Betonbauweise mit verminderter

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1 Betonbauweise mit verminderter CO 2 -Last A. Wolter, M. Heidmann-Ruhz TU Clausthal, Institut für Nichtmetallische Werkstoffe H. Budelmann, A. Wachsmann TU Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz L. Lohaus, C. Begemann Leibniz Universität Hannover, Institut für Baustoffe

2 Motivation Ziele Pro Tonne Klinker 0,85 Tonnen CO 2 -Ausstoß 70% davon rohstoffbedingt Bis 2050: 4,2 Milliarden Tonnen Zementabsatz eher mehr (Internationale Energieagentur (2009)) Ressourcenverknappung Verfügbarkeit von Klinkersubstituten (Qualität, Menge)? Weitere/neue Hauptbestandteile vs. neue Bindemittel? 2

3 Ziele Ziele Betone mit geringerer CO 2 -Last als konventionelle Betone Strategie zur praxistauglichen Betonrezepturentwicklung Auf Basis lokal verfügbarer Zusatzstoffe Keine Nischenlösung - Betone für breite Anwendung alle Bauaufgaben! 3

4 Vorgehen Betonentwicklungskonzept Betonentwicklung Praxisnahe Entwicklung von Betonrezepturen Verwendung von lokal verfügbaren Zusatzstoffen unterschiedlicher Reaktivität und Qualität Schrittweise Reduzierung des Klinkergehaltes "Wassereffizienz" (nass) vs. Packungsdichteoptimierung (trocken) Leistungsbewertung Spezifische CO 2 -Last Begemann 2013; Gläser, Diss. in Vorbereitung 5

5 Bauaufgabenbezogene Anforderungen Performance- Bauteil Expositions- Festigkeits- Konsistenz- klasse Beispiel klasse klasse klasse PC 1 Innenbauteil XC 2 C 20/25 F3 Betonentwicklung Anforderu ungen PC 2 Außenbauteil XC4, XF1 C 25/30 F3 PC 3 Massives XC4, XF1 C 25/30 F3 Betonbauteil PC 4 Ingenieurbauteil (z.b. Brücken) XC4, XD2, XF3, XA2 PC 5 Betonfertigteil XC4, XD3, XF3, XA2 C 30/37 C 35/45 F3 F5 (F6) Kombination Expositions-/Festigkeitsklasse nach Erfahrungswerten definiert In Anlehnung an EN 206 9

6 Betonentwicklung bezogen auf gleiche Verarbeitbarkeit Haupt- bestand- teile Betone PC 1 Innen PC 2 Außen PC 3 Massiv kg/m 3 PC 4 Ing. PC5 Fertig K/V 20/80 K/S 20/80 K/LL 20/80 kg/m 3 K/P 20/80 K/Q 20/80 CEM I 52,5 R CEM III 270 A 290 A 260 B 360 A FA HS 338 KSM 380 TR 312 PH 330 Gesteinskörnung Wasser FM (PCE) [kg/m³] 3,0 2,8 2,6 7,2 2,5 6,4 5,4 5,4 8,0 7,0 w/b 0,52 0,50 0,46 0,38 0,40 0,30 0,29 0,25 0,39 0,33 FM/w [%] 1,8 1,6 1,6 4,5 1,4 5,0 4,4 5,1 5,0 5,0 Kons.. Ziel/IST [cm] F3 / 51 F3 / 46 F3 / 40 F3 / 41 F6 / Dichte [kg/dm 3 ] 2,27 2,28 2,31 2,31 2,31 2,27 2,38 2,35 2,29 2,34 CO 2 -Last [kg/m 3 ] PC = Performance-Klasse; A: CEM III/A 42,5 N; N; B: B CEM CEMIII/B III/B 32,5 32,5 R; R Z K(Z) = Zementklinker; FA V(FA) = Steinkohlenflugasche; S(HS) = Hüttensand; KSM LL(KSM) Kalksteinmehl; = Kalksteinmehl; TR Rhein. Trass; P(TR) = rhein. Trass; Q(PH) = Phonolithmehl 11 C. Begemann, L. Lohaus; ibausil 2015 Betonentwicklung

