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Vom Nanokristall zum Betonbauteil

X-SEED®-Kristalle von BASF lassen Beton schneller aushärten und reduzieren den CO2-Ausstoß

Sie sind überall, auch wenn wir uns im Alltag kaum Gedanken über sie machen – Fertigbauteile aus Beton. Ob Brückenträger, Kanalisationsrohre, Treppen oder Eisenbahnschwellen: Millionen solcher Bauelemente werden industriell vorgefertigt und vor Ort direkt verbaut. In diesem wichtigen Bereich ist BASF mit X-Seed eine bedeutsame Neuentwicklung gelungen. Denn mit dem Erhärtungsbeschleuniger lassen sich Betonfertigteile zum einen schneller und in besserer Qualität herstellen und zum anderen kann der Energieverbrauch – und damit der Ausstoß des Klimagases CO2 – erheblich reduziert werden.

Wie funktioniert das? Die wichtigste Zutat für Beton ist Zement. Zu seiner Herstellung werden zunächst Kalkstein, Ton und Mineralien bei hohen Temperaturen zum sogenannten Zementklinker gebrannt. Dies benötigt viel Energie. Der grobkörnige Klinker wird schließlich zum feinen, grauen Zementpulver zermahlen, das nach dem Vermischen mit Wasser aushärtet. Chemisch gesehen kristallisieren dabei Calciumsilicathydrat (CSH) und andere Verbindungen aus dem Zement zu einem kompakten Kunststein aus, in den die im Beton ebenfalls enthaltenen Zuschlagstoffe wie Sand oder Kies eingebettet sind.

Photo: Beton
Beton ist heute allgegenwärtig. Weltweit werden jährlich rund 1,4 Mrd. Tonnen Zement zu diesem harten Kunststein verarbeitet.

Für die Produktion von Fertigteilen wird der noch flüssige Beton in eine Schalung aus Holz, Metall oder Kunststoff gegossen. Diese Gussform kann erst geöffnet und das Bauteil entnommen werden, wenn der Beton genügend ausgehärtet ist. Bei Umgebungstemperaturen von etwa 20 Grad Celsius dauert es durchschnittlich rund zwölf Stunden, bis der Beton hart genug ist – wertvolle Zeit, in der die Formen nicht genutzt werden können. Daher wird der flüssige Beton oft mithilfe von Wasserdampf erhitzt. Das beschleunigt zwar das Aushärten, fordert jedoch auch viel zusätzliche Energie. Zudem kann es dabei zu inneren thermischen Spannungen, Verfärbungen und einer gröberen Oberfläche des fertigen Betonteils kommen.

„X-Seed macht die Wärmebehandlung mit all ihren Nachteilen weitgehend überflüssig“, erläutert Dr. Michael Kompatscher, verantwortlich für den europäischen Betonfertigteil-Markt der BASF.

„Mit seiner Hilfe erhärtet Beton bei 20 Grad Celsius ebenso schnell wie sonst bei 60 Grad Celsius. Und das auf genial einfache Weise – denn es wird lediglich etwas zugefügt, was im Beton ohnehin schon enthalten ist: Calciumsilicathydrat.“ Genauer gesagt, sind es Abermillionen winziger CSH-Kristalle von wenigen Nanometern Durchmesser, die in X-Seed in einer Flüssigkeit schweben. Aufgrund ihrer Nanogröße können hier bei gleicher Masse mehr Kristallisationskeime in sehr gleichmäßiger Verteilung untergebracht werden und so für schnelleres Wachstum sorgen. An diese CSH-Keime können sich dann beim Aushärten des Betons weitere Moleküle aus dem Zement anlagern. Die so entstehenden Kristalle verdichten und verhaken sich schließlich zum kompakten Zementstein.

Photo: Nanoscale Crystals
Nanoskalige Kristallkeime lassen Beton auch bei normalen Umgebungstemperaturen schneller erhärten (Vergrößerung 960:1 bei 12 cm Bildbreite).

Den Wirkmechanismus des Härtungsbeschleunigers erklärt Professor Horst-Michael Ludwig von der Bauhaus-Universität Weimar: „Die Verfügbarkeit solcher Kristallisationskeime entscheidet ebenso wie die Temperatur über das Tempo der Kristallbildung und damit der Aushärtung. Normalerweise müssen sich die CSH-Keime erst spontan aus mehreren, aus dem Zement gelösten Molekülen bilden, die zufällig aufeinandertreffen. X-Seed umgeht diese erste Hemmschwelle der Kristallisation, indem es diese winzigen Kristallkeime im Überfluss zur Verfügung stellt.“ Ein weiterer Faktor sei, dass sich CSH-Kristalle gleichmäßiger verteilt bilden, so der Experte für Werkstoffe des Bauens, der sich schon früh mit dieser Thematik befasst hat. „Ohne die zusätzlichen Keime entstehen die Kristalle zuerst auf der Oberfläche der Zementkörnchen. Dadurch werden diese bald von einer kristallinen Schicht ummantelt, die den Austausch von Wasser und aus dem Klinker gelösten Molekülen und damit das weitere Erhärten verzögert.“

