Ökobetone zur Herstellung von Betonfertigteilen

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1 Ökobetone zur Herstellung von Betonfertigteilen TU Darmstadt, Institut für Massivbau, Prof. Dr.-Ing. Carl-Alexander Graubner, Dipl.-Ing. Stefan Hainer

2 Was ist Ökobeton? ökologisch optimiert günstigere Umweltwirkung Klima- und Ressourcenschonung Mineralischer Baustoff ( Gesteinskörnung + Zement + Wasser ) 2/46

3 Bedeutung der Nachhaltigkeit für den Betonbau Klimawandel Lokale Umweltverschmutzung Rohstoffverknappung Kostensteigerungen Ambitionierte (klima)politische Ziele Circa 5% der weltweiten CO 2 -Emission verbunden mit der Zementherstellung davon ca. 50% allein in China Verstärkter Focus auf die Umweltverträglichkeit von Produkten 3/46

4 Entfernung Erde-Mond = km Bedeutung der Nachhaltigkeit für den Betonbau Beton ist der Massenbaustoff unserer Zeit Zementproduktion (2009) weltweit: ca. 2,8 Milliarden Tonnen / Jahr Annahme: für 1m³ Mörtel und Beton 300 kg Zement = 9,3 Milliarden m³ Beton Entspricht einer Säule (1 m x 1 m) mit einer Länge von km 24 Säulen Erde Mond 4/46

5 Bedeutung der Nachhaltigkeit für den Betonbau Schwerpunkte von Forschung und Entwicklung im Betonbau Anforderungen, Aufmerksamkeit Umweltverträglichkeit / Nachhaltigkeit Dauerhaftigkeit Tragfähigkeit / Gebrauchstauglichkeit Wirtschaftlichkeit Zeit 2011? Konzentration der aktuellen Forschung auf Nachhaltiges Bauen 5/46

6 Nachhaltigkeitsbewertung Nachhaltigkeit ökologische Aspekte ökonomische Aspekte gesell - schaftliche Aspekte 6/46

7 Nachhaltigkeitsbewertung mit dem DGNB/BNB- Zertifikat Beispielobjekt an TU Darmstadt Signifikanter Einfluss des Betons auf das Bewertungsergebnis 7/46

8 Ökobilanzierung von Baustoffen Der gesamte Lebenszyklus der eingesetzten Baustoffe wird betrachtet Rohstoffe Herstellung Anwendung Abfall- Behandlung/ Recycling endgültige Beseitigung Wiege Bahre (Idealfall) 8/46

9 Bewertungskriterien für die Ökobilanzierung Ökobilanz-Kriterien Treibhauspotenzial (GWP) [kg CO 2 Äqu./m³] Ozonschichtzerstörungspotenzial (ODP) [kg R 11 Äqu./m³] Ozonbildungspotenzial (POCP) [kg C 2 H 4 Äqu./m³] Überdüngungspotenzial (EP) [kg PO 4 Äqu./m³] Versauerungspotenzial (AP) [kg SO 2 Äqu./m³] Primärenergiebedarf nicht erneuerbar (PE ne ) [kwh/m³] Primärenergiebedarf erneuerbar (PE e ) [kwh/m³] Noch keine gesetzliche Verpflichtung zur Durchführung einer Ökobilanz 9/46

10 Anteile am Treibhauspotential eines Stahlbetonbauteils Anteile am Treibhauspotential der Stahlbetondecke C25/30 aus Elementplatten mit Ortbetonergänzung Stahlbetonplatte: ergänzte Elementdecke d = cm Transport Ortbeton 1% Strom 2% Wärme aus Heizöl 1% Beton C25/30 (5 cm Fertigteil) 20% Transport Fertigteil 1% Beton C25/30 (15 cm Ortbeton) 60% Bewehrungsstahl (50 kg/m³) 15% Der Bewehrungsstahl hat lediglich einen Anteil von 15% am Treibhauspotential 10/46

