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Das faszinierende Material Carbonbeton – sparsam, schonend, schön

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Beton formt die Welt, in der wir leben. Der im Beton herkömmlich verbaute Stahl sorgt dabei für die Stabilität des Materials. Stahlbeton ist ressourcenintensiv, umweltbelastend, schwer und vor allem korrosionsanfällig. Mit den Folgen der Korrosionsschäden in Form von maroden Brücken oder Straßen werden wir täglich konfrontiert. Die Vorstellung, deswegen nicht mehr im Stau stehen zu müssen, klingt verlockend und unrealistisch zugleich. Doch das könnte sich bald ändern: zumindest wenn es nach Manfred Curbach, Chokri Cherif und Peter Offermann ginge. Die drei Professoren verfolgen das Ziel, in naher Zukunft etwa 20 Prozent des Stahlbetons durch Carbonbeton zu ersetzen. Doch was ist Carbonbeton und was macht ihn so besonders? Das innovative Material ist ein Verbundwerkstoff aus Hochleistungsbeton und einer Bewehrung aus Carbon. Die Revolution steckt dabei in den Carbon- bzw. Kohlenstofffasern, die für Leichtigkeit, Flexibilität und Stärke sorgen. Bis zu fünfzigtausend dieser feinen Fasern werden zu einem Garn zusammengefasst. Die Garne wiederum werden in einer Textilmaschine zu einem Gelege verarbeitet und mit einer stabilisierenden Beschichtung versehen. Die Fasern können zudem entsprechend der Kräfteverhältnisse so ausgerichtet werden, dass sie im Beton optimale Arbeit leisten. Das Ergebnis ist eine korrosionsbeständige und rohstoffsparende Alternative zum Stahlbeton.

Seit den 1990er Jahren arbeiten die Dresdner Professoren an dem faszinierenden Material Carbonbeton. Die grundlegenden Erkenntnisse basieren auf der Erforschung des Textilbetons in zwei Sonderforschungsbereichen der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Dresden und Aachen in dem Zeitraum von 1999 bis 2011. Die in diesem Rahmen gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse wurden sukzessive in die Praxis umgesetzt. Die Gründung des Deutschen Zentrums Textilbeton, des Tudalit e. V., der TUDATEX GmbH sowie der CarboCon GmbH sind das Ergebnis dieser intensiven Arbeit. Die Umsetzung in die Praxis entlang der gesamten Prozesskette – vom Werkstoff bis zum fertigen Bauteil – hat bereits begonnen und wird seit 2014 in Deutschlands größtem Forschungsprojekt im Bauwesen „C³ – Carbon Concrete Composite“ weitergeführt. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierte Projekt steht unter der Leitung von Professor Manfred Curbach und treibt die Forschungen zu Carbonbeton unter der Konsortialführung der Technischen Universität Dresden weiter voran. Über 140 Unternehmen arbeiten gemeinsam an der erfolgreichen Einführung des Materials auf den Markt.

Carbonbeton ist korrosionsbeständig, leicht und frei formbar. Somit ergibt sich überall dort ein Markt, wo ressourcen- und energieeffiziente, langlebige, platzsparende und multifunktionale Bauweisen benötigt werden.

Carbonbeton kann in zwei Bereichen eingesetzt werden: bei der Instandsetzung von Bauwerken (Tunnel, Brücken, Wohn- und Industriegebäuden, Betonmasten) und im gesamten Neubau. Hier liegt das Hauptaugenmerk vor allem auf der Reduzierung der Bauteilmasse und damit des Eigengewichts. So können z. B. bei Fassaden- oder Balkonbodenplatten sowohl Material-, Transport- und Montagekosten als auch Kosten für Unter-, Befestigungs- und Tragkonstruktion reduziert werden. Durch leichtere Bauteile können weiterhin der Vorfertigungsgrad im Fertigteilwerk erhöht und damit Kosten gesenkt sowie die Qualität der Bauteile verbessert werden.

