Ein Forschungsteam um Yue Gu hat systematisch untersucht, wie sich die Zugabe von Biochar auf die Eigenschaften von natürlichem hydraulischem Kalk auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine sorgfältig dosierte Menge feinen Biochars sowohl die Aufnahme von Kohlendioxid als auch die Druckfestigkeit des Materials steigern kann. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Biochar X veröffentlicht (DOI: 10.48130/bchax-0026-0017, Publikationsdatum 4. Juni 2026). Die Pressemitteilung erschien am 31. Juli 2026.
Ausgangslage und Materialgrundlagen
Natürlicher hydraulischer Kalk wird seit Jahrhunderten im Mauerwerksbau und in der Denkmalpflege eingesetzt. Er gilt als verträglich mit traditionellen Baumaterialien und kann während des Aushärtens Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen. Im Vergleich zu herkömmlichem Portlandzement wird er bei niedrigeren Temperaturen hergestellt. Der zentrale chemische Prozess ist die Karbonatisierung: Calciumhaltige Verbindungen im Kalk reagieren mit CO2 und bilden Calciumcarbonat. Dieses füllt Poren und trägt zur Verfestigung des Materials bei.
Biochar ist ein kohlenstoffreiches, poröses Material, das durch Erhitzen von Biomasse unter Sauerstoffmangel entsteht. In der vorliegenden Arbeit wurde Biochar aus Kokosnussschalen hergestellt. Seine poröse Struktur bietet Transportwege und Adsorptionsflächen für Gase. Die Forschenden prüften, ob und unter welchen Bedingungen Biochar die Karbonatisierung von natürlichem hydraulischem Kalk unterstützen und zugleich die mechanischen Eigenschaften verbessern kann.
Versuchsaufbau und Parameter
Untersucht wurden der Einfluss unterschiedlicher Biochar-Dosierungen und Partikelgrößen auf mechanische Eigenschaften, Porenstruktur, Karbonatisierungsverhalten und CO2-Aufnahme. Getestet wurden die Partikelgrößen 100 Mesh, 200 Mesh und 325 Mesh sowie mehrere Dosierungsstufen. Als optimal erwies sich eine Zugabe von 2 Prozent Biochar mit einer Partikelgröße von 325 Mesh.
Die Bewertung umfasste Druckfestigkeit, Porosität, pH-Wert, mineralische Zusammensetzung, mikroskopische Struktur und die zeitliche Entwicklung der CO2-Aufnahme. Quantitative Röntgenbeugung diente zur Bestimmung des Calciumcarbonat-Gehalts. Verglichen wurde jeweils mit einem Kontrollmaterial ohne Biochar-Zusatz.
Zentrale Ergebnisse zur Druckfestigkeit
Das optimierte Material (2 Prozent Biochar, 325 Mesh) zeigte gegenüber dem biocharfreien Kontrollmaterial deutliche Festigkeitsgewinne:
- nach drei Tagen: Anstieg der Druckfestigkeit um 35,7 Prozent
- nach sieben Tagen: Anstieg um 42,1 Prozent
- nach 28 Tagen: Anstieg um 10,9 Prozent
Die stärksten relativen Zuwächse traten demnach in der frühen Aushärtungsphase auf. Mit fortschreitender Zeit verringerte sich der relative Vorteil, blieb jedoch positiv.
Ergebnisse zur CO2-Aufnahme
Auch bei der Kohlenstoffaufnahme ergaben sich messbare Verbesserungen. Das optimierte Material nahm
- nach sechs Stunden 14,6 Prozent mehr CO2 und
- nach 24 Stunden 11,9 Prozent mehr CO2
auf als das Kontrollmaterial. Die scheinbare CO2-Aufnahmerate stieg um 3,2 Prozent. Der Calciumcarbonat-Gehalt erhöhte sich von etwa 60,2 Prozent auf 63,9 Prozent. Biochar förderte die Umwandlung von Calciumhydroxid und anderen reaktiven Bestandteilen in Calciumcarbonat.
Wirkungsmechanismen
Die Studie beschreibt drei wesentliche Wege, über die Biochar die Karbonatisierung unterstützt:
- Die poröse Struktur schafft zusätzliche Transportwege für CO2.
- Die große Oberfläche begünstigt eine lokale Anreicherung von CO2.
