Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung eines im Baubereich üblicherweise eingesetzten Betonmaterial, Betonbauteile oder Betonträger, welche auf umweltfreundliche Weise hergestellt und eingesetzt werden soll, um dem Zweck zu dienen nicht nur als Baumaterial Verwendung zu finden, sondern auch als C0 ₂ -Schlucker zu dienen, um atmosphärisches Kohlendioxid zu binden und möglichst langfristig zu speichern.

Jüngst sind in der wissenschaftlichen Literatur Abhandlungen erschienen, die über die Verwitterung von Gesteinen berichten, bei denen Kalkstein und aber auch silikat-basiertes Gestein aus Serpentin und Quartz über chemische Verwitterungsprozesse, z.B. der Carbonatisierung, umgewandelt werden und durch die chemische Umsetzung mit C0 ₂ und H ₂ 0, also Wasser, in verwitterte Endstoffe umgewandelt werden, die chemisch stabil sind und wie Sand zum Beispiel nicht weiter in der Umwelt reagieren. Bevor diese Stoffe jedoch in diesen Staus kommen, haben sie je nach Ursprungsgestein signifikante Mengen an atmosphärischem C0 aufgenommen und in die neue Materialstruktur eingebaut. In der Folge sprechen wir von „verwittertem Gestein“. Dabei können Kohlensäuren aber auch andere Säuren, die eine C0 ₂ Basis haben, eine Rolle spielen. In Folge sprechen wir von chemischer Verwitterung oder generell von Verwitterung, ausgelöst durch den Einfluss von Säuren wie Kohlensäure, Schwefelsäure, sowie insbesondere auch biotische Verwitterung durch Bakterien, Hefe und Pilze und sonstige saure Ausscheidungen von Kleinstlebewesen, die bei künstlichen Verwitterungsprozessen künftig eine große Rolle spielen.

Das Ergebnis der Verwitterung sind Stoffe, die als nicht reaktive Füllstoffe für viele Anwendungen verwendbar sind. In dieser Anmeldung wird Sand für die Betonherstellung durch verwittertes Gestein, zumindest teilweise, ersetzt.

Am besten für die Verwitterung eigenen sich Gesteine der Gruppen Olivin, Serpentin, Serpentinit, Dunit, Basalt, Gabbro, Granit und Quarzit, jedoch sind auch Kalksteine und teilweise auch Sandsteine, wie z.B. Quarzsandstein, geeignet, was die Menge der Aufnahme von C0 ₂ betrifft. Eine besonders interessante Methode ist die Verwitterung von gemahlenem, frischem oder bereits gealtertem Magmagestein.

Das verwitterte Steinmaterial ist umso effizienter bei der Verwitterung bzgl. der Geschwindigkeit der Verwitterungsprozesse, je grösser die Oberfläche der Steinpartikel für die Reaktion mit Säuren ist, die mit schrumpfender Korngröße in Relation zum Gewicht wächst.

Am besten eignet sich Steinstaub, der aus Quellen stammt, bei denen der Steinstaub mit abrasiven Mittel wie Diamant erzeugt wurde, denn in der Regel haben diese Staubpartikel nur wenige Mikrometer im Durchmesser oder vielfach auch deutlich darunter. Das C0 ₂ -Absorptionspotenzial steigt theoretisch mit der dritten Potenz bei Abnahme des Durchmessers der Partikel. Dieser Umstand ist für die kommerziellen Aspekte signifikant bei der Umsetzung dieser neuen Technologie der C0 ₂ -Absorption, da solche Steinstäube nur dort Vorkommen, wo bereits kommerzielle Steinverarbeitung stattfindet bzw. in den vergangenen 40 Jahren bereits stattgefunden hat. Riesige Mengen an feinstem Steinstaub lagern ungenutzt als Abfall zum Beispiel in norditalienischen Regionen, und auch in China, Indien und Brasilien.

Das betrifft die typischen Steinabfälle aus der Steinverarbeitung, dem Schnitt von Steinplatten und der abrasiven Behandlung der Oberflächen von Serpentin, Olivin, Dunit, Granit und Basaltgestein, oder Gabbro, sowie Quarzit und teilweise auch Marmor und Kalkstein.