Anhand zahlreicher verstärkter Bauwerke und Neubauten konnten die Praxistauglichkeit des Carbonbetons und die extrem hohe Ressourceneffizienz eindrucksvoll und überzeugend gezeigt werden.

Sparend: Bei Verwendung von Carbonbeton sparen wir Kosten und Material
Das Bauen mit carbonbewehrtem Beton schafft neue Werte in Form von neuen Bauwerken mit deutlich verlängerter Nutzungszeit. Gleichzeitig bewahrt Carbonbeton vorhandene Werte durch die Eigenschaft, mit extrem dünnen Schichten alte Gebäude zu verstärken, um sie damit über einen längeren Zeitraum weiter nutzen zu können. Mit Carbonbeton sparen wir nicht nur wertvolle Ressourcen, sondern können gleichzeitig die Gesamtkosten reduzieren. So hat sich beispielsweise im Ausschreibungsverfahren für die Instandsetzung der historischen Bahnbrücke in Naila Anfang 2016 Carbonbeton gegen Stahlbeton durchgesetzt, da die Lösung mit Carbonbeton 10 Prozent günstiger war. Außerdem konnten bei diesen Verstärkungsmaßnahmen etwa 80 Prozent des Materials eingespart werden.

Wichtig ist dabei, dass Carbon und Stahl hinsichtlich der Leistungsfähigkeit preislich auf Augenhöhe liegen, wobei die kg-Preise dies zunächst nicht erwarten lassen. Ein Kilogramm Stahl kostet nur ca. 1 Euro, ein Kilogramm Carbon dagegen ca. 16 Euro. Die Dichte von Carbon ist allerdings viermal geringer und die Festigkeit sechsmal höher. Somit bekommt man für den 16-fachen Preis die 24-fache Leistungsfähigkeit.

Fassadenplatten oder Verstärkungsschichten beispielsweise sind mit Carbonbeton nur noch ca. zwei Zentimeter statt mit Stahlbeton ca. acht Zentimeter dick. Somit muss 75 Prozent weniger Material hergestellt, transportiert, eingebaut sowie verankert werden. Auch die deutlich verlängerte Nutzungszeit spielt hier eine wichtige Rolle: Während Bauten aus Stahlbeton nach etwa 40 bis 80 Jahren aufgrund von Rostschäden erneuert werden müssen, sprechen wir bei Carbonbeton von einer Lebensdauer von bis zu 200 Jahren und mehr.

Schonend: Mit Carbonbeton reduzieren wir den CO2-Ausstoß und schonen wertvolle Ressourcen
Die Bauindustrie gehört zu den wichtigsten Branchen der deutschen Wirtschaft. Ihre Innovationsfähigkeit wird einen enormen Einfluss darauf haben, ob die Klimaziele – die Reduktion des CO2-Austoßes, Energieeinsparungen und Ressourcenschonung – erreicht werden. Nach Wasser ist Beton mit ca. 5 Milliarden m³ der am meisten verwendete Rohstoff. Beton besteht aus Zement, Sand, Kies und Wasser. 1,6 Milliarden Tonnen Zement, 10 Milliarden Tonnen Gesteinskörnung (Sand und Kies) und eine Milliarde Tonnen Wasser pro Jahr werden weltweit für die Entstehung von neuen und der Sanierung von alten Gebäuden und Brücken verwendet. Dabei verursacht jede Tonne Zement über eine halbe Million Tonnen CO2. Der immense Materialbedarf führt dazu, dass die Bauwirtschaft zu den größten CO2-Emittenten zählt und für etwa 40 Prozent des Energieverbrauchs weltweit verantwortlich ist.

Carbon ist der Grundbaustein des irdischen Lebens. Er lässt sich aus Pflanzen, Gesteinen und sogar Luft gewinnen. Zur Herstellung von Carbon wird aktuell noch Erdöl genutzt – da es preiswert und im Vergleich zu den benötigten Mengen unbegrenzt verfügbar ist. Aktuelle Forschungen befassen sich u. a. mit Carbonherstellung aus Ligninen, also Holzabfallprodukten, die bei der Papierherstellung übrig bleiben. In ca. fünf Jahren sollte eine industrielle Herstellung möglich sein.

