Selbstheilender Baustoff

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Beton ist der wichtigste Baustoff der Welt. Zugleich belastet er das Klima wie kaum ein anderes Produkt. Forscher in aller Welt arbeiten daran, die CO₂-Bilanz des Materials zu verbessern, indem sie die Zusammensetzung optimieren. Zum Beispiel mit Bakterien, die feine Risse im Beton selbstständig füllen und so die Lebenszeit von Bauwerken verlängern.

ERSCHEINUNGSTERMIN27. August 2021

TextTom Rademacher

Tom Rademacher ist freier Journalist in Köln. Er schreibt unter anderem über Wissenschafts- und Industriethemen.

Wenn Dr. Anke Reinschmidt den Clou von WallCraft erklärt, bittet sie Besucher, ganz nah an den Betonklotz heranzutreten, der im hintersten Winkel ihres Essener Labors an einem Faden baumelt. Erst dann ist die dünne weiße Linie zu erkennen, die das Objekt durchzieht. „Hier sieht man, wo der Prüfkörper zerbrochen war und jetzt wieder zusammengefügt ist“, erklärt die Chemikerin. Um zu beweisen, wie fest der Riss gekittet ist, hat ihr Team einen Eimer Sand an den Klotz gehängt. Wobei der Begriff „kitten“ in die Irre führt. Spezielle Bakterien, die dem Rohbeton zugefügt wurden, haben den Riss durch ihre Stoffwechselreaktion selbstständig verfüllt – ganz ohne menschliches Zutun.

Die Rezeptur für den Zusatz namens WallCraft stammt von Evonik und soll bald auf den Markt kommen. „Das Additiv verbindet klassische Bauchemie mit moderner Biotechnologie“, sagt Reinschmidt. Sie ist Technische Direktorin der Anwendungstechnik und des Technical Service for Construction bei Evonik. Die Bakterien in dem braunen Pulver lassen sich einfach in Mörtel oder Zement mischen. Dort ist es für die Mikroben derart ungemütlich, dass sie in ihrem Sporenstadium verharren. Diese Art Winterschlaf lässt sie theoretisch ewig überdauern. Erst wenn Wasser in den Beton eindringt, etwa über einen feinen Spannungsriss im Bauteil, erwachen die Mikroben zu neuem Leben und erzeugen über ihren Stoffwechsel Calciumcarbonat. Dieser Kalkstein füllt den Riss von selbst wieder, die Wasserquelle versiegt, und die Bakterien entschlummern erneut – bis zum nächsten Wasserschaden.

Seit Jahrzehnten arbeitet Evonik-Chemikerin Anke Reinschmidt an Zusätzen, die Beton und Mörtel besser machen. Die neueste Rezeptur mit Bakterien hat sie zusammen mit Biotechnologen im Konzern entwickelt.

Eine Entwicklung, auf der nicht nur bei Evonik große Hoffnungen ruhen. Schließlich ist es wirtschaftlich und ökologisch ein wichtiger Schritt, wenn Betonbauten sich selbst heilen können und damit deutlich länger bestehen. Doch das Problemfeld ist viel größer als die kleinen Bakterien. Und es beginnt beim immensen Bedarf an frischem Beton. Das Material und sein wichtiger Bestandteil Zement sind allgegenwärtig, die weltweite Nachfrage steigt Jahr für Jahr – auf zuletzt über vier Milliarden Tonnen.

Der größte Makel des Betons liegt in erster Linie im Zement. Bei der Produktion des Bindemittels, das vermischt mit Wasser und Zuschlagstoffen wie Sand oder Kies erst Beton entstehen lässt, werden große Mengen Kohlendioxid freigesetzt. Die Zementindustrie allein ist weltweit verantwortlich für acht Prozent der menschengemachten CO₂-Emissionen. Der Klimaeffekt variiert stark, je nach Art der Produktion. In Deutschland liegt er im Schnitt bei 590 Kilogramm CO₂ pro Tonne Zement, in anderen Ländern noch deutlich höher.

SANDRAUB AN STRÄNDEN

Schuld daran ist vor allem Klinker – Hauptbestandteil jedes Zements. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um gebranntes Kalkgestein. Das gemahlene Gestein wird dafür auf 1.450 Grad Celsius erhitzt. Neben der enormen Energiemenge, die hierfür erforderlich ist, trägt auch die chemische Reaktion, die sich beim Brennen vollzieht, zu den gewaltigen Treibhausgas-Emissionen bei: Beim Umwandeln von Calciumcarbonat (CaCO₃) in Calciumoxid (CaO) bleibt CO₂ übrig. Das ist ein nicht zu änderndes Naturgesetz.