Wenn diese Abfallprodukte verwittert werden, dienen sie dem Zweck der Aufnahme von C0 ₂ und können anschließend alternativ auch als Fertilizer für Böden und so wie hier vorgeschlagen als Füllstoff für die Betonherstellung dienen. Das Neue dieser Anmeldung ist die Nutzung als Füllstoff für Beton als Sandersatz, da Sand für die Herstellung von Beton vielfach auf der Welt zur Neige geht. Eine der wesentlichen Verwitterungsmechanismen von Stein und Beton ist die Kohlensäureverwitterung und die Carbonatisierung.

Calciumcarbonat CaC0 ₃ , Calcit und Aragonit sind nur sehr schlecht in reinem Wasser löslich. Verbindet sich das Wasser jedoch mit Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft, gemäß der Reaktionsgleichung H ₂ 0 + C0 ₂ => H ₂ C0 ₃ bildet sich Kohlensäure. Sie wandelt das Carbonat CaC0 ₃ nach der Reaktionsgleichung CaC0 ₃ + H ₂ C0 ₃ => Ca(HC0 ₃ ) ₂ in Calciumhydrogencarbonat um, das in Wasser stets vollständig gelöst vorliegt. Ein Vorgang wird Carbonatisierung genannt, wenn ein Salz der Kohlensäure noch einmal mit Kohlensäure reagiert.

Die Reaktion der Kohlensäure mit Karbonatgesteinen (Kalkstein, Dolomit, Karbonatit, Marmor) erzeugt in festem Gestein bereits in der Natur interessante Oberflächenformen. Die gleichen Prozesse finden jedoch auch mit gemahlenem Gestein unter industriellen Bedingungen statt, nur viel schneller. Die Oberfläche entblößten Kalksteins ist typischerweise mit einem komplexen Muster von Pfannen, Rillen, Furchen und anderen Vertiefungen überzogen. An einigen Stellen erreichen sie das Ausmaß tiefer Furchen und hoher, wandartiger Gesteinsrippen, die von Mensch und Tier nicht mehr in normaler Weise überquert werden können. So entstehen in Gebieten, deren Oberflächengeologie von Kalkstein dominiert wird, bizarre Karstlandschaften. Die Auflösung von Carbonatgestein ist jedoch nicht auf die Geländeoberfläche beschränkt, sondern erfolgt auch unter der Erde durch versickertes, kohlensaures Oberflächenwasser.

Die Wirkung der Kohlensäure ist ein dominierender Faktor für die Denudation in Kalksteingebieten mit feuchtem Klima, nicht zuletzt wegen der dort intensiven biotischen C0 ₂ -bildenden Prozesse. In feuchtem Klima sind Kalksteine daher relativ verwitterungsanfällig und können große Talzonen und andere Bereiche niedrigen Geländes bilden, während benachbarte Rücken und Plateaus aus Gestein bestehen, das unter den herrschenden Bedingungen widerstandsfähiger gegen Verwitterung ist. Die Untersuchung eines in Kalkstein eingeschnittenen Tals in Pennsylvania ergab, dass die Landoberfläche allein durch die Wirkung der Kohlensäure im Durchschnitt um 30 cm in 10.000 Jahren tiefergelegt worden ist.

Das Umgekehrte trifft auf Trockenklimate zu. Dort ist der Einfluss der Kohlensäureverwitterung wegen der Abwesenheit flüssigen Wassers und der damit zusammenhängenden geringeren biotischen Aktivität sehr viel geringer, und Kalkstein und Dolomit bilden hohe Rücken und Plateaus. Zum Beispiel sind die Ränder des Grand Canyon und die angrenzenden Plateaus von Dolomitschichten unterlagert. Sandsteinschichten aus Quarzkörnern, die durch Calciumcarbonat miteinander verkittet wurden - sogenannte karbonatzementierte Sandsteine - verwittern in einem Trockenklima ebenfalls relativ langsam, in zermahlenem Zustand und unter Zufuhr von Wasser und gegebenenfalls auch Wärme jedoch wesentlich schneller.

Eine weitere für Kohlensäureverwitterung anfällige Calciumverbindung ist das in der Natur eher seltene Calciumhydroxid (Ca(OH) ₂ , Portlandit). Es verwittert nach der Reaktionsgleichung

Ca(OH ₂ ) + H ₂ C0 ₃ => CaC03 + 2 H ₂ 0 zu Calciumcarbonat, das nachfolgend weiter verwittert. Calciumhydroxid ist als Löschkalk bereits ein bedeutender Bestandteil von Beton. Bei Stahlbeton begünstigt die ebenfalls als Carbonatisierung bezeichnete Reaktion von Kohlensäure mit Calciumhydroxid, bei der jedoch Calciumcarbonat erzeugt statt zersetzt wird, die Korrosion der Bewehrung durch den hohen Anteil an Sauerstoff und Wasserbildung, woraus schwerwiegende Bauschäden resultieren.