11 Anteile am Treibhauspotential des Betons Anteile am Treibhauspotential des Betons - Beispielrezeptur C25/30 Sand 0-2 mm 658 kg 1% Fließmittel 1,5 kg 1% Steinkohlenflugasche 40 kg 0% Kies 2-8 mm 846 kg 2% Splitt 8-16 mm 376 kg 1% Wasser 170 kg 0% Beton C25/30 CEM I 42,5 280 kg 95% Der überwiegende Anteil (ca. 95%) des Treibhauspotentials resultiert aus dem Zement 11/46

12 Ursachen des Treibhauspotentials von Zement CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung Entsäuerung des Klinkers Brennstoffe für das Brennen des Klinkers Mahlen Transport 5% 5% 40% 50% Quelle: The Cement Sustainibility Initiative 12/46

13 Betontechnologie Möglichkeiten der Entwicklung umweltfreundlicher Betonbauteile Herstellung der Ausgangsstoffe Brennprozess, Mahlprozess, Transportvorgänge Erhöhung der Packungsdichte Sieblinie, Fließmittel, inerte/reaktive BZS Verwendung von Sekundärrohstoffen Flugaschen, Mikrosilika, Hüttensand, Kesselsand, rezykl. Gesteinskörnung Reaktivere Bindemittel Zementfestigkeitsklasse, Beschleuniger, Geopolymerzemente Baukonstruktion/ Bauprozess Hybride Mehrschicht- Systeme, nicht korrosive Bewehrung 13/46

14 Bisherige Lösungsansätze für den Baustoff Beton Neuartige Zuschläge (GK): Holzbeton Recyclingbeton Neuartige Bindemittel: Celitement Sulfathüttensandzemente (Slagstar) Lösungsansätze nicht ausgereift Nur begrenzt verfügbar und einsetzbar Ökologisch keine oder nur geringe Verbesserung Kompositzemente mit anderen Hauptbestandteilen außer Portlandzementklinker (Flugasche, Hüttensand, Kalksteinmehl) Nicht für alle Expositionsklassen zugelassen Nicht flächendeckend verfügbar 14/46

15 Konzept für Entwicklung von Ökobeton Aktuell gibt es keine sinnvolle Alternative zu Portlandzementklinker! Minimierung des Anteils an Klinker im Beton Ableitung einer zweistufigen Vorgehensweise zur Zement/Klinkerreduktion 15/46

16 1. Schritt Wahl der Zementart und Festigkeitsklasse Frühfestigkeit für Betonfertigteile oftmals nicht ausreichend Verfügbarkeit von weiteren Hauptbestandteilen begrenzt! 16/46

17 2. Schritt Wasser- und Zementreduktion Ziel: geringer Klinkergehalt, Wasser Zement gleiche Druckfestigkeit + Fließmittel (Packungsdichte) + Optimierung der Packungsdichte aller Feststoffe - Wasser - Zement + Betonzusatzstoffe (inert, reaktiv) Gesteinskörnung Zementleim (Festigkeit, Verarbeitbarkeit) 17/46

18 Betontechnologisches Prinzip Ausgangsbeton Zement wählen mit höherer Festigkeit und ökologischen Hauptbestandteilen Wassergehalt reduzieren Hochleistungsfließmittel verwenden Zementgehalt reduzieren Betonzusatzstoffe zugeben 100% 0% Druckfestigkeit Zementgehalt Umweltwirkung 18/46

19 Forschungsprojekte Ökobeton an der TU Darmstadt 1. Betone für die Fertigteilindustrie 2. Betone für die Transportbetonindustrie 3. Bindemittel für die Zementindustrie Zusammenarbeit des FG Massivbau mit dem FG Werkstoffe im Bauwesen 19/46

20 Entwicklung von Ökobeton - Anwendungsorientierung Beispiel: Stahlbetonplatte als ergänzte Elementdecke d = m C25/30, XC1 Projekt 2: Ortbetonergänzung Projekt 1: Betonfertigteil (Elementdecke) 20/46

21 Entwicklung von Ökobeton - Randbedingungen Mindestens gleichwertige bemessungsrelevante Festigkeitseigenschaften: Druckfestigkeit, Festigkeitsentwicklung, E-Modul, Kriechen, Schwinden, Dauerhaftigkeit Ausreichende Verarbeitbarkeitseigenschaften: Verarbeitbarkeitsdauer, Fließfähigkeit, Viskosität Verwendung derzeit am Markt in ausreichender Menge verfügbarer Ausgangsstoffe (Zemente, Betonzusatzstoffe, Betonzusatzmittel) Nutzung vorhandener Anlagentechnik zur Betonherstellung ohne großem Investitionsbedarf (Dosieranlage, Mischer) Einhaltung von Mindestzementgehalten? Kostenneutralität Betonentwicklung wird von vielen Randbedingungen beeinflusst 21/46