Im Labor werden Belastungsrisse provoziert, die sich dank WallCraft wieder von selbst verschließen.

Um den Kohlendioxidausstoß zu verringern, setzen einige Forscher darauf, Klinker durch andere Stoffe zu ersetzen, zum Beispiel gemahlene Schlacke aus Hochöfen der Roheisenproduktion, Flugasche aus Abgasfiltern von Kohlekraftwerken oder natürliche Gesteinsarten. Während herkömmlicher Portlandzement 95 Prozent Klinker enthält, liegt der Durchschnitt aller Zementarten in der EU bei knapp 74 Prozent. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass der Klinkeranteil in den kommenden Jahren weiter Richtung 60 Prozent sinken wird. Neu entwickelte Rezepturen drücken ihn mithilfe klimafreundlicher Substitute heute schon unter 50 Prozent.

»Mit langlebigem Beton können wir Emissionen stark reduzieren.«

MAGNUS KLOSTER, LEITER DES MARKTSEGMENTS BAUINDUSTRIE BEI EVONIK

Der immer weiter wachsende Betonhunger der Welt bringt aber nicht nur den Ausstoß von Klimagasen mit sich. Er verschlingt auch große Mengen an Ressourcen – allen voran Sand, Wasser, Stahl und Energie. Weil glatt geschliffener Wüstensand nicht zum Betonieren taugt, wächst der illegale Raubbau an Flussbetten und Stränden. „Die verwendeten Sande werden immer schlechter“, sagt Reinschmidt. Um Beton trotzdem in hoher Qualität mischen zu können, braucht es passende Zusatzstoffe. Das Recycling von Beton kann dazu beitragen, Zement und Klimagase einzusparen. Auch hier helfen dann Additive, die gewohnte Performance im Bau zu gewährleisten.

Beton – ein jahrtausendealter Baustoff

In früheren Zeiten muss der Baustoff fast magisch gewirkt haben: menschengemachter Stein, erst flüssig, dann für die Ewigkeit erstarrt. Bereits vor 14.000 Jahren setzten Menschen betonähnliche Materialien ein. Das Pantheon in Rom ist nicht das älteste, aber eines der beeindruckendsten Beispiele. Die mehr als 40 Meter überspannende Kuppel aus „Römischem Beton“ (lateinisch: Opus caementitium) versetzt Besucher auch knapp 1.900 Jahre nach ihrem Bau noch in Staunen. Im vorletzten Jahrhundert hat der Beton, wie wir ihn heute kennen, dann endgültig seinen Siegeszug angetreten – in Gebäuden, Brücken, Tunneln und Fahrbahndecken. Jedes Jahr werden rund 30 Milliarden Tonnen des Materials verbaut, etwa mehr als die Hälfte davon in China. Binnen zwei Jahren produziert und verbraucht das Land mittlerweile mehr Beton als die USA im gesamten 20. Jahrhundert. Andere Schwellenländer holen auf und lassen die weltweite Nachfrage weiter steigen. „Beton hat erheblich dazu beigetragen, dass viele Millionen Menschen der Armut entkommen sind“, sagt Dr. Karen Scrivener, Materialchemikerin und Leiterin des Labors für Baumaterialien an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne. „Und das muss weitergehen, weil Menschen die Chance haben müssen, ein würdevolles Leben zu führen.“

LÖSUNGEN FÜR EINE KONSERVATIVE BRANCHE

„Wir lösen Probleme, das haben wir schon immer getan“, sagt Reinschmidt. Die Forscherin hat den Betonadditiven ihre Karriere gewidmet. Vor 20 Jahren befasste sie sich in ihrer Doktorarbeit damit, nach Stationen in den USA und Südamerika verschlug es sie schließlich ins Labor nach Essen. Dort testet Evonik eine Vielzahl von Additiven, die Beton besser machen. In Kombination mit Entschäumern von Evonik sorgen zum Beispiel Fließmittel dafür, dass er mit weniger Wasser angemischt werden kann, dadurch härter wird und sich dennoch bis ins oberste Stockwerk der höchsten Wolkenkratzer pumpen lässt. Schwindreduzierer mindern die Neigung von Betonteilen, sich beim Aushärten zu verformen oder zu reißen. Luftporenbildner stellen sicher, dass sich Luftblasen in exakt der richtigen Menge und Größe im Beton verteilen. „Zu viel oder zu wenig Luft im Beton oder eine ungleichmäßige Verteilung schaden dem Bauteil“, so Reinschmidt. Und Hydrophobierungsmittel verhindern, dass Wasser in das ausgehärtete Material eindringt. Sie helfen damit, Gebäude vor Witterungseinflüssen zu schützen, und machen sie haltbarer. Das sollen künftig auch die Bakterien von WallCraft – nur eben aktiv und noch länger.

