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Carbonbeton: Herstellung und Eigenschaften 

  • Carbonbeton als Baustoff
  • Besser als Stahlbeton?
  • Beispiele aus der Praxis     

Beton ist weltweit nach Wasser der am häufigsten verwendete Baustoff. Doch für die Produktion wird klimaschädliches Zement benötigt. Eine umweltfreundlichere Alternative ist Carbonbeton. Wir stellen das Material der Zukunft vor.

Was versteht man unter Carbonbeton?

Carbonbeton: Mehrere Schichten Carbonbeton
Carbonbeton in mehreren Schichten. Gut zu sehen: das eingelagerte Carbongitter. (Quelle: Ulrich van Stipriaan/TU Dresden/C3)

Carbonbeton ist ein Verbundwerkstoff in Form von Matten und Stäben, der aus zwei Komponenten besteht: Beton und einer textilen Bewehrung aus Kohlenstofffasern. Aufgrund seiner positiven Eigenschaften findet Beton mit Carbonfasern Anwendung bei Neubauten und Sanierungen, ebenso wie im Brücken- und Hochbau. 

Die Entwicklung von Carbonbeton fußt auf Untersuchungen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zu Textilbeton. Forscher aus Dresden und Aachen stellten in den 1990er Jahren erstmals einen Verbundwerkstoff aus alkaliresistenten Glasfasern und Beton her. Inzwischen haben sich vor allem Kohlenstofffasern, also Carbon, als Ausgangsstoff bewährt, weshalb heute in der Regel von Carbonbeton die Rede ist. Der Begriff Textilbeton wiederum fasst allgemein Verbundwerkstoffe zusammen, die aus einer Betonmatrix und einer textilen Bewehrung – Glas, Basalt oder Carbon – bestehen. 


Carbonbeton vs. Stahlbeton

Stahlbeton oder Stahlfaserbeton ist wie Carbonbeton ein Verbundwerkstoff. Die zweite Komponente neben Beton ist jedoch nicht Carbon, sondern Stahl. Im Vergleich zu Normalbeton erhöht die Metall-Bewehrung die Stabilität und Zugfestigkeit des tragenden Baustoffs.

Für klassischen Stahlfaserbeton werden dem flüssigen Beton feine Stahlabfälle beigemischt. Die Herstellung von Textilbeton beziehungsweise Carbonbeton ist aufwändiger. Hierbei werden die Glas- oder Kohlenstofffasern erst zu einem Gittergelege verarbeitet und dann als mattenförmige Bewehrung mit dem Beton verbunden. Das hat viele bauphysikalische und ökologische Vorteile im Vergleich zu Stahlbeton oder Stahlfaserbeton.


Eigenschaften von Carbonbeton

Carbonbeton: Vergleich Stahlstab/Carbonstab
Größenvergleich: Der Carbonstab links ist bei gleicher Zugfestigkeit deutlich schlanker als der Stahlstab. (Quelle: C3/Sandra Kranich)

Im Gegensatz zu Stahlbeton ist Carbonbeton nicht korrosionsempfindlich. Das verlängert die Lebensdauer und reduziert den Materialaufwand. Die Matten oder Stäbe müssen nicht vor Rost geschützt werden und benötigen daher eine geringere Betonüberdeckung. Zugleich hat der Textilbeton eine höhere Zugfestigkeit und Tragfähigkeit, so dass sich die Bauteile schlanker dimensionieren lassen. Carbonbeton ist außerdem leichter als Stahlbeton und beweglich, also auch für runde und geschwungene Formen nutzbar.

Für die Häuser von morgen braucht es angesichts von Ressourcenengpässen, steigenden Baukosten und klimatischen Herausforderungen neuartige Baumaterialien. Wir zeigen Ihnen neben Carbonbeton für Ihr Wunschhaus noch weitere Baustoffe der Zukunft.

