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Kann Beton nachhaltig sein?

Neue Forschung zeigt den Weg zu grünen Beton

Concrete lining
Projekte wie AlpTransit verwenden maßgeschneiderte Gemische von Beton, für den Brandschutz und Stärke

Die menschliche Welt ist aus Beton geformt. Beton ist die Grundlage der modernen Infrastruktur und bei weitem das am häufigsten verwendete Baumaterial. Doch obwohl Beton mag glatt und einheitlich aussehen, seine Beiträge zur Luftverschmutzung und Klimawandel sind enorm. Diese Belastungen wurden lange als unvermeidbar angesehen, ein notwendiger Preis des Fortschritts.

Neue Forschungsergebnisse in der Schweiz legen diese Vermutung auf den Prüfstand...

Der Schweizer Gotthard-Strassentunnel erlebt ein tödliches Feuer im Oktober 2001. Zwei Lastwagen kollidierten, und das resultierende Inferno tötete 11 Menschen und verletzte viele andere. Die meisten Todesfälle wurden durch den Aufbau von giftigen Rauch aus dem brennenden Kraftstoff verursacht. Die strukturelle Integrität des Tunnels wurde stark beschädigt, und verursachte einen Zusammenbruch als die Betonauskleidung scheiterte.

Der Unfall förderte Untersuchungen, wie Beton verbessert werden kann, um ihn sicherer und feuerbeständiger zu machen. Es ist immer angenommen worden, jedoch, dass Beimengungen, die Eigenschaften ändern, wie Feuerverzögerung und Adsorption/Absorption, durch einen Verlust der Festigkeit, Härte oder Elastizität bezahlt würden mussen.

Ein Team von Forschern im Süden der Schweiz begann mit der innovativen Idee mit der Einschließung von Aktivkohle in Beton zu experimentieren. Zu ihrer Freude, es funktionierte nicht nur die Feuerbeständigkeit zu verbessern, sondern führte zu einer erstaunlichen Entdeckung: Aktivkohle in Beton kann auch Schadstoffe aus der Luft saugen!

In der Tat, ihrer Beton so viel CO2 und NOx sequestrieren kann, bietet er eine Netto-Senke für den Schadstoffen. Der Einsatz Beton dieser Art kann nicht nur die Umweltauswirkungen der Herstellung des Zements selbst eliminieren, aber kann weiterhin die Luft von NOx und CO2 aus anderen Quellen für Jahrzehnte reinigen. Und der neue Beton zeigt keinen Verlust an Festigkeit, Haltbarkeit oder Langlebigkeit.

Three Gorges Dam, China
China verbraucht allein 53% der Betonproduktion der Welt

Die Kombination dieser bemerkenswerten Eigenschaften mit seinem verbesserten Brandschutz macht diesen neuen Beton besonders geeignet für den Einsatz in Straßentunneln, wo die Anhäufung von Fahrzeugabgasen, mit Brandgefahr kombiniert, ein allgegenwärtiges Gefahr darstellt.

„Wir haben die Idee bekommen, als wir maßgeschneiderte Betonmischungen für die AlpTransit-Eisenbahntunnel Projekt entwickelt haben," sagt der führende Ingenieur und Forscher Michel Di Tommaso, von IMM, die Istituto Meccanica dei Materiali im Tessin, der italienischsprachige Kanton der Schweiz. „Der Gotthard-Straßentunnel-Brand war ein Weckruf. Der Beton sie benutzt hatten, schlug fehl, dank Abplatzungen (Eng. spalling) - das ist, wenn Wassermoleküle durch die Hitze in die Betonmatrix verdunsten, und so eingeschlossen haben nirgendwo zu gehen - dann platzt der Beton... wie Popcorn.“

Ein standard Anti-Spalling Technik in der Betonherstellung ist die Einbeziehung von Polypropylen (PP). PP schmilzt, wenn es ein Feuer gibt, und den ganzen Beton Mikrorisse bekommt, die bieten Platz und Wege für den Wasserdampf zu entkommen und katastrophalen Druckaufbau zu vermeiden.

