Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

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1 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, MPA Karlsruhe Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA Internationale Natureplus Fachkonferenz Berlin 6. Juni 2016 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit Entwicklung, die den Bedürfnissen der Gegenwart gerecht wird ohne die Entwicklungsmöglichkeiten zukünftiger Generationen einzuschränken Gro Harlem Bruntland, Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

3 Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit von Gebäuden wird i.d.r. mittels Indexsystemen gemessen, die zahlreiche Eigenschaften bewerten Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

4 Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit von Beton auf der Materialebene? Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

5 Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkungen Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

6 Minimieren Maximieren Baustoff-Nachhaltigkeit Einflussgrößen Leistungsfähigkeit Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch Baustoffe mit erhöhter Tragfähigkeit Werkstoffe mit zusätzlicher Funktionalität skalenübergreifende Modellierung der Werkstoffeigenschaften duration Nutzungsdauer of usage Verlängerung der Nutzungsdauer durch erhöhte Baustoff-Dauerhaftigkeit angemessene Lebensdauerbemessung Bauwerksüberwachung und Instandhaltung Steigerung der Bauwerksattraktivität gegenüber dem Nutzer Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Umwelteinwirkung Verwendung von Baustoffen mit reduzierter Umwelteinwirkung, z. B. Kompositzemente Entwicklung von Betonrezepturen mit reduziertem Bindemittel- bzw. Klinkergehalt bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit Entwicklung umweltfreundlicher Produktionstechniken und Bauverfahren, die eine maximale Ausnutzung der Werkstoffleistungsfähigkeit gestatten Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

7 Ermittlung der Umwelteinwirkungen Bilanzierung der Umwelteinwirkungen Normierte Ökobilanz von Beton Ökobilanz nach DIN EN ISO Zuordnung zu 6 Kategorien: Primärenergiebedarf PE erneuerbar [MJ] nicht erneuerbar [MJ] Treibhauspotenzial GWP [kg CO 2 ] Ozonabbaupotenzial ODP [kg R11] Versauerungspotenzial AP [kg SO 2 ] Überdüngungspotenzial EP [kg PO 4 ] Bodenn. Ozonbildung POCP [kg C 2 H 4 ] Bild: Hardung Ressourcenbedarf und Verfügbarkeit Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

8 Wege zum nachhaltigen Beton 1 m³ Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz I Neuartige Bindemittel Bindemittel- und Wassergehalt bleiben unverändert Normalbeton Zusatzmittel Wasser Zement Ökobeton z. B. Reduktion der Umwelteinwirkungen aus Einsparungen bei der Bindemittelherstellung Zusatzstoffe wahrscheinlich keine signifikanten Eingriffe in die Betonzusammensetzung erforderlich Gesteinskörnung 1 m³ Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

9 Wege zum nachhaltigen Beton 1 m³ Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz II Austausch von Zement durch Zusatzstoffe Zusatzstoffe besitzen geringere Reaktivität Reduktion des Wassergehalts bei konst. w/z-wert erforderlich w z Zusatzmittel Wasser Zement Zusatzstoffe Normalbeton Ökobeton Optimierung der Packungsdichte der granularen Betonbestandteile erforderlich Gesteinskörnung 1 m³ Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

10 Wege zum nachhaltigen Beton 1 m³ Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz III Steigerung des Gesteinskorngehalts Gehalt an Zementleim nimmt ab Reduktion des Wassergehalts bei konst. w/z-wert erforderlich w z Zusatzmittel Wasser Zement Zusatzstoffe Normalbeton Ökobeton Optimierung der Packungsdichte der granularen Betonbestandteile erforderlich Gesteinskörnung 1 m³ Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

11 Entwicklung zementarmer Ökobetone Packungsdichteoptimierung KIT-Virtual Concrete Mischungsberechnung V h V h V p V p V p p,max Vp ( Vp Vh ) Excel basierte Software berechnet Kornzusammensetzung mit bestmöglicher Packungsdichte bei gegebenen Ausgangsstoffen basierend auf Modellen von Andreasen, de Larrard und Fennis sowie eigenen Arbeiten Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

12 Entwicklung zementarmer Ökobetone Packungsdichteoptimierung Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] V h V h V p w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 V p V p V ( V V ) p p p h Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

