CO₂ verändert die Aushärtung von Zement – und macht Beton früher belastbar

Beton muss nach dem Gießen erst fest werden. Erst dann können Schalungen weg, Bauteile weiterbearbeitet oder nächste Bauabschnitte begonnen werden. Für klimafreundlicheren Beton ist deshalb eine Frage besonders wichtig: Bindet er CO₂ – und bleibt er trotzdem zuverlässig belastbar?

Forscher des MIT liefern nun einen wichtigen Hinweis. Sie mischten gefrorenes Kohlendioxid in frische Zementpaste und beobachteten, was in den ersten Stunden passiert. Das Ergebnis: CO₂ wird im Zement mineralisch gebunden, gleichzeitig verändert es offenbar die Aushärtung. In den Laborproben war der Mörtel nach einem Tag messbar fester.

Warum CO₂-Beton mehr können muss als Klimaschutz

CO₂-behandelter Beton ist kein eigener Baustoff wie Stahlbeton oder Leichtbeton. Gemeint ist Beton, dem beim Mischen Kohlendioxid zugesetzt wird. Das CO₂ reagiert mit Bestandteilen des Zements und wird mineralisch im Material gebunden. In den MIT-Versuchen geschah das in Zementpaste und Mörtelproben.

Bislang ging es dabei vor allem um die Klimabilanz. Die Zementproduktion verursacht rund acht Prozent der menschengemachten Treibhausgasemissionen. Wenn Beton CO₂ aufnehmen kann, könnte er einen Teil dieses Problems abmildern. Doch für Baustellen zählt noch etwas anderes: Der Beton muss planbar fest werden.

Die neue Arbeit aus dem Journal of the American Ceramic Society zeigt nun, warum CO₂ dabei nicht nur ein Klimathema ist. Es greift auch in die frühe Chemie des Zements ein.

Was CO₂ im frischen Zement auslöst

Zement wird nicht fest, weil er einfach trocknet. Er härtet aus, weil Zement und Wasser chemisch reagieren. Dabei entstehen Bindestoffe, die aus der weichen Masse festen Zementstein machen.

Sobald CO₂ in die frische Zementpaste gelangt, löst es sich im Porenwasser. Dort reagiert es mit Kalzium aus dem Klinker, dem gebrannten Grundstoff des Zements. Daraus entstehen feste Carbonate. So wird das CO₂ im Material gebunden.

Dieser Schritt verändert aber zugleich den normalen Ablauf. Das CO₂ zieht der Zementchemie zunächst Kalzium ab. Dadurch bildet sich vorübergehend ein feines Silicagel. Dieses Gel verschwindet später wieder und trägt dazu bei, dass sich der feste Binder breiter in der Paste verteilt.

MIT-Forscher sehen einen flüchtigen Zwischenschritt

Solche Zwischenstufen sind schwer zu beobachten, weil sie schnell entstehen und wieder verschwinden. Das MIT-Team nutzte deshalb Raman-Mikrospektroskopie. Vereinfacht gesagt: Ein Laser trifft auf das Material, und das zurückgestreute Licht verrät, welche Stoffe gerade vorhanden sind.

„Wir haben Raman-Spektroskopie genutzt, um einige der interessantesten Materialien der Geschichte besser zu verstehen, von den Schriftrollen vom Toten Meer bis zu antikem römischem Beton“, sagt Admir Masic vom MIT. „Zementpaste mag im Vergleich weniger glamourös erscheinen, aber wenn wir einen Laser auf CO₂-injizierte Zementpaste richten, während sie erhärtet, können wir Dinge sichtbar machen, die zuvor nicht gesehen wurden.“

Besonders wichtig war das Silicagel. Es entstand in den CO₂-Proben früh, breitete sich in der Paste aus und verschwand nach einigen Stunden wieder. „Zunächst sah die flüchtige Natur des Silicagels wie ein Ausreißer in den Raman-Daten aus“, sagt Marcin Hajduczek. „Aber schnell wurde klar, dass sein plötzliches Verschwinden ein konsistentes, unbestreitbares Merkmal jeder CO₂-injizierten Probe war.“

Nach 24 Stunden war der Mörtel stärker

Am Ende zählt für die Baupraxis die Festigkeit. Die Forscher testeten Mörtelwürfel mit einem CO₂-Anteil von einem Prozent bezogen auf die Zementmasse. Nach 24 Stunden erreichten diese Proben eine Druckfestigkeit von 7,39 Megapascal. Die Vergleichsproben ohne CO₂ kamen auf 6,11 Megapascal. Das entspricht einem Plus von 13 Prozent.

Auch beim Erstarren gab es einen Unterschied. Die CO₂-Proben erreichten den Erstarrungsbeginn nach 12 Stunden und 23 Minuten. Bei den Vergleichsproben dauerte es 13 Stunden und 32 Minuten.

Für Baustellen könnte eine höhere Frühfestigkeit hilfreich sein. Je früher Beton ausreichend trägt, desto besser lassen sich Abläufe planen. Noch gilt der Befund aber nur für die untersuchten Laborproben.

Noch ist das kein Beweis für jeden Beton

Die Grenzen sind wichtig. Die Forscher arbeiteten mit Zementpaste und Mörtelproben, nicht mit einem kompletten Baustellenbeton.

Außerdem verwendeten sie einen speziellen Class-G-Ölbohrzement. Für gewöhnliche Portlandzemente und Mischungen mit Zusatzstoffen müssen die Ergebnisse weiter geprüft werden.

Kurz zusammengefasst:

• CO₂-behandelter Beton soll Kohlendioxid beim Mischen mineralisch im Zement binden, ohne dass der Baustoff unzuverlässiger wird.
• In den MIT-Versuchen veränderte CO₂ die frühe Aushärtung: Es entstand kurzzeitig ein Silicagel, das später half, feste Bindestoffe breiter in der Zementpaste zu verteilen.
• Die Mörtelproben mit CO₂ waren nach 24 Stunden 13 Prozent fester; bisher gilt der Befund aber nur für Laborproben aus Zementpaste und Mörtel.

Übrigens: Wenn CO₂ im Beton landet, zählt für Klimabilanzen auch seine Herkunft. Forscher können nun unterscheiden, ob es aus Abgasen oder aus der Luft stammt – mehr dazu in unserem Artikel.

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