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Neuer nachhaltiger Baustoff aus Karton, Erde und Wasser
Ingenieure der RMIT University in Australien haben ein zementfreies Baumaterial entwickelt, das ausschließlich aus Karton, Erde und Wasser besteht. Unter dem Namen cardboard-confined rammed earth liefert das Material etwa ein Viertel des CO2-Fußabdrucks herkömmlichen Betons und verhindert gleichzeitig, dass Kartonabfälle auf Deponien landen. Nach Angaben der Forschenden ist das Material ausreichend stabil, um tragende Wände für niedrigere Gebäude zu bilden, und bietet thermische Vorteile, die den Kühlbedarf in heißen Klimazonen verringern.
Die Entwicklung zielt darauf ab, nachhaltiges Bauen durch einfache, lokal verfügbare Rohstoffe zu fördern und gleichzeitig das Abfallaufkommen zu reduzieren. Das Konzept kombiniert traditionelle Bautechniken mit moderner Forschung zur Strukturoptimierung, um ein praktikables Produkt für den alltäglichen Bausektor bereitzustellen.
Warum das für CO2-armes Bauen wichtig ist
Die Produktion von Zement und Beton verursacht rund 8 % der globalen CO2-Emissionen; gleichzeitig werden in Australien jährlich mehr als 2,2 Millionen Tonnen Karton und Papier auf Deponien entsorgt. Das RMIT-Team vereinte das lange etablierte Konzept des Stampflehms—kompakterte Erdwände—mit leichtem Karton-Schalungsmaterial, um ein wiederverwendbares, recycelbares Strukturelement zu schaffen, das ganz ohne Zement auskommt.
Die Kombination adressiert zwei zentrale Herausforderungen des modernen Bauwesens: die Reduktion von grauer Energie und Emissionen sowie die Minimierung logistischer Anforderungen durch den Einsatz leicht transportierbarer, lokal verfügbarer Materialien. Das Ergebnis ist eine Bauweise, die sowohl ökologisch als auch ökonomisch attraktiv sein kann, insbesondere in Regionen mit begrenzten Versorgungsnetzen.
Lead-Autor Dr. Jiaming Ma erklärt den praktischen Vorteil der Innovation: "Moderne Stampflehmkonstruktionen verdichten Erde mit zugesetztem Zement, um die Festigkeit zu erhöhen. Der Zementeinsatz ist angesichts der natürlichen Wandstärke vieler Stampflehmwände übermäßig." Das RMIT-Design eliminiert die Notwendigkeit von Zement und erreicht nach Angaben des Teams für viele niedriggiebelige Anwendungen vergleichbare strukturelle Leistungen bei weniger als einem Drittel der Kosten von Beton.
Zudem eröffnen geringe Materialkosten und reduzierte Emissionen Möglichkeiten für soziale Bauprojekte und klimaresistente Infrastruktur, zum Beispiel für bezahlbaren Wohnraum in peripheren Regionen.
Wie es hergestellt wird und praktische Vorteile
Cardboard-confined rammed earth wird vor Ort hergestellt, indem eine Mischung aus Erde und Wasser in Kartonröhren oder Karton-Schalungen eingebracht und anschließend manuell oder maschinell verdichtet wird. Der Karton hält die verdichtete Erde während der Aushärtung zusammen und kann danach wiederverwendet oder recycelt werden. Emeritus-Professor Yi Min "Mike" Xie, Korrespondenzautor und Experte für Strukturoptimierung, merkt an: "Anstatt Tonnen von Ziegeln, Stahl und Beton heranzuschaffen, müssten Bauherren nur leichten Karton mitbringen, da nahezu das gesamte Material vor Ort gewonnen werden kann. Das würde die Transportkosten erheblich senken, die Logistik vereinfachen und den anfänglichen Materialbedarf reduzieren."