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Herstellung von Carbonbeton

Carbonbeton: Carbongarne werden zu einem Carbongitter verarbeitet
Carbongarne werden maschinell zu einem Carbongitter verarbeitet. (Quelle: C3/Jörg Singer)

Für die Fertigung von Carbonbeton werden die Carbonfasern zunächst zu einem Garn zusammengefasst und anschließend zu Stäben oder Gelegen verarbeitet und beschichtet. Die Carbonbeton-Herstellung erfolgt im Wesentlichen mittels Gieß-, Spritz- oder Laminierverfahren:

  • Gießverfahren: Hierbei werden die Carbonfasern zunächst in einer Schalung angeordnet und anschließend mit Beton übergossen. Dieses Verfahren, bekannt aus der Stahlbeton Herstellung, findet vor allem für Neubauteile Anwendung.
  • Spritzverfahren: Die Herstellung erfolgt wie beim Gießverfahren, nur dass der Beton durch Spritzen aufgetragen wird.
  • Laminierverfahren: Diese Art Herstellungsverfahren eignet sich für Sanierungen beziehungsweise Verstärkungen. Hierbei wird eine circa drei bis fünf Millimeter dicke Schicht Feinbeton auf das bestehende Bauwerk aufgetragen und eine Lage der textilen Bewehrung eingedrückt. Den Abschluss bildet wieder eine Betonschicht. Abhängig vom Zustand des Gebäudes lassen sich beliebig viele solcher Lagen übereinander anbringen.

Eine Alternative zur herkömmlichen Herstellung könnte das Drucken von Carbonbeton darstellen. An diesem Verfahren wird aktuell intensiv geforscht. In der Baupraxis findet es noch kaum Anwendung. 


Vorteile und Nachteile von Carbonbeton

Der Einsatz von Carbonbeton im Hausbau und bei Sanierungen ist stark auf dem Vormarsch. Das liegt vor allem an den vielen Vorteilen im Vergleich zu Stahlbeton. Die Liste der Nachteile ist hingegen kurz.

Vorteile von Carbonbeton Nachteile von Carbonbeton
Carbonbeton ist viermal leichter als Stahlbeton. Die Dichte liegt bei circa 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter, wohingegen Bewehrungsstahl eine Dichte von 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter hat.  Um den Rohstoff zu Fasern und Geweben zu verarbeiten, sind hohe Temperaturen, mehrstufige, chemische Prozesse und zum Teil ein hoher Wasserverbrauch notwendig. 
Die Tragfähigkeit von Carbonbeton ist fünf- bis sechsmal höher als bei Stahlbeton.
Carbon wird bisher vielfach noch auf Basis von Erdöl hergestellt.
Der Verbundwerkstoff hat eine sehr hohe Festigkeit. Die maximale Zugspannung von Carbonbeton liegt bei rund 3.000 Newton pro Quadratzentimeter, im Vergleich zu circa 500 Newton bei Stahlbeton. Aktuell ist die Herstellung von Carbonbeton noch vergleichsweise teuer: Carbonbeton kostet in der Produktion rund zwanzigmal mehr als Stahlbeton. 
Der Baustoff aus Beton und Carbonfasern rostet nicht und ist dadurch besonders langlebig. 
 
Die Korrosionsbeständigkeit von Carbonbeton erlaubt eine schlankere Bauweise. Tragende Wände aus Carbonbeton sind im Schnitt nur sieben Zentimeter stark, solche aus Stahlbeton eher 15 Zentimeter.
 
Carbonbeton ist beweglich, so dass sich auch runde und geschwungene Formen fertigen lassen.   
Die Carbonbeton-Herstellung ist ressourcenschonender und die CO2- Emissionen der Bauwerke sind deutlich niedriger als bei normalem Beton.   
Carbonbeton ist sehr gut recyclingfähig.  
Beton mit Carbonfasern lässt sich generell aus jedem Stoff produzieren, der Kohlenstoff enthält, beispielsweise aus der innovativen Naturfaser Lingin, einem Abfallprodukt bei der Herstellung von Holz.   

Wie ökologisch ist ein Carbonbeton-Haus?

T-Träger aus Carbonbeton im Vergleich zu Stahlbeton
T-Träger im Vergleich. Bei gleicher Belastbarkeit ist der Träger aus Carbonbeton (r.) deutlich schmaler als der aus Stahlbeton. (Quelle: BMBF / Innovation & Strukturwandel / Thilo Schoch)

Carbonbeton gilt aufgrund seiner positiven Umwelteigenschaften als ein Material der Zukunft. Die größten Vorteile liegen im geringen Gewicht bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit und Zugfestigkeit sowie in der Korrosionsbeständigkeit. Bauteile benötigen keinen extra Schutz durch eine zusätzliche Betonschicht. All das erlaubt eine sehr schlanke Bauweise und damit einen sparsamen Ressourceneinsatz.

Der Betonverbrauch lässt sich mit Carbonbeton als Alternative zu Stahlbeton um bis zu 50 Prozent reduzieren. Bei Sanierungen sogar um bis zu 80 Prozent. Noch ein Pluspunkt: Durch den Einsatz von Carbonbeton lassen sich die CO2-Emissionen des Bauwerks im Vergleich zu einem Stahlbetonbau um bis zu 50 Prozent senken.

