Die Bauindustrie steht vor der enormen Herausforderung, umweltfreundlichere und nachhaltigere Materialien zu entwickeln, um den globalen CO2-Ausstoß zu reduzieren. Traditioneller Beton mit Portlandzement ist derzeit ein wesentlicher Bestandteil moderner Bauwerke, jedoch verursachen die Zementproduktion und die dazugehörigen Kalkbrennprozesse erhebliche CO2-Emissionen. Konventioneller Zement ist mit einem Anteil von etwa 7 bis 8 Prozent an den weltweiten Treibhausgasemissionen beteiligt, was die Notwendigkeit alternativer, grüner Materialien dringlich macht. Im Zuge dieser Entwicklungen hat die Wissenschaft das sogenannte Bio-Beton-Konzept vorangetrieben, das auf der Mikrobeninduzierten Calciumcarbonat-Fällung (MICP) beruht. Bei diesem Prozess dienen bestimmte ureaseaktive Bakterien oder ureaseaktive Calciumcarbonat-Pulver (UACP) als Katalysatoren für die Ausfällung von Calciumcarbonat, das als Bindemittel die Gesteinskörnung zusammenhält.
Dieses natürliche Bindemittel bildet kristalline Verbindungen vergleichbar mit Kalkstein und zeichnet sich durch eine positivere Umweltbilanz aus, da CO2 gebunden anstelle von freigesetzt wird. Eine der zentralen Herausforderungen bei biozementierten Baustoffen war bisher die Erreichung von Druckfestigkeiten, die mit traditionellen Betonbauteilen konkurrenzfähig sind. Herkömmlicher Beton erreicht oft Druckfestigkeiten von 20 bis über 50 Megapascal (MPa), während frühe Ansätze im Bereich Bio-Beton häufig Werte unterhalb von 10 MPa erzielten, was den praktischen Einsatz stark einschränkte. Zudem bestand das Problem, die Bindetiefe des Bio-Betons in ausreichend großen Bauteilen sicherzustellen, um eine gleichmäßige und belastbare Materialstruktur zu erreichen. Aktuelle Forschungsfortschritte haben jedoch gezeigt, dass durch eine Kombination spezifischer Methoden nachhaltiger Bio-Beton mit hohem Festigkeitsniveau realisierbar ist.
Ein Schlüsselelement besteht in der Verwendung von ureaseaktivem Calciumcarbonat-Pulver (UACP) anstelle von reinen Bakterienkulturen. Dieses Verfahren ermöglicht eine stabilere und reproduzierbare Aktivität der urease, da die Mikroorganismen in die Calciumcarbonat-Struktur eingebettet und dazu in einem haltbaren, gefriergetrockneten Pulver verarbeitet werden. Das steigert die Effizienz der Biomineralisation und reduziert den Auswaschverlust der Bakterien während der Produktion. Darüber hinaus optimieren Forscher die Korngrößenmischungen der Gesteinskörnung, um die Packungsdichte zu maximieren. Auf diese Weise verringert sich die Porosität im Komposit, was nicht nur die gesamte Dichte erhöht, sondern auch die Bindestelleffizienz des auskristallisierten Calciumcarbonats verbessert.