Die Herstellung vor Ort reduziert die einbauten Energiekosten (embodied energy) deutlich, weil schwere Baustoffe nicht über weite Strecken transportiert werden müssen. In entlegenen Gebieten oder nach Naturkatastrophen kann dies den Unterschied zwischen rascher Wiederaufbauhilfe und langwieriger Versorgung bedeuten.
Praktisch bietet das Verfahren zusätzliche Vorteile: Kartonformteile sind leicht herstellbar, stapelbar und können aus recycelten Materialien bestehen. Die Möglichkeit, Schalungen vor Ort zu produzieren, erhöht die Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Wandformate und architektonische Bedürfnisse. Außerdem erlaubt der Ansatz modulare Bauweisen, die sich in Fertigteil- oder Hybridlösungen integrieren lassen und so industrielle Bauprozesse ergänzen können.
Thermische Masse und Klimaresilienz
Stampflehmbauwerke besitzen eine hohe thermische Masse—das heißt, sie speichern Wärme und geben sie langsam wieder ab—weshalb Wände, die mit dieser Methode errichtet werden, Innenraumtemperaturen und Luftfeuchte auf natürliche Weise moderieren. In heißen Klimazonen verringert das den Bedarf an Klimatisierung und damit verbundene Emissionen, was den Ansatz für abgelegene oder regionale Gebiete attraktiv macht, in denen geeignete rote Böden häufig vorkommen.
Die thermische Speicherung reduziert Spitzenlasten im Energiesystem und verbessert gleichzeitig den Wohnkomfort ohne zusätzlichen Energieaufwand. In Gebäuden mit guter Passivplanung können cardboard-confined-rammed-earth-Wände als Teil eines energieeffizienten Gesamtkonzepts dienen, das Beschattung, natürliche Belüftung und Wärmespeicher kombiniert.
Langfristig trägt die thermische Masse auch zur Klimaresilienz bei, da stabile Innenraumtemperaturen Extremwetterlagen besser abpuffern. Bei richtiger Detailausbildung—zum Beispiel mit angepassten Sockel- und Dachanschlüssen—lässt sich die Haltbarkeit in feuchten oder wechselhaften Klimazonen weiter verbessern.
Strukturelle Leistung und Konstruktionsüberlegungen
Die mechanische Festigkeit von cardboard-confined rammed earth hängt von der Dicke der Kartonform und der Qualität der Verdichtung ab. Das RMIT-Team entwickelte eine Bemessungsformel, die die Dicke der Kartonröhre mit der zu erwartenden Druckfestigkeit verknüpft, sodass Ingenieurinnen und Ingenieure Schalungen für bestimmte Lastbedingungen spezifizieren können. Diese Formel erleichtert die Planung und macht das Verfahren für den regulären Baubetrieb nachvollziehbar.
In verwandten Untersuchungen kombinierte Ma Kohlenstofffaserverstärkungen mit Stampflehm und demonstrierte in einigen Prüfungen eine Leistung, die mit leistungsfähigem Beton vergleichbar ist—was Wege aufzeigt, Anwendungen über niedrige Gebäude hinaus auszuweiten. Solche Verstärkungen können punktuelle Lastaufnahmen, größere Spannweiten und erhöhte Erdbebenresilienz unterstützen.
Wesentliche Konstruktionsaspekte umfassen Verbindungsmittel, Lastpfade, Fugen und Gründungsdetails. Standardisierungsprozesse müssen definierte Prüfabläufe, Toleranzen und Qualitätskontrollen vorsehen, damit die Bauindustrie Vertrauen in Materialkonstanz und Langzeitverhalten gewinnt. Typische Prüfungen umfassen Druck- und Zugversuche, Durabilitätsprüfungen gegen Feuchtigkeit sowie zyklische Belastungstests zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit.