„Obwohl PP das Abplatzen Problem mildert, hilft es gar nichts bei der Frage der Schadstoffe, die ein noch ernsteres Problem ist.“ Di Tommaso und sein Team sich entschieden, zu untersuchen, ob es eine Alternative gäbe, die eine Zwei-in-Eins-Lösung bieten könnte: noch stärkere Feuersicherheit, mit Schadstoffreinigung.

Die Gase, über den die Umweltschützer am meisten sorgen, sind die Gruppe von Verbindungen, die durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen. Die Emissionen umfassen verschiedene Kombinationen von Stickstoff und Sauerstoff, allgemein bekannt als NOx. Die häufigsten NOx aus Autoabgasen sind NO und NO2. Letzteres ist ein photosynthetisches Gas, das unter Sonnenlicht Ozon erzeugt, noch ein großes städtisches Schadstoffproblem. Es wird auch mit Wasser in Wolken reagieren, um saurer Regen zu bilden.

Ein zweiter Schadstoff, der Anlass zur Besorgnis gibt, ist Kohlendioxid, das berüchtigte Treibhausgas, das Ländern um der ganzen Welt Versprechungen zu reduzieren gemacht haben. Versprechungen, die Innovationen wie grüner Beton zu erreichen helfen können.

„Die Suche nach einer günstigen, standardisierten Verfahren zur Herstellung von elastischen, sicheren und sauberen Beton, mit dem zusätzlichen Bonus von einer Netto-CO2-Senke, würde auch einen enormen Einfluss auf die globale Erwärmung Problem erbringen,“ so der Betonspezialist Di Tommaso begeistert.

Cement manufacturing plant
Beton verursacht etwa 6% der anthropogenen Treibhausgasemissionen der Welt (Photo credit: www.cemnet.com)

Wenn organische Substanzen in Abwesenheit von Sauerstoff erhitzt werden, in einem Prozess als Pyrolyse bekannt, das Ergebnis ist eine Substanz, die aus etwa 70% reinem Kohlenstoff besteht, aber einer Struktur hat, die sehr porös ist, mit einer riesigen Fläche. Eine solche Substanz hat die Fähigkeit, Moleküle aus der Luft zu ziehen, und haften sie mehr oder weniger dauerhaft auf ihrer Oberfläche. Dies wird als Adsorption bekannt.

Die Aktivkohle, oder bio-char, durch Pyrolyse erzeugt, wurde seit langem in Filtern verwendet worden, um Schadstoffe aus Flüssigkeits- und Gasströmen zu entfernen. Allerdings wusste niemand, dass, wenn Aktivkohle in porösem Beton eingebracht ist, die Luft, die mit dem Beton in Berührung kommt, wird von seiner gefährlichen Schadstoffen passiv gereinigt.

Die Schweiz verbraucht viel Beton in ihrer enormen Tiefbauprojekten, wie dem neuen AlpTransit Eisenbahntunnel, der längste der Welt, dieses Jahr abgeschlossen. Aber Europas Verbrauch ist klein im Vergleich zu China, das derzeit 53% der jährlichen Betonherstellung der Welt verbraucht. Etwas in der Größenordnung von 5,5% bis 6,5%1 der anthropogenen Treibhausgase sind das Ergebnis der Zementproduktion für Beton allein. Umwandlung der über 4 Milliarden Tonnen Zement jährlich produziert in eine Netto-Senke wird mehr als 3 Milliarden Tonnen CO2 sparen.

„Das Biochar scheint eine Möglichkeit zu bieten, Beton nachhaltig zu machen, welches alle anderen Qualitäten, die wir brauchen über eine breite Palette von Anwendungen besitzt,“ sagt Michel Di Tommaso. „Die Wissenschaft hat gezeigt, dass es funktioniert. Alles, was wir jetzt tun müssen, ist die Industrie zu überzeugen, ihre Gewohnheiten zu ändern - aus den richtigen Gründen.“

IMM SA ist ein Unternehmensmitglied der Umwelt.Science, und für weitere Informationen über ihre Forschung sehe ihre Mitgliederseite: Corporate Member Homepage: umwelt.science/IMM.

Ein Profil über den Forscher Michel Di Tommaso ist auch vorhanden: Profil: Michel Di Tommaso.

1 Cemnet.com: Harnessing CO2

Artikel von Andrew Bone, Mittwoch, den 10 August 2016