Neben Calciumcarbonat und Calyciumhydroxid können jedoch auch die silikatischen Minerale, die Bestandteil vieler vulkanischer Gesteine sind, nach der Reaktionsgleichung

Mg ₂ Si0 ₄ + 2 H ₂ 0 + 4 C0 ₂ => 2 Mg(HC0 ₃ ) ₂ + 2 Si0 ₂ fast vollständig aufgelöst werden, wobei vorstehende Gleichung einen mehrphasigen Prozess mit mehreren Einzelreaktionen zusammenfasst.

In den feuchten Klimaten der niederen Breiten wird mafisches Gestein, welches in hohem Maße magnesium- und eisenhaltig ist - was insbesondere für Basalt gilt - intensiv von größtenteils biogenen Bodensäuren wie auch Kohlensäure angegriffen und gelöst. Zu den mafischen Mineralien zählen die gesteinsbildend auftretenden Glimmer, Amophibole, Pyroxene, Olivin, opake Minerale (Erzmineralse), Epidot, Granate, Melilith und die Akzessorien Zirkon, Apatit, Orthit, Allanit und Titanit.

Hinzu kommen die seltenen, ebenfalls magmatisch entstandenen Karbonatminerale in den Karbonatiten und einzelnen Foiditen und sonstigem Feldspat. Je mehr Eisen in den Mineralen enthalten ist, desto dunkler sind diese, je mehr Magnesium, desto heller bis zur Durchsichtigkeit. Da sie relativ wenig Quarz (Si0 ₂ ) (das Anhydrid der Kieselsäure) enthalten, ordnet man sie auch den basischen Mineralen zu. Obwohl sich die Feldspatvertreter (Foide) nur bei starkem Si0 ₂ -Mangel bilden, werden diese nicht zu den mafischen, sondern zu den felsischen Mineralen gerechnet. Eine besondere Rolle in der effizienten Verwitterung spielt Fosterit Forsterit ist ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Silicate und Germanate. Es kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung Mg ₂ (Si0 ) und entwickelt meist tafelige bis prismatische Kristaille , aber auch körnige Aggregate.

Forsterit bildet sich in mafischen bis ultramafischen Vulkaniten und in metamorph umgewandelten, dolomitischen Kalksteinen. Dort tritt er in Paragenese mit einer ganzen Reihe von Mineralen wie unter anderem Calcit, Chromit, Dolomit, Enstatit, Korund, Magnetit, Phlogopit, Plagioklas und Spinell auf.

Bisher konnte Forsterit weltweit an mehr als 960 Fundorten nachgewiesen werden.

Da all diese verwitterungfähigen Mineralien wie Fosterit, Feldspate, Quarz und auch Glimmer oder Tonerde letzlich eine Silikat-Basis haben bzw. Silikate sind, ist neben Basalten und magmatischem Gestein die künstliche Verwitterung von gemahlenen Graniten, die im Wesentlichen aus Feldspat, Quarz und Glimmer bestehen, für die beschleunigte Verwitterung von Gestein ebenfalls hoch interessant, da Granit in der Steinindustrie in großen Mengen verarbeitet wird und deshalb auch viel Steinstaub als Abfall anfälllt. Je nach Granitsorte und damit unterschiedlicher Zusammensetzung der oben aufgeführten Mineralien ist die Verwitterung von unterschiedlichen Graniten unterschiedlich effizient.

Bei der Hydrolyse, auch hydrolytische Verwitterung genannt, werden die Ionen im Kristallgitter bestimmter Minerale an H ⁺ - und OH ^" -lonen, die in Wasser durch Autoprotolyse permanent entstehen, gebunden, wodurch das lonengitter zerfällt. Die Hydrolyse ist unter anderem ein wichtiger Prozess der Bodenbildung, denn sie bildet die Initialreaktion der Umwandlung häufiger Silikatminerale (z. B. Feldspäte und Glimmer) in Tonminerale (z. B. Illit, Kaolinit, Montmorillonit, Smectit). So zerfällt beispielsweise Kalifeldspat in alumosilizische Säure und Kaliumhydroxid. Letztgenanntes wird durch Reaktion mit Kohlensäure in Kaliumcarbonat („Pottasche“, K ₂ C0 ₃ ) überführt und, da es gut wasserlöslich ist, mit dem Kluft-, Poren- oder Oberflächenwasser aus dem Gestein abgeführt. In Beton hat diese Pottasche eine stark verfestigende Wirkung bei der Aushärtung des Betons. Die alumosilizische Säure reagiert mit Wasser zu Kaolinit und Orthokieselsäure. Letztgenannte ist wiederum löslich und kann abgeführt werden. Ändert sich jedoch unterwegs das chemische Milieu, kann aus dieser Verwitterungslösung Si0 ₂ ausfallen und bildet dann Chalcedon- krusten (Silcretes).