Die Herstellung vor Ort reduziert die eingebettete Energie durch Transport und die leichte Beschaffenheit der gelieferten Materialien vereinfacht Logistik, insbesondere in abgelegenen Kommunen oder bei Wiederaufbau nach Katastrophen. Das Material unterstützt außerdem Ziele der Kreislaufwirtschaft, indem Karton vom Müllplatz ferngehalten und lokal verfügbare Böden genutzt werden.
Experteneinschätzung
Dr. Hannah Reyes, Materialwissenschaftlerin mit Schwerpunkt nachhaltiges Bauen, kommentiert: "Dieser Ansatz belebt jahrhundertealte Erdbautechniken mit einer modernen, pragmatischen Wendung. Indem quantifiziert wird, wie Kartonschalung die strukturelle Leistung beeinflusst, schlägt RMIT eine Brücke zwischen Laborforschung und Baustellenpraxis. Für Regionen mit eingeschränkten Lieferketten könnten die CO2- und Kosteneinsparungen erheblich sein—vorausgesetzt, Bauende übernehmen standardisierte Prüfungen und Qualitätskontrollen."
Reyes betont außerdem die Bedeutung von Ausbildung und Kapazitätsaufbau: "Damit solche Innovationen skaliert werden können, benötigen lokale Handwerksbetriebe Schulungen zur Materialprüfung, Verdichtungstechnik und wasserschützender Detailausbildung. Nur so lässt sich dauerhafter Nutzen generieren."
Weitere unabhängige Bewertungen durch Zertifizierungsstellen und längerfristige Feldversuche würden Vertrauen schaffen und die Grundlage für Normenbildung legen.
Zukunftsaussichten und Branchenakzeptanz
Das Forschungsteam ist offen für Partnerschaften mit der Industrie, um das Material in realen Projekten zu pilotieren und Produktionsmethoden zu verfeinern. Eine breite Annahme wird baurechtliche Validierung, Dauerhaftigkeitstests über Saisons hinweg sowie Behandlungen oder konstruktive Anpassungen erfordern, um Feuchte in exponierten Lagen zu adressieren. Gelingen diese Schritte, könnte cardboard-confined rammed earth in nachhaltigen Wohnprojekten, kommunaler Infrastruktur und modularen Bausystemen eingesetzt werden.
Der Übergang von Versuchsaufbauten zu regulatorisch anerkannten Bauprodukten folgt typischerweise einem Pfad aus Feldversuchen, Langzeitbeobachtungen, Normierung und wirtschaftlicher Optimierung. Marktanreize wie CO2-Bepreisung, Förderprogramme für klimafreundliches Bauen und steigende Entsorgungskosten für Karton könnten die Kommerzialisierung weiter beschleunigen.
Für die Industrie bieten sich mehrere Anwendungsfelder: kostengünstiger Wohnungsbau, Bildungsbauten in ländlichen Regionen, temporäre Notunterkünfte nach Katastrophen sowie hybride Systeme, die Stampflehmwände mit vorgefertigten Holz- oder Stahlrahmen kombinieren. Jedes dieser Felder stellt spezifische Anforderungen an Bemessung, Feuchteschutz und Oberflächengestaltung.
Technische Herausforderungen und Lösungsansätze
Zu den technischen Herausforderungen gehören Feuchtebeständigkeit, Langzeitverformungen (Kriechen), Anschlussdetails an Fenster und Türen sowie Brandschutzanforderungen. Um diese Punkte zu adressieren, schlagen Forschende mehrere Maßnahmen vor: Oberflächenbeschichtungen mit mineralischen Putzen, erhöhte Sockel mit kapillarbrechenden Schichten, auskragende Dachüberstände zur Vermeidung von Spritzwasser sowie die Integration von Geotextilien zur Stabilisierung der Bodenmatrix.
Brandschutz kann durch die Kombination der natürlichen Feuerresistenz verdichteter Erde und zusätzlicher nicht brennbarer Verkleidungen erreicht werden. Bei Erdbebenanfälligkeit sind gezielte Verstärkungsstrategien, zum Beispiel mit Gewebeverbundstoffen oder lokalem Stahl, denkbar, um Duktilität und Energieabsorption zu erhöhen.
