien, die für die optimale Qualität der Betonfundamente des geplanten Windkraftwerks relevant sind. Darüber hinaus ist auch bei diesen Bauteilen die AKRKompetenz des Forschungsinstituts gefragt.
Neue Zemente
Im Forschungsinstitut werden ständig neu entwickelte Zemente und deren Verhalten im Beton getestet: So weist der ultrahochfeste Beton, der eben noch unter der Kraft der Druckprüfmaschine lautstark zerbarst, eine neue, ganz besondere Eigenschaft auf: Mit diesem Beton können Baukonstruktionen realisiert werden, die ebenso filigran sind wie klassische Stahlbauten. Die Gärtnerplatzbrücke in Kassel beispielsweise ist eine solche erste innovative Betonkonstruktion in Deutschland. Dr. Christoph Müller, Leiter Betontechnik des Forschungsinstituts, sieht im Einsatz von ultrahochfestem Beton in Deutschland durchaus Potentiale. Neue Formensprachen können entwickelt werden, heutige Stahlfachwerkkonstruktionen werden künftig womöglich allein aus Beton realisiert werden können. Allerdings müssen in näherer Zukunft noch die entsprechenden Regeln für den Einsatz dieses neuen Baustoffs präzisiert werden.
Im ersten Stockwerk des Gebäudes werden die Produkte aller ca. 50 Zementwerke in Deutschland sechsmal jährlich im Rahmen einer Güteüberwachung auf die genaue Einhaltung der umfassenden Normen hin überprüft. Mitarbeiter des Forschungsinstituts mischen hier die von zertifizierten Probenehmern in den einzelnen Zementwerken genommenen Stichproben nach standardisiertem Prozess an und prüfen sie unter absolut gleichen physikalischen Bedingungen auf Erstarrung und Festigkeit. Sollte ein Hersteller einmal die strengen Normen nicht einhalten, so erhält er einen so genannten Blauen Brief, was aber, so Dr. Christoph Müller, höchst selten vorkommt. Auf dem Dach des Gebäudes schließlich präsentiert sich dem Besucher des Forschungsinstituts ein wahrer Skulpturengarten: Große und kleinere Betonquader in verschiedenster Patinafärbung lagern hier teilweise bereits seit mehr als 50 Jahren. Zur Prüfung ihrer Haltbarkeit werden sie, nachdem sie den simulierten Alterungsprozessen des Laborversuchs ausgesetzt waren, zusätzlich der niederrheinischen Witterung ausgesetzt. Bei einzelnen Betonkörpern, die Risse aufweisen, werden diese in regelmäßigen Abständen genauestens vermessen. Auch diese Ergebnisse fließen in die langfristige Betonforschung ein.
Wunsch nach möglichst nachhaltiger CO2-Reduzierung
Neben der Überprüfung verschiedenster Zusammensetzungen der Zemente mit bereits bekannten Stoffen ist ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit des Forschungsinstituts von dem Wunsch nach einer möglichst nachhaltigen CO2-Reduzierung bei der Herstellung des Baumaterials geprägt. Ein möglicher Weg dahin wäre eine Reduzierung des Klinkeranteils im Zement, da dessen Produktion relativ energieintensiv ist. „Wir testen ständig neue Zemente mit immer geringeren Klinkergehalten“, so Dr. Christoph Müller. Bei diesen neuen Zementen werden entweder höhere Anteile von Hüttensand, Flugasche aus Steinkohlekraftwerken, natürlichem Kalkstein oder gebranntem Schiefer bei gleichzeitiger Reduzierung des Klinkeranteils eingesetzt. Oder es werden – ein Verfahren, das derzeit ebenfalls erforscht wird – alternative Bindemittel eingesetzt, wie beispielsweise durch die Nutzung von natürlichen getemperten Tonen als Zementhauptbestandteil. Natürlich getempert nennt man thermisch aktivierte Stoffe vulkanischen Ursprungs.
In den letzten zehn Jahren, so Dr. Christoph Müller, wurde die mit der Betonherstellung verbundene CO2-Belastung um 23 Prozent reduziert. Heute hat Zement in der Regel einen Klinkeranteil von 75 Prozent, in begrenzten regionalen Segmenten bereits einen Anteil von nur 30 Prozent. In den nächsten zwanzig Jahren wird durch weitere Forschungsarbeit – so hofft man – der Klinkeranteil noch einmal deutlich reduziert werden können. Damit werden die entsprechenden CO2-Emmissionen gleichermaßen weiter abgesenkt werden können. Eine noch stärkere Reduzierung der gebrannten Klinkeranteile im Zement wird aber voraussichtlich kaum möglich sein, wenn durchgängig die technische und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Betons in allen Anwendungs bereichen gegeben sein soll. Dies hat auch mit der teilweise begrenzten Verfügbarkeit der Stoffe zu tun, die als Ersatz für den Portlandzementklinker eingesetzt werden können.
Alternativ wäre es in Zukunft auch denkbar, dass spezielle Zement- und Betonsysteme entwickelt werden, die auf ganz bestimmte, d.h. ausgewählte Anforderungsparameter hin ausgelegt sind. „Heute kann“, so Dr. Christoph Müller, „ein normaler Zement immer alles: er kann bei Brücken, Schleusen und Meerwasserbauwerken – aber eben auch im gängigen Tief- und Hochbau eingesetzt werden.“ Der Vorteil dieser „Alleskönner“ besteht darin, dass sie in der Anwendung auf der Baustelle stets weitgehend gleich zu handhaben sind. In weiterer Zukunft wäre es durchaus denkbar, auf den ausschließlichen Einsatz dieser Alleskönner zu verzichten. Alternativ könnten spezielle Betone für eingeschränkte Wünsche eingesetzt werden – was aber weitaus höhere Anforderungen an Handhabung und Prüfung im Betonwerk oder auf der Baustelle zur Folge hätte. Seit nunmehr 130 Jahren wird im Forschungs institut zum Thema Zement und Beton geforscht. Das bei den 150 Mitarbeitern des Forschungsinstituts vorhandene Know-how über alle Arten der Verfahrenstechnik von der Zementherstellung bis hin zur Anwendung wird heute weltweit nachgefragt.
Norbert Fiebig ist geschäftsführender Partner von „Baukultur + Kommunikation“ und lebt in Düsseldorf.
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