Die Kombination differenziert eingesetzter Sandfraktionen – von ungefärbten Feinsanden bis zu grobkörnigen Anteilen – sorgt für eine kompakte Materialstruktur mit weniger Hohlräumen, die zudem kostensparend ist, da weniger Bindephasenlösung benötigt wird. Ein weiterer Innovationsschritt ist die Regionalkontrolle des Lösungsflusses im Material während des Biomineralisationsprozesses. Anstatt traditioneller Durchlauf-Perkolationsverfahren kommen automatisierte, druckgesteuerte Stop-Flow-Injektionen zum Einsatz. Dabei wird die Calcium- und Harnstoff enthaltende Lösung wiederholt und kontrolliert in das Gemisch gepumpt, wobei in regelmäßigen Intervallen die Flüssigkeitsversorgung unterbrochen wird. Diese Methode verhindert ein frühzeitiges Verstopfen durch lokale Überkalkung und ermöglicht die gleichmäßige Verteilung der Bindemittelbildung entlang der gesamten Bauteiltiefe von bis zu 140 Millimeter.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen beeindruckende Werte an unkonfiniertem Druckversuch (UCS) von bis zu 52,5 MPa bei optimalen Mischungsverhältnissen und Verfahrensparametern. Dies entspricht der Festigkeitsklasse C20/25, die im konventionellen Betonbau als tragfähig für Fertigbauteile gilt. Auffällig ist zudem die homogene Verteilung der Festigkeit im Material, was auf eine erfolgreiche und gleichmäßige Kristallisationsbildung hindeutet. Die Messungen der Ultraschallwellengeschwindigkeit korrelieren gut mit den Festigkeitsergebnissen und untermauern die hohe Qualität der biomineralisierten Bauteile. Mikroskopische Untersuchungen mittels Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) verdeutlichen die Inkapselung der Sandkörner durch dünne Calciumcarbonatschichten von etwa 20 Mikrometern Dicke.
Diese Bindeschicht verleiht dem Bio-Beton seine Stabilität, ähnlich wie das Zementleim die Agglomerate im traditionellen Beton zusammenhält. Unterschiede in der Dichte der Bindeschicht im oberen, mittleren und unteren Bauteilbereich konnten durch variierende Verfügbarkeit der ureaseaktiven Substanz erklärt werden. Auch mechanisch weist der Bio-Beton bei Belastung interessante Eigenschaften auf. Die Proben zeigen ein ungewöhnliches plastisches Verhalten bei niedrigen Spannungen, das möglicherweise mit der partiellen Bruchbildung von Calciumcarbonat Brücken und der anschließenden Neupositionierung der Sandkörner zusammenhängt. Dieses Verhalten könnte bei weiter optimierter Packungsdichte minimiert werden.
Rein elastisch liegt der Elastizitätsmodul bei etwa 11 bis 12 Gigapascal und ordnet den Bio-Beton in die Materialgruppe der porösen Keramiken ein, was für viele Anwendungen im Bauwesen ausreichend ist, insbesondere bei Verwendung grobkörnigerer Zuschlagstoffe. Eine Umwelteinschätzung des Bio-Betons zeigt ein grundsätzlich positives CO2-Bilanzprofil, da durch die Mikrobielle Kalkfällung nicht nur der Verzicht auf Portlandzement möglich ist, sondern auch CO2 in Form von Carbonat nachhaltig gebunden wird. Allerdings müssen die Rohstoffe, allen voran industriell hergestelltes Harnstoff als Ausgangsprodukt für den Biomineralisationsprozess, kritisch bewertet werden. Die konventionelle Harnstoffproduktion ist energieintensiv. Deshalb gewinnen alternative Rohstoffquellen wie die Nutzung von menschlichem Urin an Bedeutung, um die Nachhaltigkeit weiter zu erhöhen.
Ein weiterer Umweltaspekt ist der verantwortungsvolle Umgang mit den Nebenprodukten des Prozesses wie Ammonium und Chlorid aus Calciumchlorid Lösungen, welche in Kreislaufwirtschaftskonzepten zurückgewonnen und weiterverwendet werden sollten. In praktisch-konstruktiver Hinsicht eignet sich der Bio-Beton aufgrund seines Herstellungsverfahrens besonders gut für die Produktion von standardisierten Fertigbauteilen. Die automatisierte, druckbasierte Stop-Flow-Zufuhr der Bindemittellösung ist für großflächige, vorgefertigte Elemente insbesondere in Werkhallen umsetzbar. Die hohe Reproduzierbarkeit des Prozesses sowie die Qualität der Bauteile eröffnen Perspektiven für den partiellen Ersatz von konventionellem Beton. Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltiger und CO2-neutraler Bauweisen.
