Toonbeeld van Carbonbeton

^{Aanzicht van de Cube met een Twist (foto: Stefan Mueller)}

Auteur: Kirsten Hannema

In het Duitse Dresden is in 2022 het carbonbetonnen gebouw CUBE verrezen. Het is het eerste – iconische - nieuwbouwproject dat gerealiseerd is met deze nieuwe betonsoort, waarbij staalwapening is vervangen door wapening van koolstofvezels. Die zijn lichter en hebben een hogere trekkracht dan staalwapening en corroderen niet, waardoor minder wapening en minder beton ter bescherming tegen wapeningscorrosie – en dus minder cement - nodig is als bindmiddel. Op die manier kan dit innovatieve materiaal bijdragen aan het terugbrengen van de CO₂-uitstoot in de bouw.

Showcase

Aan de Fritz-Foerster-Platz, midden op de universiteitscampus van Dresden, staat een kubusvormig betonnen gebouw waarvan gevels uitwaaieren als vleugels, en overvloeien in het dak. Het is Cube, een onderzoeks- en ontmoetingscentrum op het gebied van zogenoemd carbonbeton, waarbij staalwapening is vervangen door wapening van koolstofvezels. Die is lichter, heeft een hogere trekkracht en corrodeert niet. Daardoor zijn lichtere, holle constructies mogelijk, wat een positief effect heeft op de milieuprestaties. CUBE is het eerste – iconische – gebouw ter wereld dat gerealiseerd is met carbonbeton, en vormt het ‘visitekaartje’ van dit innovatieve duurzame materiaal. Een materiaal waarmee al langer geëxperimenteerd wordt, maar waarvan de ontwikkeling nu een vlucht neemt dankzij een groot onderzoeksproject van de TU Dresden, gericht op de praktische toepassing van beton met carbonwapening.

Kubus met een twist

“Het begon in 2014 met een reeks open vragen,” vertelt David Sandmann, onderzoeksassistent aan het Institute of Concrete Structures. “Wat zijn de eigenschappen van carbon als wapeningsmateriaal wanneer je het bindt met beton, en welke tests zijn nodig om het in gebouwen te kunnen toepassen? Het idee ontstond om de onderzoeksresultaten te delen in de vorm van een gebouwde showcase.” Aanvankelijk was de bedoeling om een kubusvormig gebouw te maken, als knipoog naar de naam van het materiaal ‘C3’, die staat voor carbon-concrete-composite. Architect Gunter Henn bedacht vervolgens om – letterlijk – een twist aan die kubus te geven, in de vorm van dubbelgekromde gevels die uit het dak van de kubus ‘groeien’. De zeven meter hoge kubus is opgebouwd uit prefab betonnen panelen die in de fabriek zijn geproduceerd, naar de locatie vervoerd en aldaar in elkaar gezet. De zeven meter hoge en 40 meter lange schaaldelen van de ‘twist’ zijn ter plaatse gemaakt met een aantal keren om en om een laag spuitbeton over matten van carbonvezels, die over een voorgevormde multiplex bekisting zijn geplaatst. Op die manier toont het gebouw dat carbonbeton zich leent voor zowel rationele en op efficiëntie gerichte ontwerpen als expressieve en visueel bijzondere architectuur.

Licht, sterk en inert

Carbonbeton heeft een 6 tot 8 keer hogere trekkracht dan staalgewapend beton. "Dat komt door de eigenschappen van de carbonvezels,” legt Sandmann uit. “Staal heeft een treksterkte van 550 N/mm². De synthetische polymeer polyacrylnitril (PAN), waarvan carbonvezels worden gemaakt, heeft een treksterkte van 3000-4000 N/mm². Carbonvezelmatten zijn vanwege de lagere materiaaldichtheid 4 keer lichter dan staalwapeningsgaas. Voor dezelfde trekkracht is dus minder carbonvezel nodig. Er is ook 3 tot 4 cm minder beton nodig omdat carbon niet corrodeert; beton gebruiken we in traditioneel gewapende constructies namelijk ook om het wapeningsstaal te beschermen tegen corrosie. Door efficiënter te bouwen, bijvoorbeeld met holle draagconstructies, kan verder bespaard worden op materiaal. Gestreefd wordt naar een materiaalreductie van 50 tot 80%.”

Holle constructie

Het doel van het onderzoeksteam is carbonbeton te presenteren als een ecologisch materiaal, dat kan bijdragen aan de reductie van CO₂ en waterverbruik, doordat geen staal en minder cement nodig is. Daarbij komt dat carbonbeton een lange levensduur heeft. Het kubusvormige bouwdeel in het midden van het gebouw is gemaakt met prefab betonnen holle kern-platen. De standaard plaat is 25 cm hoog met een materiaaldikte van 3 tot 4 cm. Ook hier is gebruik gemaakt van carbonwapening.

De schaaldelen van de ‘twist’ hebben een doorsnede van 44 cm. Het ondergedeelte van de doorsnede bestaat uit een dragende carbonbetonnen ribbenconstructie, opgevuld met EPS, en afgewerkt met spuitbeton rond een enkele laag carbonvezelwapening. Aan de bovenzijde zijn vervolgens XPS-isolatieplaten aangebracht, verankerd in de betonconstructie. Op de platen is een dubbele laag carbonvezelwapening aangebracht en een glasvezelmat, met daarop het spuitbeton.

Nieuwe richtlijn

Om het nieuwe materiaal goed en veilig te kunnen toepassen, hebben de onderzoekers het materiaal uitvoerig getest. Ze deden onder andere tests naar de belasting van carbonvezels, de verbinding tussen carbonvezels en beton en de bestendigheid van het materiaal. Grote elementen, zoals draagbalken werden in het laboratorium getest op buiging, waarna de vervorming bij een bepaalde belasting is naberekend. Daaruit bleek dat de constructie veilig was om te gebruiken in Cube. Deze tests zijn in januari 2024 gestandaardiseerd en gebundeld in een nieuw handboek voor C3, waarmee gerekend kan worden aan het materiaal. De richtlijnen zijn gevalideerd door de Duitse Commissie voor gewapend beton. Daardoor wordt toepassing van carbonbeton makkelijker. “Nu is het zaak om de kennis over het materiaal verder te verspreiden en partijen in de bouw te stimuleren om het meer te gebruiken. Het gebouw helpt daarbij,” ziet Sandmann; “Mensen van over de hele wereld komen kijken.”

'Groen carbon'

Carbonvezels kunnen als wapeningsmateriaal een bijdrage leveren aan de reductie van CO₂ in de bouwsector. Maar de productie van polyacrylnitril voor carbonvezels is belastend voor het milieu. Het onderzoeksteam doet daarom onderzoek naar een carbonbetonvariant waarbij ‘groene’ koolstof wordt gebruikt, afkomstig van blauwe algen. Deze algen halen de koolstof die ze nodig hebben voor de opbouw van hun cellen uit CO₂ in de atmosfeer. In het het AlgaeTec Center van de TU München wordt onderzoek gedaan naar productie van deze ‘groene’ koolstof door Prof. Thomas Brück. Het onderzoeksteam in Dresden werkt met Prof. Brück samen om deze productietechniek toe te passen voor het maken van ‘groen’ carbonbeton. Op deze manier zou op termijn CO₂ in het beton kunnen worden opgeslagen.