„Gerade wo neu gebaut wird, haben wir die Chance, über die Zeit mit langlebigerem Beton Emissionen zu reduzieren“, erklärt Magnus Kloster. Er leitet bei Evonik Interface & Performance das Marktsegment für die Bauindustrie. Zuvor war er lange bei einem führenden Zulieferer für den Betonbau beschäftigt. „Wenn zum Beispiel Autobahnbrücken 60 statt 50 Jahre durchhalten, spart das langfristig immense Mengen an Material und CO₂-Ausstoß.“ Selbstheilender Beton hätte das Zeug dazu, den Verbrauch des Baumaterials stark zu reduzieren. „Vor allem in Schwellen- und Entwicklungsländern, wo Betonrecycling zum Teil gar nicht wirtschaftlich möglich ist, auch weil vieles dort zum ersten Mal gebaut wird“, so Kloster.

Im Labor testen die Bauchemiker von Evonik neue Rezepturen in streng genormten Verfahren.

WallCraft zeigt, wie es geht. Reinschmidt und ihr Team haben das Phänomen unzählige Mal erprobt. Kisten voller kleiner Prüfkörper, die hier „Prismen“ heißen, stapeln sich in jedem freien Winkel des Labors. Gerade werden wieder neue hergestellt – mit genormtem Sand, in genormten Metallformen, 4 Zentimeter mal 4 Zentimeter auf 16 Zentimeter. Die Raumtemperatur hat genormte 23 Grad und konstante 50 Prozent Luftfeuchtigkeit. „In der Baubranche bleibt nichts ungenormt“, sagt Reinschmidt. Verlässlichkeit geht über alles. Geprüft wird nicht nur, wie schnell, wie fest und wie oft das Material zum Beispiel je nach Feuchtegehalt wieder zusammenwächst. „Wir untersuchen auch, wie gut sich das Produkt mit anderen Additiven und jeder Art von Rezeptur verträgt“, erklärt Reinschmidt. Jeder neue Werkstoff muss verlässlich funktionieren. Die Baubranche scheut Experimente, denn wenn Betonkonstruktionen bröckeln, drohen Produzenten und Verarbeitern Regressansprüche.

Am anderen Ende der Stadt finden größere und noch eindrücklichere Versuche statt. Hier untersucht Wissbau, eine Ausgründung der Uni Essen, als unabhängiger Gutachter Baumaterialien. Das Prüflabor liegt in einem aufwendig umgebauten Bauernhof aus dem 18. Jahrhundert. Im vergangenen Jahr hat Wissbau im Auftrag von Evonik große Betonwannen gegossen und bringt sie seither regelmäßig mit brachialen Kräften kontrolliert zum Reißen. Die durch feine Risse beschädigten Wannen werden mit Wasser gefüllt, das ganz allmählich durch die Risse sickert. Binnen einem Monat verschließen die Bakterien die Risse wieder, es tritt kein weiteres Wasser aus, die äußere Betonwand trocknet ab.

„Solche Risse entstehen im Beton immer wieder, sei es beim Aushärten oder später durch die Belastung“, erklärt Reinschmidt. An sich sei das nicht schlimm. Erst wenn Wasser permanent eindringt, den Bewehrungsstahl zum Rosten bringt oder sich bei Frost ausdehnt, wird das Bauteil dauerhaft geschwächt und irgendwann zerstört. „Ein Beton, der Risse von selbst kittet, schützt sich also vor schweren Schäden.“

