Umfassende Bewertung der Umweltleistung und Dauerhaftigkeit von mit Biokohle versetztem Beton

Grünerer, robusterer Beton für eine wärmer werdende Welt

Beton ist allgegenwärtig – von Brücken und Autobahnen bis hin zu Wohnhochhäusern – und die Herstellung seines Hauptbestandteils Zement setzt enorme Mengen Kohlendioxid frei. Diese Studie untersucht eine einfache Idee mit weitreichenden Folgen: Was wäre, wenn wir pflanzenbasierten Kohlenstoff im Beton einlagern könnten, ohne seine Festigkeit und Lebensdauer in rauen Wintern zu beeinträchtigen? Durch das Einmischen einer kleinen Menge holzbasierter „Biokohle“ in Beton wollten die Forschenden prüfen, ob sich Strukturen bauen lassen, die sowohl widerstandsfähiger gegen Frost-Tau-Schäden sind als auch deutlich klimafreundlicher.

Aus Holzabfällen ein nützlicher Bestandteil

Biokohle ist ein kohleähnliches Material, das durch Erhitzen von Holzabfällen unter sauerstoffarmen Bedingungen entsteht. Das Team stellte ein feines Pulver aus Holzpellets her und untersuchte es detailliert mit Mikroskopen und Geräten, die seine Oberfläche, Porengrößen und chemischen Bindungen sichtbar machen. Sie fanden heraus, dass die gemahlenen Biokohlepartikel in der Größe Zementkörnern ähnelten, aber von winzigen Poren und Kanälen durchzogen sind. Diese Poren verleihen der Biokohle eine hohe innere Oberfläche und die Fähigkeit, Wasser zu speichern, während ihre kohlenstoffreiche, chemisch stabile Struktur bedeutet, dass der enthaltene Kohlenstoff langfristig gebunden bleiben kann. Zusammengenommen machen diese Eigenschaften Biokohle zu einem vielversprechenden Kandidaten, um teilweise den Zement im Beton zu ersetzen.

Wie der neue Beton gemischt und getestet wurde

Um über kleine Laborchargen hinauszukommen, stellten die Forschenden vier großmaßstäbliche Betonmischungen in einer echten Mischanlage her: eine Standard-Kontrollmischung und drei Mischungen, bei denen Biokohle 3, 5 bzw. 7 Prozent des Zements nach Masse ersetzte. Alle Mischungen wurden auf eine moderate Druckfestigkeit von 24 Megapascal ausgelegt, wie sie für viele Gebäude und Fahrbahnen typisch ist. Zylinder und Balken wurden gegossen, bis zu einem Jahr im Wasser ausgehärtet und anschließend auf Druckfestigkeit, Biegezug, Steifigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen 300 schnelle Frost‑Tau-Zyklen getestet – Bedingungen, die wiederholtem Gefrieren und Auftauen im Winter in kalten Klimaten entsprechen. Das Team untersuchte außerdem die innere Porenstruktur und Mikrorisse mittels Quecksilberporosimetrie und Rasterelektronenmikroskopie.

Festigkeit, Rissbildung und Winterbeständigkeit

Die Ergebnisse zeigen einen klaren Sweetspot. Bei einem Ersatz von 3 bis 5 Prozent Zement durch Biokohle erreichte der Beton weiterhin die oder übertraf die ausgelegte Festigkeit und gewann über ein Jahr weiter an Festigkeit, wenn auch leicht unter der reinen Mischung. Bei 7 Prozent Ersatz sank die Druckfestigkeit hingegen um mehr als ein Drittel, was darauf hindeutet, dass zu viel Zement entfernt wurde. Unter Druck versagte der plain Beton häufig abrupt mit diagonalen Schubrissen, während die 3- und 5-Prozent-Mischungen ausgeprägtere vertikale, verteilte Rissmuster zeigten – Anzeichen für ein weniger sprödes Versagen. In den Frost‑Tau-Tests schnitten alle Mischungen gut ab und behielten nach 300 Zyklen über 90 Prozent ihrer anfänglichen Steifigkeit. Bemerkenswert ist, dass der 5-Prozent-Biokohlebeton in einer standardisierten Dauerhaftigkeitsbewertung mit der reinen Mischung gleichzog oder sie leicht übertraf und über die Zeit einen viel geringeren Anstieg sichtbarer Oberflächenschäden zeigte, obwohl seine Oberfläche anfänglich mehr winzige Defekte aufwies. Die poröse Biokohle scheint wie ein Netzwerk winziger „Druckpuffer“ zu wirken, das dem gefrierenden Wasser Platz zum Ausdehnen gibt und das Wachstum schädlicher Risse verringert.

Kohlenstoff-Fußabdruck und Energieverbrauch

Da die Zementproduktion sehr CO2-intensiv ist, zählt jedes Kilogramm ersetzten Zements. Das Team führte eine cradle-to-gate Lebenszyklusanalyse durch und betrachtete Emissionen und Energieverbrauch von der Rohstoffgewinnung bis zur Betonproduktion. Mit steigendem Biokohleanteil sank der Treibhausgaseintrag pro Kubikmeter Beton stetig. Bei 7 Prozent Biokohle war der errechnete CO2-Fußabdruck etwa 28 Prozent niedriger als bei der reinen Mischung, teils dank der Fähigkeit der Biokohle, von Bäumen aufgenommenen Kohlenstoff zu speichern. Auch der Energiebedarf ging mit steigendem Biokohleanteil zurück, da die Herstellung der untersuchten Biokohle bei den gewählten Bedingungen weniger nicht erneuerbare Energie erforderte als die Produktion derselben Masse Zement. Das Abwägen dieser Umweltgewinne gegen den gemessenen Festigkeitsverlust weist auf einen optimalen Ersatzbereich von grob 3 bis 5 Prozent hin.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernaussage klar: Durch den Austausch eines kleinen Anteils des Zements gegen fein gemahlene, holzbasierte Biokohle lässt sich Beton herstellen, der für alltägliche Bauwerke ausreichend stark ist, wiederholtem Gefrieren und Auftauen gut standhält und eine spürbar geringere Klimabelastung aufweist. Die Studie legt nahe, dass eine moderate Biokohledosis – rund 3 bis 5 Prozent des Zements – das beste Verhältnis bietet, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ohne an Dauerhaftigkeit einzubüßen. Wird dieser Ansatz breit übernommen und in realen Bauprojekten weiterentwickelt, könnte er helfen, Beton vom großen Klimaproblem zu einem klimafreundlicheren Baustoff zu wandeln und Holzabfällen, die sonst verbrannt oder weggeworfen würden, neuen Wert zu geben.

Zitation: Kang, SB., Woo, JS., Pyo, M. et al. Comprehensive evaluation of the environmental performance and durability of biochar-incorporated concrete. Sci Rep 16, 10803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45887-2

Schlüsselwörter: Biokohle-Beton, kohlenstoffarme Baustoffe, Frost-Tau-Beständigkeit, Kohlenstoffbindung, nachhaltiges Bauen