22 Entwicklung von Ökobeton - Betonrezeptur Ausgangsstoffe für eine Labormischung (40 Liter ) Sand 0/2 Kies/Splitt 2/8 Zement Kies/Splitt 8/16 (Kies 16/32) Flugasche Kalksteinmehl Fließmittel 22/46

23 Entwicklung von Ökobeton - Frischbeton Konsistenzprüfungen: - Ausbreitmaß (Bewertung der Fließfähigkeit) - rheologische Messungen mit Rheometer BT2 (Bewertung der plastischen Viskosität) 23/46

24 Ökobeton für Betonfertigteile Ausgewählte Betone aus den Laborversuchen DIN C25/30 (Referenz) Ökobeton1 Ökobeton2 Ökobeton3 C25/30 C30/37 C30/37 Vorgesehene Expositionsklasse XC4/XF1 XC1 XC1 XC4/XF1 Zement kg/m³ 275 1) 150 2) 150 2) 180 2) Steinkohlenflugasche kg/m³ Kalksteinmehl kg/m³ Sand 0-4 mm kg/m³ Splitt 4-16 mm kg/m³ FM kg/m³ 4,0 4) 4,0 5) 5,0 5) 4,0 5) Wasser inkl. FM kg/m³ w/z - 0,63 0,97 0,90 0,81 w/z äqu - 0,60 0,92 0,80 0,72 Ausbreitmaß cm Luftporengehalt 6) % 2,2 2,4 1,4 1,5 1) CEM II/A-LL 42,5R; 2) CEM I 52,5 R; 3) CEM II/B-LL 32,5 R; 4) FM 1; 5) FM 2; 6) aus Eignungsprüfung; 7) Rheinsand und Rheinkies, natürlich gerundet Zementklinkerreduzierung um % je nach Expositionsklasse 24/46

25 Ökobeton für Betonfertigteile Wasser [kg] KSM [kg] SFA [kg] Klinker [kg] Leim [l] 600 Masse akkumuliert [kg] 500 C25/30 C30/37 C35/ Volumen [l] DIN C25/30 Ökobeton1 C25/30 DIN C30/37 Ökobeton2 C30/37 Ökobeton3 C30/37 DIN C35/45 Ökobeton4 C35/45 0 Reduzierung des Wassergehaltes, Festigkeitsbeitrag des erhöhten Mehlkorns 25/46

26 Druckfestigkeit f cm,cube100 [N/mm²] Druckfestigkeitsentwicklung 80,0 70,0 60,0 5h 7d 1d 28d Laborversuche 5h Wärmebehandlung mit 50 C danach 20 C bei 65% Luftfeuchte 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 DIN C25/30 (w/z=0,60) Ökobeton1 C25/30 Betonrezeptur Ökobeton2 C30/37 Ökobeton3 C30/37 Sowohl die gewünschte Früh- als auch die 28-Tage-Druckfestigkeit wird erreicht. 26/46

27 Eignungsprüfungen: Untersuchung des Verformungsverhaltens Elastizitätsmodul: Spaltzugfestigkeit: Der statische Elastizitätsmodul der Ökobetone ist i.d.r. höher als der des DIN-Referenzbetons Die Spaltzugfestigkeit der Ökobetone liegt im Bereich der Werte der DIN-Referenzbetone 27/46

28 Schwindverkürzung [ ] Eignungsprüfungen: Untersuchung des Verformungsverhaltens Schwinden: 1,0 0,8 0,6 Model Code 2010 (C25/30) 10%-Quantil 90%-Quantil DIN C25/30 Ökobeton1 C25/30 Ökobeton2 C30/37 Ökobeton3 C30/37 DIN C16/20 Beginn der Messung nach 1 d rel. Luftfeuchte 65 % Temperatur 20 C 0,4 0,2 0, Zeit [d] Verringerte Schwinddehnungen bei zementreduzierten Betonen 28/46