AUFFÜLLEN STATT ABREISSEN

Die Idee eines selbstheilenden Betons geistert schon länger durch die Branche. Tatsächlich besitzt auch herkömmlicher Beton die Fähigkeit, kleine Risse selbst zu verschließen. Das dauert jedoch meist deutlich zu lange. Forscher an der Technischen Universität München experimentieren seit einiger Zeit mit feinen Glaskapillaren im Beton, die flüssigen Kunststoff enthalten. Brechen die Kapillaren durch Bewegungen im Beton, läuft der Kunststoff aus und verklebt etwaige Risse. Auch an Bakterien arbeiten mehrere Forscher, so etwa Teams der Uni Delft in den Niederlanden und der Uni Gent in Belgien, die hierfür Start-ups ausgegründet haben. Bei Evonik kam die Idee 2016 im Rahmen eines konzerninternen Ideenwettbewerbs auf. Den Durchbruch brachte die Vernetzung der Bauchemiker aus Essen mit den Biotechnologen in Halle-Künsebeck bei Bielefeld. Dort betreibt Evonik ihr größtes Biotech-Labor. Drei weitere befinden sich in Marl, Hanau und Schanghai. Vor Kurzem erst hat der Konzern seine gesamte Biotechnologiekompetenz organisatorisch gebündelt. Die Forscher beschäftigen sich hier mit ganz unterschiedlichen Themen – von Fermentationsverfahren für Kosmetikrohstoffe bis hin zu Synbiotika für die Darmgesundheit.

Betonheilende Bakterien fanden Forscher in der konzerneigenen Sammlung in Halle-Künsebeck.

Für WallCraft durchsuchten die Biotechnologen zunächst ihre Mikroben-Bibliothek nach einem betontauglichen Organismus. Sie wurden fündig bei einem Stamm, den sie zuvor selbst in einer Umweltprobe isoliert hatten: „Die DNA und die Eigenschaften kannten wir sehr gut“, sagt Lukas Falke, der das Projekt in Halle-Künsebeck betreut.

Vom Stein zum Zement

Bei der Herstellung des wichtigsten Betonbestandteils wird viel CO₂ frei – vor allem beim Brennen.

Schutzschild für Gebäude

Protectosil bewahrt Beton und andere mineralische Untergründe vor Umwelteinflüssen.

Der Louvre in Paris, das Opernhaus von Sydney oder der Times Square in New York – die Liste der Adressen beeindruckt. Überall dort trägt Evonik mit silanbasiertem Bautenschutz dazu bei, dass prägende Architektur bewahrt wird. Unter dem Markennamen Protectosil vertreibt der Spezialchemiekonzern aus Essen Anstriche und Imprägnierungen, die Beton und Putz, aber auch natürliches Gestein wie Sandstein oder Granit vor Umwelteinflüssen und Vandalismus schützen. Dafür sorgen sogenannte Organosilane, Verbindungen aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Silizium, die das Unternehmen an mehreren Standorten weltweit herstellt. Ein besonderes Kompetenzzentrum betreibt Evonik in Rheinfelden nahe der deutsch-schweizerischen Grenze. Die vielseitigen anorganischen Partikel kommen in unterschiedlichen Industriefeldern zum Einsatz – von der Halbleiterproduktion bis hin zur Herstellung von Spritsparreifen. Als Bautenschutz dringen die Silane tief ins jeweilige Gestein ein. Dort bilden sie eine farblose und atmungsaktive Imprägnierungsschicht. Sie lässt Luft und Dampf ungehindert austreten, verhindert jedoch das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schadstoffen. Zusätzlich bietet sie einen effektiven Schutz vor Verschmutzungen und sogar Graffitiattacken. Mit Protectosil-Produkten lässt sich Stahlbeton zum Beispiel vor chloridinduzierter Korrosion schützen, einer der Hauptursachen für Schäden, die Brücken im Laufe der Jahre sanierungsbedürftig machen. Sie können direkt während der Bauphase verwendet werden wie im Fall der Brücke über die Hangzhou-Bucht im Osten Chinas – eine der längsten Meeresquerungen der Welt. Da sich Silan-Imprägnierungen problemlos nachträglich aufbringen lassen, kommen sie aber auch oft bei der Sanierung bestehender Bauwerke zum Einsatz.

MIKROBEN ERSETZEN HANDARBEIT

Der ausgewählte Bacillus-subtilis-Stamm ist ein besonders zäher Vertreter aus der Gruppe der Heubakterien. Die sind praktisch allgegenwärtig, fühlen sich im Boden ebenso wohl wie im menschlichen Darm. Im Beton trifft der Mikroorganismus dagegen auf unwirtliche Bedingungen. Zement ist alkalisch und entwickelt beim Aushärten Temperaturen von über 60 Grad Celsius. Doch weder die Hitze noch der lebensfeindliche pH-Wert noch die spitzen Kristalle im ausgehärteten Beton können dem WallCraft-Bakterium viel anhaben.

