„Lebender Zement“ schafft eine solide Grundlage für nachhaltiges Bauen
Die Verstädterung, die alternde Infrastruktur und die zunehmende Häufigkeit von Gefahren wie Erdbeben, Bodenerosion und Erdrutschen führen zu einem wachsenden Bedarf an Bodenstabilisierungsmaßnahmen. Dies beinhaltet in der Regel die Verbesserung der Haltbarkeit und Wasserbeständigkeit instabiler Böden durch die Zugabe chemischer Bindemittel oder die Verdichtung des Bodens mit schweren Maschinen. Diese Lösungen sind jedoch alles andere als ideal. Enorme Mengen an Energie werden vor Ort benötigt, um den hohen Druck zu erzeugen, der für die Injektion von Stabilisierungsmitteln in den Boden erforderlich ist. Darüber hinaus können bestehende Lösungen auf der Basis von Flugasche, Kalk und Zement irreversible Schäden am Grundwasser und an unterirdischen Ökosystemen verursachen.
Umweltfreundliche Infrastruktur-Sanierungen
Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) geförderte Projekt CEBREWA(öffnet in neuem Fenster) wollte einen zentralen Bedarf der Industrie decken: marktreife, innovative, biobasierte Lösungen zur Bodenstabilisierung, die wirksam und weniger umweltschädlich sind. Das Projekt baute auf bahnbrechenden Entwicklungen auf, die in einem anderen ERC-finanzierten Projekt namens BIOGEOS erzielt wurden, in dessen Rahmen neuartige Technologien der Biozementierung für den Tiefbau, die Geotechnik und die Geoökologie patentiert wurden. Anstelle chemischer Mittel nutzen diese Lösungen Mikroorganismen, um lockere Böden zu verfestigen und Baumaterialien zu sanieren. „Wir nutzen die biologisch vermittelte Kalzitbildung, damit Böden ihre eigenen mineralischen Bindungen bilden können, anstatt auf herkömmliche synthetische Bindemittel zurückzugreifen“, erklärt CEBREWA-Projektkoordinator Lyesse Laloui, Direktor des Labors für Bodenmechanik(öffnet in neuem Fenster) an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Bei diesem Verfahren werden ausgewählte Mikroorganismen (oder deren Enzyme) in den Boden injiziert. Dort bilden sie durch ihre Stoffwechselaktivität Kalziumkarbonat. Diese Kalkstein-Kristalle binden das umgebende Material und wirken wie ein biologischer Zement. CEBREWA wollte die Wirksamkeit dieser Technologie nachweisen und die Markteinführung von industrietauglichen Lösungen beschleunigen. „Wir haben die Technologie vom Porenmaßstab bis zum Feldmaßstab untersucht“, sagt Laloui. „Dabei setzten wir moderne Bildgebungsverfahren, Labortests und numerische Modellierung ein. Außerdem züchteten wir Mikroorganismen in großtechnischen Bioreaktoren und führten Versuche zur Hangstabilisierung im vollen Maßstab durch.“
Verbesserte Behandlungswirksamkeit und Festigkeit
Das 18-monatige Projekt hat erfolgreich gezeigt, dass die Biozementierung von Laboruntersuchungen auf ingenieurtechnisch relevante Anwendungen übertragen werden kann. Darüber hinaus zeigten die Feldversuche, dass eine hohe Behandlungswirksamkeit und erhebliche Verbesserungen der Festigkeit erreicht werden können. „Im Rahmen des Projekts wurden zudem Planungs- und Überwachungsinstrumente entwickelt, die den Einsatz dieser Technologie in Bereichen wie Erosionsschutz, Verbesserung der Tragfähigkeit, Hangstabilisierung und Straßenverstärkung unterstützen“, fügt Laloui hinzu. Zu den nächsten Schritten gehören die Beschleunigung der industriellen Einführung durch zusätzliche Validierung in der Praxis, internationale Zertifizierung (ISO, CE) sowie Standardisierungs- und Qualitätskontrollverfahren. „Der Technologietransfer erfolgt bereits über Patente und das EPFL-Spin-off-Unternehmen Medusoil(öffnet in neuem Fenster)“, merkt Laloui an. „Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Skalierung von Produktionssystemen, die Ausweitung der Anwendungsbereiche und die Integration der Biozementierung in gängige geotechnische Verfahren.“
Marktreife der biotechnologischen Bodenstabilisierung
Laloui und sein Team sind überzeugt, dass der Markt für diese biotechnologische Bodenstabilisierungslösung weiterhin wachsen wird. Extreme Wetterereignisse werden voraussichtlich dazu führen, dass Reparaturen an Straßen, Eisenbahnstrecken, Dämmen, Stauseen und Staudämmen noch dringlicher werden. Die zunehmende Knappheit an geeigneten Baugrundstücken und die Notwendigkeit, die bestehende Infrastruktur auszubauen, um die wachsende Bevölkerung in städtischen Gebieten zu versorgen, erfordern ebenfalls verstärkte Bodenstabilisierungsmaßnahmen. „Unser Ziel ist es, die Bodenverbesserung deutlich CO2-ärmer, weniger invasiv und umweltverträglicher zu gestalten, ohne dabei Abstriche bei der technischen Leistungsfähigkeit zu machen“, so Laloui abschließend. „Infrastrukturbetreiber, Bauunternehmen, Behörden und Gemeinden, die von Georisiken betroffen sind, können von einer neuen Generation nachhaltiger Technologien zur Bodenstabilisierung profitieren.“