7 Prüfverfahren Mechanische Eigenschaften - Festigkeiten, Kriechen und Schwinden etc. Prüfverfahren Dauerhaftigkeit - Karbonatisierungswiderstand, Frostwiderstand, Chloridmigrationswiderstand Ausgangsstoff Festigkeit Lagerung Prüfbeginn nach Herstellung Prüfbedingung 2, 28, 56 Tage - Kriechen 7 Tage σ cr /f c,28d = 0,20 7 Tage Wasser, Schwinden 28 Tage danach 20 C, 65% r.f. 2% CO Karbonatisierung 28 Tage 2, 20 C, 65% r.f., 28 Tage Frostangriff 56 Tage CIF, 56 FTW Chloridmigration Wasserlagerung 56 Tage RCM-Test 12

8 Untersuchungen Untersuchungen - Festigkeit A. Wachsmann, H. Budelmann Budelmann; ibausil 2016 Druckfestigkeit [N/mm2] Festigkeitsentwicklung Betonalter [d] Neue Betone übertreffen z.t. die Referenzbetone RedCarb-Beton mit Trass liegt unterhalb der Referenzfestigkeiten, trotzdem noch fcc,28 > 35 N/mm² Institut für Nichtmetallische Werkstoffe, TU Clausthal 13. Baustoffseminar 2016, München 13

9 Leistungsbewertung Leistungsbewertung Ermittlung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit des Zementsubstitutionsgrades C. Begemann, L. Lohaus; ibausil d Druckfestigkeit [N N/mm 2 ] 28d Druckfestigkeit [N N/mm 2 ] Zementsubstitutionsrate [%] Zementsubstitutionsrate [%] 14

10 d carbo [mm] Leistungsbewertung FTW bis dy ynam. E-Modul < 75% C. Be egemann, L. Lohaus; ibausil 2015 Leistungsbewertung Zementsubstitutionsrate [%] Zementsubstitutionsrate [%] RedCarb-Betone erreichen auch bei hohen Substitutionsgraden gute Ergebnisse Ausnahme: RedCarb-Betone mit Trass- oder Kalksteinmehl Karbonatisierungs- sowie Chloriddiffusionswiderstand nehmen stark ab. 15

11 Bewertungsansätze Berücksichtigung des CO 2 -Vorteils von RedCarb-Betonen Vergleich der CO 2 -Last auf Basis gleicher Leistungsfähigkeit Bewertungsansatz Ansatz nach Damineli Druckfestigkeit (f ) <-> CO 2 -Last (c) ci cs = CO 2 -Intensität der jeweiligen Beton-Zusammensetzung Notwendige Menge an CO 2, welche pro Kubikmeter Beton zur Erreichung von 1N/mm 2 erforderlich ist. 17

12 Bewertungsansätze Bewertungsansatz CO 2 -Last [kg-co 2 ] CO 2 -Last [kg-co 2 ] 28d Druckfestigkeit [N/mm 2 ] C. Begemann, L. Lohaus; ibausil 2015 Carbonatisierungswiderstand 1/ [1/mm] 1/d carb 19

13 CO 2 -Bilanzierung Referenzbetone Benchmark PC 5 CO 2 -reduziert ( RedCarb-Betone) (RedCarb CEM I - basiert CO 2 -Bilanzierung Benchmark PC 4 Benchmark PC 3 CEM III/A CEM III/A CEM III/B CEM III/A CEM I 21

14 CO2-Vergleich CO2-Vergleich Klinkergehalt [kg/m3] Institut für Nichtmetallische Werkstoffe, TU Clausthal 13. Baustoffseminar 2016, München 22

15 Institut für Nichtmetallische Werkstoffe, TU Clausthal 13. Baustoffseminar 2016, München Zukunft CO2-Lasterhöhung bei produktwertbasierter Allokation 23

16 Leistungsbewertung Deskriptives Konzept Konventionelle Betone Einfaches Bauteil -> Geringe Anforderungen (z.b. Festigkeit und Verarbeitung) Höherwertiges Bauteil -> Mindestzementgehalt -> Maximaler w/z-wert -> Festigkeitsklasse RedCarb-Betone bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit der RedCarb-Betone Leistungsbewertung 24

17 Zusammenfassung Praxisnahes Entwicklungskonzept Stoffauswahl auf Basis lokal verfügbarer Zusatzstoffe Gleichwertige bauaufgabenbezogene Leistungsfähigkeit Referenzierte Leistungsbewertung CO 2 -bezogene Leistungskriterien CO 2 -Minderungspotential verbunden mit gesteigertem Rezepturfindungsaufwand PCE Zusammenfassung 25

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