Empa: Sparsamer und umweltfreundlicher Bauen mit Beton Dank 3D-Druck

Nachhaltig bauen mit Beton: 3D-Druck, intelligente Formen, digitale Fertigung und alternative Bindemittel sollen es möglich machen. Ein europäisches Forschungsteam mit Beteiligung der ETH Zürich und der Empa will das Bauen mit Beton revolutionieren und es umweltfreundlicher machen.

Quelle: Empa

Die 3D-gedruckten Strukturen brauchen weniger Material und kommen ohne Stahlbewehrung aus.

Mit möglichst wenig Masse, ohne aufwendige Stahlbewehrung und ohne Zement das Bauen mit Beton grundlegend verändern und das Design der Betonbauteile so anlegen, dass sie sich nach Gebrauch leicht demontieren und an einem neuen Standort erneut verwenden lassen. Dies ist das Ziel des EU-Projekts CARBCOMN, an dem sich die Empa, die ETH Zürich und weitere europäische Partner beteiligen. Das Akronym CARBCOMN steht für «Carbon-negative compression dominant structures for decarbonized and de-constructable concrete buildings» .

 «Zum einen nutzen wir digitale Fertigungsmethoden, um ressourcenschonend zu bauen. Zum anderen ersetzen wir herkömmlichen Zement durch Bindemittel mit geringerem CO₂-Fussabdruck», erklärt Empa-Forscher Moslem Shaverdi das Projekt. Anstelle von Zement wird mit Stahlschlacke ein Nebenprodukt der Stahlindustrie eingesetzt. Wie die Empa schreibt besteht der CARBCOMN-Beton ausschliesslich aus Industrieabfällen. Mittels 3D-Druck werden aus ihm einzelne Bauteile entstehen, zu tragenden Strukturen zusammengefügt werden. Anstelle konventioneller Stahlbewehrung kommen sogenannte «compression dominant structures» zum Einsatz. Konkret geht es dabei um Tragwerke, bei denen die Hauptkräfte als Druckkräfte respektive Kompression durch das Material geleitet– und nicht als Zug oder Biegung. «Beton hält viel Druck aus, aber wenig Zugbelastung», so Shaverdi. Deshalb entwickelt das Forschungsteam Strukturen, die vor allem auf Druck beansprucht werden – ähnlich wie historische Steinbrücken mit ihren Bögen.

3D-Druck ermöglicht präzis geplante Formen und geringen Materialeinsatz 

Quelle: Universität Gent

Hergestellt wurde die Struktur im 3D-Druckverfahren an der belgischen Universität Gent.

Damit solche geometrisch optimierten Formen präzise geplant werden können und der Materialeinsatz deutlich verringert werden kann setzt das Forschungsteam auf digitale Fertigung: Um teures Schalungsmaterial einzusparen, wird Beton in Schichten gedruckt. Zudem werden Hohlräume gezielt dort freigelassen, wo es keine Verstärkung braucht. «Wir planen diese Öffnungen direkt im digitalen Modell, sodass der Roboter sie beim Drucken automatisch freilässt», präzisiert Shahverdi. Leichtere Elemente senken nicht nur den Materialverbrauch, sondern auch die seismische Belastung proportional zum Gewichtsverlust - ein entscheidender Vorteil in erdbebengefährdeten Regionen. «Selbst zehn Prozent weniger Gewicht bedeuten viel», so Shahverdi.

Eisenbasierte Formgedächtnislegierungen für die Stahlbewehrungen

Trotzdem, ganz ohne Stahlbewehrungen kommt das Konzept nicht aus: Sie werden nur dort eingesetzt, wo sie wirklich nötig sind. Mit eisenbasierten Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA) bringt Empa hierbei eine ihrer Spezialitäten ins Projekt ein: Diese vorgedehnten Metalle ziehen sich beim Erhitzen nicht aus sondern zusammen, auf diese Weise versetzen sie Bauteile nachträglich unter Spannung. «Wir arbeiten seit rund 20 Jahren mit solchen speziellen Legierungen», sagt Shahverdi. - Das Empa-Spin-«off re-fer» bringt darum ebenfalls seine Expertise im Bereich Formgedächtnislegierungen ins «CARBCOMN»-Konsortium ein.

Klassische Spannstahlbewehrungen müssen aufwendig vorgespannt werden; Formgedächtnislegierungen hingegen werden unkompliziert nach dem Druck in den Beton eingefügt. Dies bringt laut Empa mehrere Vorteile: Der Druckprozess bleibt so automatisiert und ungestört, und die «Fe-SMA»-Bewehrungsstäbe können gezielt dort platziert werden, wo sie tatsächlich nötig sind. Zudem lassen sie sich später wieder vom Beton trennen, was entscheidend ist, um sie  auch wieder auseinander zu nehmen, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Allerdings sollen laut Shahverdi langfristig auch diese Arbeitsschritte automatisiert werden: «In Zukunft könnte ein zweiter Roboter die ‘Fe-SMA’-Bewehrungsstäbe direkt nach dem Druck einsetzen.»

Nachträglich injiziertes CO₂ härtet den Beton und bindet CO₂

Quelle: Empa

Empa-Forscher Moslem Shahverdi inspiziert das Bauteil.

Sind die Betonbauteile ausgedruckt, in eine Kammer gebracht, wo  das CO₂ injiziert wird: Es reagiert chemisch mit der stahlschlackenbasierten Betonmischung. «Dieses Verfahren härtet den Beton und bindet gleichzeitig CO₂», führt Shahverdi aus. Ziel dabei: Die Festigkeit mit einer optimierten Betonmischung weiter zu steigern. Reicht dies nicht aus, liesse sich ein kleiner Anteil Zement ergänzt werden. Shaverdi ist überzeugt, dass dies für normale Anwendungen im Tiefbau bereits eine gute Ausgangsbasis bietet.

Parallel zum Material werden auch neue digitale Werkzeuge entwickelt: Eine gemeinsame Plattform soll den gesamten Prozess vom Entwurf bis zur Fertigung abdecken – inklusive Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusanalysen. Dazu arbeiten die beteiligten Architekturbüros wie Zaha Hadid Architects eng mit den am Projekt mitarbeitenden Ingenieurinnen und Materialwissenschaftlern zusammen. Während die Architektinnen und Architekten freigeformte Strukturen entwerfen, untersucht das Empa-Team die technische Machbarkeit, testet Materialien und entwickelt Verbindungstechnologien, mit denen sie sich später leicht wieder auseinander nehmen lassen. Shaverdi fasst zusammen: «Wir kombinieren hier einzigartige Expertise – 3D-Druck, strukturelle Performance und unsere Spezialität: eisenbasierte Formgedächtnislegierungen.»

Bis 2028 soll ein Prototyp entstehen – ein 3D-gedrucktes Gebäudemodul, das die Machbarkeit des neuen Ansatzes zeigt. (mgt/mai)