Beide Effekte der synthetischen Kristallkeime halbieren die Zeit bis zum Ausschalen bei 20 Grad Celsius von etwa zwölf auf sechs Stunden, ohne dass am Endprodukt irgendwelche Unterschiede festzustellen wären. In der Theorie klinge das einfach, gibt der BASF-Forscher Dr. Luc Nicoleau zu, der an der Entwicklung von X-Seed maßgeblich mitgearbeitet hat:

„Es war vor allem eine große Herausforderung, die synthetischen, nur wenige Nanometer großen CSH-Kristalle in einer flüssigen Suspension über lange Zeit in der Schwebe zu halten, ohne dass sie zusammenbacken und so an Wirksamkeit verlieren.“ Dieses verfahrenstechnische Kunststück gelang den BASF-Experten jedoch schließlich dank ihrer langjährigen Erfahrung im Dispergieren von Feinststoffen.

Als X-Seed, das einfach mit den anderen Zutaten in den Betonmischer gegeben werden kann, schließlich 2009 auf den Markt kam, zeigte sich sofort sein enormes Einsatzpotenzial. Neben dem Nutzen für den großen Markt für Betonfertigteile, deren Hersteller nun effizienter und schneller produzieren und Auslastungsspitzen flexibler bewältigen können, bringt der innovative Beschleuniger auch bei einer Reihe anderer Anwendungen Vorteile. Das Nanoprodukt verkürzt die Bauzeiten von Straßen, Tunneln und Flugpisten – auch bei winterlichen Außentemperaturen. Dabei spart es nicht nur Kosten, sondern wirkt sich auch äußerst positiv auf die Energie- und Klimabilanz und damit auf die Nachhaltigkeit des Werkstoffs Beton aus.

Die Infobox

X-Seed auf dem Prüfstand der Nachhaltigkeit

Die ökologischen, ökonomischen und sozialen Auswirkungen von X-Seed über dessen gesamten Lebensweg wurden mit der SEEBALANCE®, SocioEcoEfficiency-Analyse, der BASF untersucht.

Das ganzheitliche Bewertungsverfahren sollte wissenschaftlich fundierte Antworten auf zwei zentrale Fragen liefern.

1. Beschleunigtes Aushärten mit Dampf verbraucht rund 10 Liter Heizöl pro Tonne Beton. X-Seed macht dies überflüssig. Wie wirkt sich das im Nachhaltigkeitsvergleich aus?

  • Ökologisch: Die Einsparung des Heizöls beim Aushärten reduziert unter anderem CO2- Emissionen sowie den Energie- und Ressourcenverbrauch.
  • Sozial: Verbesserter „sozialer Fingerabdruck“ in allen untersuchten Bereichen der Betonproduktion. Beispielsweise trägt X-Seed dazu bei, qualifizierte und gut bezahlte Arbeitsplätze zu schaffen.
  • Ökonomisch: X-Seed spart insgesamt mehr Kosten ein, als sein Kauf verursacht.

2. Das Brennen des Zementklinkers verbraucht viele fossile Brennstoffe und setzt große Mengen CO2 frei. Durch den verstärkten Einsatz von klinkerarmen Zementen, die einen höheren Anteil von Füllstoffen wie Hüttensand und Flugasche enthalten, ließen sich diese Emissionen nach Einschätzung der Internationalen Energie-Agentur um rund 13 % senken. Solche Zemente härten jedoch wesentlich langsamer aus – ein Nachteil, den X-Seed voll kompensieren kann. Wie wirkt sich die dank X-Seed mögliche Reduzierung des Zementklinkers aus?

  • Ökologisch: Klinkerarmer Zement mit X-Seed spart Energie und verringert damit CO2-Emissionen.
  • Sozial: Der Mix aus klinkerarmem Zement und X-Seed weist bei allen betrachteten sozialen Bewertungsgrößen positive Effekte auf, zum Beispiel aufgrund anspruchsvoller und gut bezahlter Arbeitsplätze in der chemischen Industrie.
  • Ökonomisch: Einsparung durch günstigeren Zement gleicht Kosten für X-Seed weitgehend aus.

Neben der BASF-internen Seebalance-Analyse hat das Unternehmen gemeinsam mit dem Freiburger Ökoinstitut am Beispiel von X-Seed ein ganz neues Verfahren zur Nachhaltigkeitsbewertung von Nanoprodukten getestet. Dieser sogenannte „Nano-Nachhaltigkeitscheck“ belegte ebenfalls, dass X-Seed einen entscheidenden Beitrag zum nachhaltigen Bauen mit Beton leisten kann.

Vom Nanokristall zum Betonbauteil

Vom Nanokristall zum Betonbauteil

Info-Grafik

Photo: Beton

Pressefoto

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