Der Materialwechsel zu Carbonbeton reduziert den Energiebedarf und den CO2-Ausstoß bei der Herstellung und Instandsetzung von Bauwerken um knapp 50 % und schont wertvolle Ressourcen. Mit Carbonbeton können wir dünnwandiger bauen und benötigen dementsprechend weniger Zement, weniger Sand, weniger Kies und weniger Wasser, sparen zudem Transportkosten.

Schön: Mit Carbonbeton schaffen wir eine völlig neue Formensprache
Der dauerhafte und rohstoffsparende Verbundwerkstoff Carbonbeton vereint hohe Festigkeit mit freier Formbarkeit und Multifunktionalität, so dass die Instandsetzung von Bauwerken und das künftige Bauen wirtschaftlich effizient, ökologisch nachhaltig und ästhetisch ansprechend sein werden. „Leicht Bauen“ und „Beton“ sind kein Widerspruch mehr. Aufgrund der geringen Bauteildicke und flexiblen Carbonbewehrung können wir filigraner und schöner bauen. Somit gewinnen wir mehr Innenraum bei gleicher Außenfläche. Das leicht verformbare und gleichzeitig sehr zugfeste Carbongelege lässt sich einfach verarbeiten und ermöglicht durch eine höhere Belastbarkeit einen Einsatz als tragende Bewehrung.

Carbonbeton leitet sowohl in der Architektur als auch in der Konstruktion von Bauwerken einen Paradigmenwechsel ein und führt zu einer neuen Formensprache. Es wird möglich werden, Bauwerke an sich verändernde Nutzungsanforderungen anzupassen und sich zukünftig stärker auf zusätzliche Funktionalitäten ausrichten zu lassen. Auch in der Bestandssicherung und Sanierung eröffnet Carbonbeton neue Perspektiven. Der innovative Baustoff erlaubt extrem dünne, hoch wirksame Verstärkungen im Betonbau und eignet sich besonders bei schwierigen räumlichen Verhältnissen und im Denkmalschutz.

TU Dresden / Institut für Massivbau & Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik
Die Technische Universität Dresden ist mit 36.000 Studierenden eine der Spitzenuniversitäten Deutschlands und Europas: stark in der Forschung, erstklassig in der Vielfalt und der Qualität der Studienangebote, eng vernetzt mit Kultur, Wirtschaft und Gesellschaft.

Massivbau wird seit über 100 Jahren an der TU Dresden gelehrt. Zum Institut gehören heute zwei Professuren. Das Thema in Lehre und Forschung ist bewehrter Beton in Experiment und Simulation und das in allen seinen Facetten. Zahlreiche Praxispartner bereichern das Angebot und überführen mit gemeinsamen Kräften die Forschungsergebnisse in reale Bauprojekte. Die Forschungsaktivitäten am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) beinhalten u. a. die Verarbeitung von faserbasierten High-Tech Werkstoffen nach unterschiedlichen Verarbeitungstechnologien sowie die funktionsintegrierte Entwicklung von textilen Halbzeugen und Textilprodukten. Ergänzt werden die Forschungsaktivitäten durch die Modellierung und Simulation von Strukturen und Prozessen entlang der gesamten textilen Kette.

Das interdisziplinäre Projekt „C³ – Carbon Concrete Composite“ ist eines von zehn geförderten Projekten im Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« der Initiative »Unternehmen der Region«. Die Leitung des Projektes obliegt der Technischen Universität Dresden. Das C³-Projekt entwickelt mit über 140 Partnern aus Forschung, Unternehmen und Verbänden einen neuen Materialverbund aus Carbonfasern und Hochleistungsbeton. Carbonbeton ist durch seine Flexibilität und Langlebigkeit eine ressourcenschonende Alternative zu Stahlbeton und spart nicht nur Material ein, sondern eröffnet zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten, die durch Leichtigkeit und freie Formbarkeit geprägt sind.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Das faszinierende Material Carbonbeton – sparsam, schonend, schön“ wurde von der Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften eingereicht.