29 Carbonatisierungswiderstand Carbo- 30 natisierungstiefe 25 [mm] 20 Carbonatisierungsschnelltest mit 2 % CO - Konzentration 2 und 65% Luftfeuchte Prüfalter 28 Tage, Lagerungsdauer 28 Tage Carbonatisierungstiefe Druckfestigkeit Druckfestigkeit fcm,cube [N/mm²] DIN C25/30 DIN Ökobeton1 C25/30 C25/30 (w/z=0,6) Ökobeton2 Ökobeton3 DIN C30/37 C30/37 C16/20 (w/z=0,75) Die Carbonatisierungstiefe aller Ökobetone ist deutlich geringer als die Carbonatisierungstiefe eines DIN-Referenzbetons für die Expositionsklasse XC1/XC2 (Innenbauteil) Ökobeton kann auch die Anforderungen an die Expositionsklasse XC4 erfüllen 0 29/46

30 Carbonatisierung der Ökobetone Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Carbonatisierungstiefe 30/46

31 Dauerhafttigk. Mechanische Eigenschaften Zusammenfassung Betoneigenschaften Betoneigenschaft Ökobeton1 C25/30 Ökobeton2 C30/37 Ökobeton3 C30/37 Frühfestigkeit Spaltzugfestigkeit Biegezugfestigkeit Statischer E-Modul Stahl-Beton Verbund Beton-Beton-Verbund Schwinden Kriechen Wassereindringwiderstand (WU) Carbonatisierungswiderst. XC4 - (+XC1) - (+XC1) 0 Frost-Tau-Widerstand XF /46

32 Umsetzung im Betonfertigteilwerk Genaue Wasserdosierung erforderlich Hervorragende Oberflächenqualität der Bauteile Kostenneutral gegenüber Referenzbeton 32/46

33 Bauteilversuche mit Ökobeton Untersuchung der Versagensarten - Biegezug - Querkraft mit/ohne Verbundbewehrung - Verbundfuge Mindestens gleiche Tragfähigkeit der Verbundfuge, Querkraft- und Biegetragfähigkeit verglichen mit Normbeton 33/46

34 Gesamtbelastung bezogen auf Referenzbeton gewichtet (DGNB) und normalisiert [-] Betondruckfestigkeit f cm,cube [N/mm²] und Materialkosten [ /m³] Ökobilanzierung Beton für Betonfertigteile 1,4 1,2 1,0 0,8 Öko-Bilanz des Betons Versauerungspotenzial Ozonabbaupotenzial Treibhauspotenzial Ozonbildungspotenzial Überdüngungspotenzial Verbesserung 100 der Ökobilanz um ca. 30 % am Beton möglich 80 0,6 60 0,4 40 0,2 28-Tage-Betondruckfestigkeit 20 Materialkosten 0,0 DIN C25/30 Ökobeton1 C25/30 DIN C30/37 Ökobeton2 C30/37 Ökobeton3 C30/ /46

35 Traglastversuche mit Öko-Transportbeton Öko-Transportbetone mit Zement CEM II/A-S, CEM III/B Zusammensetzung ähnlich zu Fertigteil-Ökobetonen Versuche an Balken 15 cm x 15 cm x 70 cm: Unbewehrt (Typ I) Geringer Längsbewehrungsgrad (Typ II) Hoher Längsbewehrungsgrad (Typ III) Hoher Längsbewehrungsgrad (Typ IV) mit Querkraftbewehrung 35/46

36 Traglastversuche mit Öko-Transportbeton Belastung im Dreipunkt-Biegeversuch 36/46

37 Traglastversuche mit Öko-Transportbeton Bauteiltyp I II III IV Betonmischung f cm,cube [N/mm²] Ref.XC1 31 A sl [cm²] a sw [cm²/m] Maximallast Versuch [kn] Rechnerischer Ausnutzungsgrad [%] Biegetragtragfähigkeit Querkrafttragfähigkeit 12, Ökobeton II.XC , Ökobeton III.XC , Ref.XC , Ökobeton II.XC1 35 0,5 0 27, Ökobeton III.XC , Ref.XC , Ökobeton II.XC1 35 1,51 57, Ökobeton III.XC , Ref.XC , Ökobeton II.XC1 35 3,14 20,1 135, Ökobeton III.XC , Betone Gleichwertigkeit hinsichtlich des Tragverhaltens 37/46