Wirtschaftlich betrachtet ist die Kontrolle der Materialqualität vor Ort essenziell: Feinkornanteile, organische Bestandteile und optimale Feuchte beim Verdichten bestimmen die Endfestigkeit. Standardisierte einfache Tests, die auf Baustellen leicht durchführbar sind—etwa Probetiegel- und Probekörperprüfungen—sind Teil eines praktikablen Qualitätssicherungsrahmens.
Wirtschaftliche Betrachtung und Lebenszyklus
Verglichen mit konventionellem Beton verspricht cardboard-confined rammed earth deutliche Kostenvorteile durch reduzierte Materialkosten, geringere Transportaufwendungen und niedrigere CO2-Lasten. Eine umfassende Lebenszyklusanalyse (LCA) sollte Herstellung, Transport, Bauphase, Nutzung, Instandhaltung und Ende-der-Lebensdauer berücksichtigen. Erste Abschätzungen weisen auf einen deutlich reduzierten CO2-Fußabdruck hin, doch vollständige LCAs über verschiedene Klimazonen und Anwendungsszenarien sind notwendig, um verlässliche Aussagen zu treffen.
Wichtig ist auch die Bewertung der Reparatur- und Instandhaltungskosten über die Nutzungsdauer. Stampflehmkonstruktionen können, richtig ausgeführt und geschützt, sehr langlebig sein; historische Beispiele aus zahlreichen Kulturen belegen dies. Moderne Zusätze, mechanische Verstärkungen und wetterbeständige Oberflächen erhöhen die Lebensdauer und reduzieren langfristig den Wartungsaufwand.
Schritte zur Markteinführung und Normung
Für die breite Markteinführung sind mehrere Schritte notwendig: Pilotprojekte unter realen Bedingungen, Daten zur Langzeitperformance, Entwicklung von Prüfnormen für Kartonformstärken und Verdichtungsparameter sowie Schulungsprogramme für Bauhandwerk und Ingenieurwesen. Zusammenarbeit mit Behörden, Zertifizierungsstellen und Bauunternehmen ist entscheidend, um bauordnungsrechtliche Anerkennung zu erreichen.
Darüber hinaus können Ökobilanzen, Kosten-Nutzen-Analysen und Leuchtturmprojekte das Vertrauen in die Technologie stärken. Förderprogramme für klimafreundliches Bauen und Pilotförderungen durch staatliche Stellen oder Stiftungen können initiale Hürden überwinden und Skaleneffekte ermöglichen.
Fazit
Cardboard-confined rammed earth ist eine kostengünstige, CO2-arme Alternative zu konventionellem Beton für viele Anwendungen im niedrigen Gebäudebereich. Durch die Nutzung von Karton, Erde und Wasser reduziert die Technik Emissionen, verhindert Deponierung von Abfällen, verringert Transportanforderungen und bietet thermische Vorteile, die den Wohnkomfort verbessern. Mit Bemessungsformeln, die Schalungsdicke und Festigkeit verknüpfen, und ersten Verstärkungsstudien, die auf höherwertige Leistungen hinweisen, stellt diese Innovation einen praktischen Schritt in Richtung umweltfreundlicherer, widerstandsfähiger Architektur dar.
Langfristig könnte die Kombination aus praxisnahen Normen, gezielten Pilotprojekten und industriellen Partnerschaften dazu führen, dass cardboard-confined rammed earth neben anderen nachhaltigen Baustoffen eine anerkannte Rolle im modernen Bauen einnimmt. Für Planende, Bauende und politische Entscheider bietet der Ansatz eine konkrete, technisch fundierte Option zur Reduktion von CO2-Emissionen und zur Förderung einer zirkulären Bauwirtschaft.
Quelle: sciencedaily
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