16.04.2021 - University of Tokyo

Beton ohne Zement?

Einfache Chemie wird die Nachhaltigkeit der Betonproduktion verbessern

Forscher am Institute of Industrial Science, einem Teil der University of Tokyo, haben eine neue Methode entwickelt, um Beton ohne Zement herzustellen. Sie haben Sandpartikel durch eine einfache Reaktion in Alkohol mit einem Katalysator direkt miteinander verbunden. Dies könnte sowohl helfen, den Kohlenstoffausstoß zu verringern, als auch Gebäude und Strukturen in Wüstenregionen und sogar auf dem Mond oder Mars zu errichten.

Beton besteht aus zwei Teilen: dem Zuschlagstoff (typischerweise aus Sand und Kies) und dem Zement (verantwortlich für 8 % der gesamten weltweiten CO2-Emissionen). Obwohl es auf der Welt eine riesige Menge an Sand gibt, ist die Verfügbarkeit von Sand für die Betonherstellung ziemlich begrenzt, da die Sandpartikel eine bestimmte Größenverteilung haben müssen, um die Fließfähigkeit von Beton zu gewährleisten.

"Im Beton wird Zement verwendet, um Sand und Kies zu verbinden. Einige Forscher untersuchen, wie mehr Zement durch andere Materialien wie Flugasche und Hochofenschlacke ersetzt werden kann, um die CO2-Emissionen zu reduzieren, aber dieser Ansatz ist nicht nachhaltig, da das Angebot an diesen Materialien aufgrund des reduzierten Einsatzes von Wärmekraftanlagen und des verstärkten Einsatzes von Elektroofenstahl abnimmt", erklärt Yuya Sakai, Hauptautor. Daher wird ein neuer Ansatz benötigt, um Beton aus unerschöpflichen Materialien mit geringerer Umweltbelastung herzustellen. "Forscher können Tetraalkoxysilan aus Sand durch eine Reaktion mit Alkohol und einem Katalysator herstellen, indem sie das Wasser, das ein Nebenprodukt der Reaktion ist, entfernen. Unsere Idee war es, das Wasser zu belassen, um die Reaktion vom Sand zum Tetraalkoxysilan hin und her zu verschieben, um die Sandpartikel miteinander zu verbinden."

Die Forscher stellten einen Becher aus Kupferfolie in ein Reaktionsgefäß mit Sand und Materialien und variierten systematisch die Reaktionsbedingungen, wie die Mengen an Sand, Alkohol, Katalysator und Dehydrierungsmittel, die Heiztemperatur und die Reaktionszeit. Das richtige Verhältnis von Sand und Chemikalien zu finden, war entscheidend, um ein Produkt mit ausreichender Festigkeit zu erhalten.

"Wir erhielten ausreichend starke Produkte zum Beispiel mit Quarzsand, Glasperlen, Wüstensand und simuliertem Mondsand", sagt Zweitautor Ahmad Farahani. "Diese Erkenntnisse können den Weg zu einer grüneren und wirtschaftlicheren Bauindustrie überall auf der Erde fördern. Unsere Technik erfordert keine spezifischen Sandpartikel, die beim konventionellen Bauen verwendet werden. Dies wird auch dazu beitragen, die Probleme des Klimawandels und der Weltraumentwicklung anzugehen."

Außerdem dürfte das Produkt eine bessere Haltbarkeit als herkömmlicher Beton haben, da kein Zementleim enthalten ist, der relativ schwach gegen chemische Angriffe ist und große Volumenänderungen durch Temperatur und Feuchtigkeit aufweist.

  • "Production of Hardened Body by Direct Bonding of Sand Particles"; Seisan Kenkyu, Vol. 75, 2021

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