Zur Umweltfreundlichkeit trägt auch die Langlebigkeit von Carbonbeton bei. Bauteile müssen vermutlich frühestens nach 100 Jahren erneuert werden. Einige Experten sprechen sogar von 200 Jahren. Die maximale Haltbarkeit von Stahlbeton liegt eher bei 60 bis 100 Jahren.

Ein weiterer Aspekt, der sich positiv auf die Ökobilanz des Baustoffs auswirkt, ist die gute Recyclingfähigkeit: Carbonbeton lässt sich mit einem Reinheitsgrad von circa 98 Prozent in seine reinen Bestandteile trennen. Die aufbereiteten Carbonfasern finden im Anschluss erneut für die Carbonbeton-Herstellung Verwendung, aber auch für die Fertigung von Auto- und Fahrradbauteilen.

Klimafreundlich bauen? Entdecken Sie hier weitere ökologische Baustoffe für die Häuser der Zukunft.


Carbonbeton in der Praxis

Carbonbeton: Haus "Cube" an der TU Dresden
Das C-Cube in Dresden ist das weltweit erste Gebäude aus Carbonbeton. (Quelle: Stefan Gröschel/TU Dresden)

Die Einsatzmöglichkeiten von Carbonbeton sind vielfältig, sowohl beim Neubau als auch bei Altbauten:

Carbonbeton im Neubau

Durch die schlanke Bauweise, die Carbonbeton erlaubt, lässt sich in Neubauten mehr Wohn- und Nutzfläche gewinnen. Hinzu kommt, dass der Verbundwerkstoff elektrisch leitfähig ist, so dass sich beim Hausbau mit Carbonbeton zahlreiche Zusatzfunktionen wie eine Wandheizung oder induktives Laden realisieren lassen.

Ein Beispiel aus der Praxis ist das C-Cube: ein zweigeschossiges Carbonbeton-Haus, das im Jahr 2019 auf dem Campus der Technischen Universität (TU) Dresden entstand.

 

Vorgehängte Fassade aus Carbonbeton
Fassade aus Carbonbeton in Neumarkt in der Oberpfalz. (Quelle: C3/solidian.com)

Carbonbeton bei Sanierungen und Verstärkungen

Auch im Bereich Haussanierung ist Carbonbeton eine Alternative zu Stahlbeton. Insbesondere für Fassaden, Verkleidungen und Wandkonstruktionen findet der Verbundwerkstoff Anwendung.

Eine dünne Schicht des korrosionsbeständigen Carbonbetons reicht, um Altbauten oder denkmalgeschützte Gebäude instandzusetzen. Aufgrund des geringen Gewicht lassen sich auch Gebäudedecken leicht verstärken, während die Raumhöhe nahezu erhalten bleibt.

 

 

 

Brücke aus Carbonbeton
Carbonbrücke in Albstadt (Zollernalbkreis). (Quelle: C3/Jörg Singer)

Carbonbeton im Brückenbau

Aufgrund der langen Lebensdauer von Carbonbeton, die auf bis zu 200 Jahre prognostiziert wird, spielt das High-Performance-Material eine wichtige Rolle im Brückenbau und Hochbau.

Aufwändige und kostenintensive Instandhaltungsmaßnahmen lassen sich durch den Einsatz des modernen Baustoffs vermeiden. 


Fazit: Carbonbeton – das Baumaterial der Zukunft?

Leicht bauen und Beton – ein Widerspruch, den Carbonbeton auflöst. Der Baustoff wiegt viermal weniger als Stahlbeton, ist fünf- bis sechsmal stabiler und dazu noch korrosionsbeständig sowie langlebig. Der größte Vorteil besteht darin, dass insgesamt weniger Betonmasse notwendig ist. Das schont nicht nur wertvolle Ressourcen und Energie. Bauteile aus Carbonbeton sind schlank und filigran, weshalb sie gerne für Neubauten und Sanierungen genutzt werden.

Nachteilig sind aktuell noch die hohen Kosten, die der geringere Materialbedarf jedoch nahezu ausgleicht, sowie die Herstellung mit Erdöl. Sobald eine kostengünstige Fertigung mit nachwachsenden Rohstoffen wie Lingin realisierbar ist, kann Carbonbeton einen massiven Beitrag zum umweltverträglichen Bauen leisten.  


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