»Ein Beton, der Risse selbst kittet, schützt sich vor schweren Schäden.«

ANKE REINSCHMIDT, TECHNISCHE DIREKTORIN IN DER ANWENDUNGSTECHNIK BEI EVONIK

links: Der Langzeittest zeigt: Ein bakteriell gekitteter Riss hält auch starken Belastungen stand.
rechts: Effekte der Additive wie die Hydrophobierung (oben) werden in Essen tausendfach nachgewiesen. Prüfkörper stapeln sich in jeder Ecke.

Zudem macht es sich bei Kontakt mit Wasser eilig über mitgelieferte Kohlenstoffquellen her. Evonik gibt den Mikroben den nötigen Proviant gleich mit auf den Weg. Die genaue Zusammensetzung ist streng vertraulich. „Neben dem Bakterienstamm, den wir zum Patent angemeldet haben, ist die Nährstoffformulierung unser wichtigstes etriebsgeheimnis“, sagt Falke. Nur so viel: Zucker, die Leibspeise vieler Bakterien, fällt aus. Er wäre Gift für jeden Beton, da er das Abbinden stört.

OPERNHAUS SYDNEY
AUSTRALIEN
Die Oper in Sydney zählt zu den markantesten Betonbauten des 20. Jahrhunderts. Obwohl die Lebensdauer des 1973 eröffneten Gebäudes bis zu 300 Jahre beträgt, wird der Zustand des Baukörpers kontinuierlich überwacht.

Im Städtchen Gaggenau bei Baden-Baden hat Evonik den ersten experimentierfreudigen Partner gefunden, der WallCraft in der Praxis testet. Die Firma Grötz produziert hier Fertiggaragen aus Beton, die per Lkw zum Kunden geliefert werden. Weniger Risse im Beton sind für das Unternehmen ein gutes Verkaufsargument, zumal sich im Praxistest zeigte, dass WallCraft außerdem die Bildung von Fehlstellen mindert. Diese entstehen beim Aushärten an den Oberflächen und in den Ecken der Schalung und müssen nachträglich mit der Kelle verfüllt werden. Weil die mühsame Handarbeit wegfällt, macht sich der Einsatz von WallCraft schon beim Betonieren bezahlt.

BURJ KHALIFA
VEREINIGTE ARABISCHE EMIRATE
Seit 2007 hält der Burj Khalifa den Rekord als höchstes Gebäude der Welt. Während der Bauzeit beförderten Spezialpumpen den Beton auf 606 Meter Höhe (bis zur Spitze auf 828 Metern reicht eine Stahlkonstruktion).

Künftig soll das Material mit Mikroben weltweit zum Einsatz kommen: nicht nur in Garagen, sondern auch in Wohnblöcken, Brücken, Dämmen und vielem mehr. So könnte es einen wichtigen Beitrag dazu leisten, dass der Universalbaustoff Beton weiterhin eine große Zukunft vor sich hat.

Fotos: Robert Eikelpoth (9), imago images / Xinhua, action press / imageBROKER / Christian Reister, action press / imageBROKER / Michael Nitzschke, Shutterstock, Getty Images (2), ddp images

Illustration: Oriana Fenwick / Kombinatrotweiss mit Fotovorlage von Stefan Eisenburger

Infografik: Maximilian Nertinger

Baustoffe

Zement: Zahlen und Fakten

Er ist weltweit gefragter Grundstoff für Beton, jährlich werden Milliarden Tonnen davon produziert: Zement.

Innovationskultur

Die treibende Kraft

In der Probezeit zur Unternehmerin im Unternehmen: wie Sarah Hintermayer das Projekt „WallCraft“ entscheidend vorantrieb.

Kreislaufwirtschaft

Die Reifenprüfung

Bei der Herstellung von Asphalt aus alten Reifen spielt Vestenamer eine Schlüsselrolle. Nun lässt sich die Umweltbilanz des Additivs mit Daten belegen.

Recycling

Lang lebe der Kunststoff

Evonik-Forscher arbeiten an einem Verfahren für chemisches Recycling, um PET-Kunststoffabfälle wiederzuverwerten.

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