- Die Anwesenheit von Biochar vergrößert den Kontakt zwischen CO2 und den reaktiven Kalkkomponenten.
Mit der Bildung von Calciumcarbonat werden kleine Hohlräume gefüllt. Dadurch entsteht eine dichtere innere Struktur, die sowohl zur Festigkeitssteigerung als auch zur erhöhten CO2-Bindung beiträgt.
Grenzen der Dosierung
Dosierungen oberhalb von 2 Prozent führten zu einer Erhöhung der Porosität und schwächten die Kontinuität der Kalkmatrix. Zwar konnte bei höheren Anteilen mehr CO2 aufgenommen werden, doch ging dies zu Lasten der mechanischen Eigenschaften. Das angestrebte Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffaufnahme und Festigkeit wurde dann nicht mehr erreicht. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Partikelgröße und Dosierung sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen.
Einordnung und mögliche Anwendungen
Yue Gu, korrespondierende Autorin der Studie, hob hervor, dass bereits eine relativ geringe Menge fein verteilten Biochars sowohl die frühe Festigkeit als auch die Kohlenstoffaufnahme von natürlichem hydraulischem Kalk verbessern könne. Dieses Gleichgewicht sei besonders wichtig für die Entwicklung von Materialien mit niedrigerem Kohlenstoff-Fußabdruck, die weiterhin für die Reparatur und den Erhalt historischer Gebäude geeignet bleiben.
Die untersuchten Eigenschaften machen biocharmodifizierten natürlichen hydraulischen Kalk zu einem Kandidaten für den Einsatz in der Denkmalpflege, der Bestandserhaltung und bei umweltbewussten Bauvorhaben im historischen Stil. Das Material verbindet die traditionelle Verträglichkeit hydraulischen Kalks mit einer messbar erhöhten CO2-Aufnahme und einer verbesserten Frühfestigkeit.
Beteiligte und Publikationsrahmen
An der Arbeit waren Hao Zhang, Jiangtao Qu, Yue Gu, Yikun Li, Ao Li und Zhenhua Wei beteiligt. Korrespondierende Autorin ist Yue Gu. Die Studie erschien in Biochar X, einer Open-Access-Zeitschrift, die sich multidisziplinär mit Grundlagen und Anwendungen von Biochar befasst (e-ISSN: 3070-1686). Die Autoren und die Zeitschrift sind dem Umfeld der Shenyang Agricultural University Collaborative Journals zuzuordnen.
Ausblick und offene Fragen
Die Forschenden weisen darauf hin, dass künftige Untersuchungen klären müssen, wie Umweltbedingungen und langfristige Exposition die Kohlenstoffaufnahme, die Dauerhaftigkeit und das strukturelle Verhalten des Materials beeinflussen. Die vorliegenden Daten beziehen sich auf kontrollierte Laborversuche mit definierten Dosierungen und Partikelgrößen. Die Übertragbarkeit auf reale Baustellenbedingungen, unterschiedliche Klimazonen und längere Zeiträume bleibt Gegenstand weiterer Forschung.
Zusammenfassung der Kernaussagen
- Optimale Kombination: 2 Prozent Biochar aus Kokosnussschalen bei 325 Mesh.
- Deutliche Steigerung der Druckfestigkeit, insbesondere in den ersten sieben Tagen.
- Messbar höhere CO2-Aufnahme und erhöhter Calciumcarbonat-Gehalt.
- Drei nachgewiesene Mechanismen der Karbonatisierungsförderung über Porosität, Oberfläche und Kontaktflächen.
- Höhere Dosierungen verschlechtern das Festigkeits-Aufnahme-Gleichgewicht.
- Potenzial für denkmalpflegerische und emissionsärmere Anwendungen, sofern die Parameter präzise eingehalten werden.
Die Studie liefert damit eine klar quantifizierte Grundlage dafür, wie Biochar als Zusatzstoff in natürlichem hydraulischem Kalk eingesetzt werden kann, um gleichzeitig mechanische Leistungsfähigkeit und Kohlenstoffbindung zu verbessern. Die strenge Abhängigkeit von Dosierung und Partikelgröße macht deutlich, dass der Einsatz nicht pauschal, sondern gezielt und materialwissenschaftlich kontrolliert erfolgen muss.
Credits
Hao Zhang Jiangtao Qu Yue Gu Yikun Li Ao Li und Zhenhua Wei