38 Messwert Betontemperatur in Styroporschalung [ C] Hydratationswärmeentwicklung Werk (CEM I) Werk.XC4 Ökobeton II.XC4 Ökobeton III.XC4 Werk.XC1 Ökobeton II.XC1 Ökobeton III.XC1 Betonwürfel: 15 cm Kantenlänge 10 cm Styropordämmung 30 Ökobeton (CEM II/A-S) 25 Ökobeton (CEM III/B) Zeit nach Betonage [h] Verringerte Hydratationswärmeentwicklung bei Verwendung zementreduzierter Ökobetone 38/46

39 Betonierversuch mit Öko-Transportbeton 39/46

40 Betonierversuch mit Öko-Transportbeton 40/46

41 Eignung von Ökobeton als Transportbeton 41/46

42 Treibhauspotential [kg CO 2 -äqu./m³-bauteil] Ökobilanzierung Beton - Treibhauspotential 300 Umweltwirkung Beton ab Werk Verbesserung der Ökobilanz bei CEM III um über 65 % am Beton möglich 50 0 DIN C25/30 Ökobeton1 C25/30 (CEM I) Öko-CEM I- Transportbeton C25/30 Öko-CEM III/B- Transportbeton C25/30 Transportbeton C25/30 Ökobaudat Kalksandstein (Mauerwerk) 42/46

43 Treibhauspotential [kg CO 2 -äqu./m³-bauteil] Ökobilanzierung Bauteil - Treibhauspotential Stahlbetondecke d = 20 cm, C 25/30 BSt 500 = 50 kg/m³ Betonfertigteil Detaillierte Bilanzierung Ortbeton Transport Fertigteil Wärme aus Heizöl Bewehrungsstahl Transport Ortbeton Beton Fertigteil Strom Einsparpotential bis zu 50 % am Bauteil Decke als Betonfertigteil nach Ökobaudat Ergänzte Elementdecke aus Referenzbeton mit Ortbetonergänzung (DIN, CEM I 42,5) Decke aus Transportbeton nach Ökobaudat Ergänzte Elementdecke aus Ökobeton mit Ortbetonergänzung (DIN, CEM I 42,5) Ergänzte Elementdecke aus Ökobeton mit Ökobetonergänzung (CEM I 52,5) Ergänzte Elementdecke aus Ökobeton mit Ökobetonergänzung (CEM III/B 42,5) 43/46

44 Zusammenfassung und Ausblick Nachweis der Eignung zementreduzierter Betone für die Fertigteilindustrie und als Transportbeton Ökobilanz trotz höherem Mehlkorngehalt deutlich günstiger gegenüber den üblichen Betonen Optimierungspotential insbesondere bei Betonen mit niedriger und mittlerer Festigkeit bzw. höheren w/z-werten Entwicklung von neuartigen Zementen mit günstigerer Ökobilanz auf Basis des vorgestellten betontechnologischen Ansatzes ermöglicht höhere Qualitätsstandards und einfachere Anwendung Bei Umsetzung wird die Betonbauweise noch ökologischer! 44/46

45 Focus Nachhaltigkeit am Mineralische Baustoffe Dr.-Ing. Tilo Proske tu-darmstadt.de Dipl.-Ing. Stefan Hainer tu-darmstadt.de Moien Rezvani M.Sc. tu-darmstadt.de Institut für Massivbau Prof. Dr.-Ing. C.-A. Graubner Petersenstraße 12 Nachhaltigkeitsbewertung Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Pohl Dipl.-Wirt.-Ing. Torsten Mielecke Darmstadt Tel.: pohl@massivbau. tu-darmstadt.de mielecke@massivbau. tu-darmstadt.de Fax.: graubner@massivbau. tu-darmstadt.de Energie Dipl.-Ing. Achim Knauff knauff@massivbau. tu-darmstadt.de Dipl.-Wirt.-Ing. Christian Siegel siegel@massivbau. tu-darmstadt.de 45/46

46 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 46/46