Im Zusammenspiel mit chemischer Verwitterung von Gestein durch Hydrolyse entstehen Landformen, die als sogenannter Silikatkarst dem Karbonatkarst sehr ähnlich sind. Die Effekte der chemischen Verwitterung von Basalt zeigen sich beispielsweise in den eindrucksvollen Furchen, Felsrippen und -türmen an den Hängen tiefer Bergnischen in Teilen der Hawaii-Inseln. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang die zu beobachtende Fruchtbarkeit im Zusammenhang mit verwitterndem Magmagestein. Aus diesem Grund wird in dieser Anmeldung auch die Verwitterung von frisch gewonnener Magma vorgeschlagen.

Wenn solche Betonstrukturen, die mit chemisch verwittertem Gestein beaufschlagt sind und aus diesem Grund einen hohen Anteil an Sauerstoff durch die Verwitterung erfahren haben, nunmehr auch noch mit zugfesten Materialien wie Carbonfasern statt Stahl stabilisiert werden, dann ist auch das Korrosionsproblem von solchen C02-schluckenden und hochfesten Betonsorten, die mit einem hohen Anteil an Carbonaten und Sauerstoff jeden Stahl zum schnellen Rosten bringen würden, gelöst.

Die ebenfalls aus atmosphärischem C0 ₂ hergestellte Carbonfaser bindet auf diese Weise zusammen mit dem Beton noch mehr C0 ₂ , in welchem Fall der Beton seine eigenen prozessbedingten CO^Emissionen damit kompensieren und C0 ₂ -neutral werden.

Außerdem kann Stahl gespart bzw, ersetzt werden, der energieintensiv ist und derzeit auch noch prozessbedingte C0 ₂ -Emissionen verursacht und in keinem Fall das Potenzial wie die Carbonfaser besitzt, Kohlenstoff aus C0 ₂ -Quellen dauerhaft zu fixieren. Im Notfall, falls aus welchen Gründen auch immer Stahl zum Einsatz kommen muss, kann dieser verzinkt sein oder aus Edelstahl bestehen, um nicht zu rosten.

Der Vorteil der Carbonfaser gegenüber Stahl ist zusätzlich, dass Carbonfasern auch nicht mit Hilfe von starken Salzen oder im Meerwasser korrodieren, also unempfindlich sind für neue, nachhaltige Zement- und Betonsorten, die Stahl leichter korrodieren lassen als Beton aus den heute üblichen Portlandzement und dann auch im maritimen Bereich ersetzbar sind.

Wenn es auf diese Weise gelingt Zement oder zementähnliche Binder in weit gefassten Anwendungsbereichen zu verwenden, die C02-neutral werden können, weil die Carbonfaser gegen die mit diesen Sorten verbundenen Carbonatisierungsprozesse und andere für den Stahl schädlichen Prozesse unempfindlich ist, dann wird der so entstehende Beton in Kombination mit aus C02-hergestellten Carbonfasern C0 ₂ -negativ mit seinem Foot-Print, ohne technische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

In der EP 1062092 und der EP 2739471 wird beschrieben, dass Stahl und Aluminium durch eine Kombination aus Stein und Carbonfaserlaminat (CFK - Carbonfaser Komposit) ersetzt werden können, wenn dem Stein die fehlende Zugstabilität durch die extrem zugsteife Carbonfaser gegeben wird. Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird mit Hilfe von Harzen hergestellt, zum Beispiel Epoxidharzen oder hochtemperaturstabilen Bindern auf Wasserglas- und Silikonharzbasis, die in der Lage sind sich mit dem Carbonmaterial zu vernetzen oder zu verbinden. Durch diese Verbindungen entsteht unter bestimmten Umständen auch eine Vorspannung, die bei der bzw. durch die Verbindung dauerhaft eingebaut werden kann.

