Herstellung eines nachhaltigen Baustoffes: Wie aus Abfall ein stabiler Stoff entsteht

 

Biologie  |  Umwelt

 

Julia Jaeschke, 2006 | Basel, BS

 

Die Herstellung von Baustoffen, insbesondere die Betonproduktion, verursacht hohe CO2-Emissionen und trägt zur Klimaerwärmung bei. Diese Arbeit sucht einen Lösungsansatz und erforscht die Herstellung eines stabilen und nachhaltigen Baustoffes aus biologischen oder industriellen Stoffen und orientiert sich an Beton als Baustoff mit idealen Eigenschaften. Zuerst werden Baustoffplatten aus verschiedenen Grundstoffen (wie Algen und Sägespäne) und Additiven hergestellt. Anschliessend wird die Biegefestigkeit jedes Prüfkörpers mit einem 3-Punkt Biegeversuch bestimmt sowie die Dichte berechnet. Diese Messwerte werden jeweils analysiert und bilden die Grundlage zur Planung der nächsten Experimente, da durch Parameteranpassungen während der Stoffherstellung versucht wird, eine kontinuierliche Verbesserung der Eigenschaften zu erreichen. Durch diesen iterativen Prozess konnte ein stabiler Baustoff aus biologischen Rohstoffen hergestellt werden. Die Eigenschaften des Baustoffes gleichen nur bedingt denen von Normalbeton, jedoch erscheint aufgrund von ähnlichen Eigenschaften zu Gipsplatten eine Anwendung als Baustoffplatte möglich.

Fragestellung

In dieser Arbeit wird erforscht, ob die Herstellung eines stabilen, wasserbeständigen sowie nachhaltigen und energieeffizienten Baustoffes aus ausgewählten Abfallprodukten und biologischen Stoffen möglich ist. Ebenso wird untersucht, ob dieser Stoff in der Beschaffenheit und der Verwendungsmöglichkeit Ähnlichkeiten mit Beton aufweist.

Methodik

Im praktischen Teil der Arbeit werden zunächst verschiedene Baustoffplatten hergestellt. Es wird ein Grundstoff gewählt, der für den nächsten Schritt meist durch Zerkleinern weiter aufbereitet wird. Danach wird er in einem zuvor bestimmten Verhältnis mit einem Additiv vermengt. Die Masse wird in eine Silikonform gegeben und mittels eines Dehydrators getrocknet. Der resultierende Prüfkörper wird anschliessend durch einen 3-Punkt Biegeversuch auf seine maximale Belastbarkeit getestet, indem graduell mittig Gewicht auf die Platte gelegt wird, bis diese bricht. Mit dieser maximalen Belastbarkeit kann die Biegefestigkeit des Prüfkörpers ermittelt werden. Zusätzlich wird die Dichte des Prüfkörpers bestimmt. Die Baustoffeigenschaften werden danach analysiert, damit die Versuchsparameter im nächsten Experiment angepasst werden können, um die Eigenschaften weiter zu verbessern. Dieser iterative Prozess liefert schliesslich den stabilsten und dichtesten Stoff, der umfangreich auf weitere Eigenschaften wie seine Wasserfestigkeit und seinen Energieverbrauch geprüft wird.

Ergebnisse

Mit dem gewählten methodischen Ansatz konnten Baustoffe hergestellt werden, deren Dichte von 0.1 g/cm^3 bis 1.1 g/cm^3 und Biegefestigkeit von instabil bis 2.0 N/mm^2 reichen. Der Baustoff aus einer Braunalge (Laminaria japonica) und einem Kleister aus Mehl und Wasser zeigt in dieser Arbeit die besten Eigenschaften. Die Biegefestigkeit dieses Stoffes beträgt 2.0 N/mm^2 und er hat eine Dichte von 1.1 g/cm^3. Die Herstellung eines Kilogramms Baustoffs benötigt die Energie von 9.7 MJ. Der Stoff ist im feuchten Zustand gut formbar und erlaubt daher eine hohe gestalterische Freiheit. Er ist nur bedingt wasserfest, wurde jedoch aus biologischen Rohstoffen ressourcenschonend hergestellt.

Diskussion

Der finale Baustoff ist in seiner Biegefestigkeit vergleichbar mit Porenbeton und Gipsplatten, erreicht jedoch nicht die Werte von Normalbeton und Spannplatten. Aufgrund der grossen Dichte des Endproduktes ist zu vermuten, dass die Dämmfähigkeit unter jener von Porenbeton liegt. Da das Endprodukt bei der Dichte Ähnlichkeiten zu Gipsplatten zeigt, erscheint eine Anwendung als Bauplatte vielversprechend. Demnach konnte ein Endprodukt mit guter Biegefestigkeit, Dichte und Umweltfreundlichkeit hergestellt werden, während Wasserfestigkeit und Energieeffizienz weiter verbessert werden müssen.

Schlussfolgerungen

Ein stabiler, dichter und ressourcenschonender Baustoff konnte hergestellt werden, jedoch sind weitere Verbesserungen nötig, um alle gewünschten Eigenschaften im Endprodukt zu erreichen. Im nächsten Schritt muss entschieden werden, ob das Endprodukt in Richtung Dämmstoff oder Bauplatte weiterentwickelt wird. Der Einsatz des Endproduktes in der Plattenherstellung bietet sich aufgrund der Stoffeigenschaften an. Hier könnte man mit Druck und Hitze arbeiten, um die Biegefestigkeit weiter zu erhöhen. Ebenfalls sollte die energieintensive Herstellung und die geringe Wasserfestigkeit durch Veränderungen am Herstellungsprozess verbessert werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Patrick Fuchs

Julia Jaeschke hat in ihrer Arbeit 40 Prüfkörper mit ausgewählten Abfallstoffen hergestellt und deren Materialeigenschaften untersucht. Dabei gelang ihr die Entwicklung eines vielversprechenden Baustoffs aus Algen – ein innovativer Beitrag zur Kreislaufwirtschaft. Ihr experimenteller und kreativer Ansatz zur mechanischen Materialprüfung zeigt eindrucksvolle Eigenständigkeit, hohe Motivation und wissenschaftliche Präzision. Durch sorgfältige Beobachtungen und logische Folgerungen liefert sie wertvolle Erkenntnisse für die nachhaltige Werkstoffentwicklung.

Prädikat:

sehr gut

Sonderpreis «Forschung auf dem Jungfraujoch» gestiftet von der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz & dem Paul Scherrer Institut

 

 

 

Gymnasium Kirschgarten, Basel
Lehrer: Thomas Scheuber