Bisher war es technisch nicht möglich, die sich wärmetechnisch unterschiedlich ausdehnende Carbonfaser mit dem Beton bei wechselnden Temperaturen zu verbinden.

Der Stein als Zwischenschicht zwischen Carbonfaser und Beton ermöglicht die Verbindung von Carbon und Beton, trotz diametral unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der beiden Stoffe. Da der Stein mit 40-75GPa tatsächlich eine bisher unterschätzte, hohe Elastizität unter Druck hat, kann der Stein die Ausdehnungsunterschiede als Zwischenschicht zwischen Carbon und Beton sehr effizient ausgleichen, wie in der EP 3723976 beschrieben.

Die Verbindung aus Carbon und Stein nennen wir hier nunmehr CFS (CarbonFaserStein) und eine CFS-Lamelle ist ein Bauteil, welches aus zwei Steinschichten mit einer zwischen den Steinschichten befindlichen Carbonfaserschicht besteht. Die Verbindung wird durch die oben genannten Klebstoffe oder Binder hergestellt. Der Stein sorgt dafür, dass die Verbindung zwischen Carbon und Beton rissfrei ist, wobei ebenfalls die Rissbildung im Beton durch die extrem hohe Steifigkeit der Carbonfaser gänzlich verhindert wird, und zwar insbesondere nicht nur unter dynamischen Lasten, sondern auch in Umgebungen mit stark wechselnden Temperaturen. Auf diese Weise wird der Naturstein in Form von Serpentin, Dunit, Granit, Basalt, Gabbro, Feldspat, Glimmer und sogar Tonerde und Quarzit, Vulkanit, Magmatit oder auch flüssige oder abgekühlte, ausgehärtete Magma in zweierlei Hinsicht zum Game-Changer bei der C0 ₂ -Bilanz, die in Summe negativ wird und nunmehr auch für Beton zu einer Lösung der Armierung mit Carbon wird, die technisch wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Carbon und Beton unter wechselnden Temperaturen zuvor undenkbar war und unmöglich erschien, wobei zusätzlich die Abfälle aus der Stein-Produktion als gemahlenes Steinmehl übrig bleiben, das anschließend durch Verwitterung die Fähigkeit bekommt als Zementzusatz und Bodenfertilizer Verwendung zu finden, was die ökonomischen Bilanzen deutlich verbessert.

Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in Abbildung 1 den Aufbau einer Betonplatte (1) und deren Querschnitte (F-F) und (G-G). Ein Gitter aus Stabilisierungslamellen (2) ist als Bewehrung in die Betonplatte (1) eingegossen, wobei dieser Beton beispielsweise aus Portlandzement-basierten Bindemitteln und Füllstoffen aus verwittertem Gestein besteht. Dieses verwitterte Gestein ersetzt den üblicherweise verwendeten Sand als Füllstoff. Ansonsten ist das Mischungsverhältnis aus Zement, Kies, Wasser und Füllstoff das gleiche, wie bei der üblichen Herstellung von Beton. Die Stabilisierungs-Lamellen (2) können aus verzinktem Stahl, Edelstahl oder CarbonFaserStein-Laminaten (CFS) bestehen.

In Abbildung 2 wird gezeigt, wie dieses Lamellengitter im Querschnitt aufgebaut ist, wenn Carbonfasern Verwendung finden, in diesem Fall mit zwei Steinschichten (3) und einer innenliegenden Carbonfaserlaminat-Schicht (4), (CFS-Lamellen) wobei das Laminat entweder Epoxidharz-basiert oder mit Hilfe eines Wasserglas-Binders ausgeführt ist.

Abbildung 3 zeigt eine armierte Betonplatte, die in diesem Fall beispielhaft aus einer C0 ₂ -armen, neuen Betonsorte und verwittertem Gesteinsmehl oder einer etwas gröberen verwitterten Gesteinskörnung als Füllstoff besteht. Der Querschnitt E - E zeigt die Gitteranordnung von CFS - Lamellen aus Abbildung 2, von denen jeweils 2 knapp unterhalb der Oberflächen der beiden Außenseiten der Betonplatte angeordnet sind, um die Platte in beide Biegerichtungen knickstabil zu halten. Diese

Platte kann deshalb als Hauswand oder Bodenplatte in einem Beton-Gebäude Anwendung finden.