13 Umwelteinwirkungen von Ökobeton Treibhauspotenzial [kg CO 2 /m³] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

14 Umwelteinwirkungen von Ökobeton Treibhauspotenzial [kg CO 2 /m³] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM abnehmender Wassergehalt! Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Herausforderung: Gewährleistung guter Verarbeitbarkeit bei minimalem Wassergehalt Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

15 Umwelteinwirkungen von Ökobeton Verarbeitbarkeit Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

16 Leistungsfähigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Druckfestigkeit f ck,cube [MPa] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

17 Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Beispiel: Karbonatisierung Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] w/z-wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65 Zementart [-] CEM I 52,5 R µ CEM SF- CEM Zement [kg/m³] Wasser [kg/m³] Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2 Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5 ermittelt bei 2 Vol.-% CO 2 -Gehalt f ck,cube [MPa] GWP [kg CO 2 /m³] Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

18 Betondeckung c bzw. Carbonatisierungstiefe X c (t) Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Beispiel: Karbonatisierung Betondeckung c = const. Carbonatisierungstiefe xc t = 2 ke kc kt R 1 ACC,0 +εt C S t W(t) CO 2 Beton Berechnung ermittelt bei 2 Vol.-% CO 2 -Gehalt 1 R AAC,0 CO 2 c deterministische Lebensdauer Bewehrung Zeit t Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

19 Betondeckung c bzw. Carbonatisierungstiefe X c (t) Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Beispiel: Karbonatisierung Betondeckung c = const. Versagenswahrscheinlichkeit Berechnung ermittelt bei 2 Vol.-% CO 2 -Gehalt 1 R AAC,0 probabilistische Lebensdauer t sl Zeit t Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

20 Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung β = 1,3 gewählter Grenzzustand Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

21 Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Leistungsfähigkeit Druckfestigkeit Nutzungsdauer Lebensdauer t sl Umwelteinwirkungen Treihauspotenzial Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

22 Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeitspotenzial Ω = Druckfestigkeit f ck Lebensdauer t sl Treibhauspotenzial GWP Leistungsfähigkeit Druckfestigkeit Nutzungsdauer Lebensdauer t sl Umwelteinwirkungen Treihauspotenzial max. Umwelteinwirkung Mindestfestigkeit Mindestlebensdauer Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

23 Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeitspotenzial Ω = Druckfestigkeit f ck Lebensdauer t sl Treibhauspotenzial GWP Achtung: Mindestanforderungen an f ck und t sl müssen erfüllt sein! Material jedoch nur dann nachhaltig, wenn Leistungsfähigkeit und Lebensdauer ausgeschöpft werden Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

24 Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeitspotenzial Ω = Druckfestigkeit f ck Lebensdauer t sl Treibhauspotenzial GWP Achtung: Mindestanforderungen an f ck und t sl müssen erfüllt sein! Material jedoch nur dann nachhaltig, wenn Leistungsfähigkeit und Lebensdauer ausgeschöpft werden Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

25 Zusammenfassung Nachhaltigkeitspotenzial von Beton steigt mit abnehmender Umwelteinwirkung zunehmender Lebensdauer zunehmender Leistungsfähigkeit oder Kombinationen dieser Ansätze Neuartige Bindemittel Reduktion der Umwelteinwirkungen bei der Zement- und Bindemittelherstellung Ökobetone Entwicklung zementreduzierter, dauerhafter und ökologisch optimierter Betone Hochleistungsbetone Entwicklung von Hochleistungsbetonen mit maximaler Performance! Beton nur dann nachhaltig, wenn Nachhaltigkeitspotenzial bei Bemessung und Konstruktion gezielt genutzt wird! Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

26 Die Autoren danken der Helmholtz Gemeinschaft für die Förderung der Arbeiten. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen

27 Herausforderungen Zahlen und Fakten Gesamtmarkt Bauindustrie Deutschland: 279 Mrd. (2013) 45 % Ingenieur- und Industriebau 55 % Wohnungsbau ca. 60 % aller Investitionen in Bestandserhaltung und Instandsetzung Anteil der Bauwirtschaft am BIP: ca. 10 % (2013) Anteil der Bauwirtschaft am Ressourcenverbrauch: ca. 40 % Betonproduktion (Welt, 2015): ca. 6 Mrd. m³ (ca. 14 Mrd. t) Anteil der Zementproduktion am CO 2 -Ausstoß: ca. 8-9 % (2014) Herausragende Rolle der Bauindustrie in Bezug auf Volkswirtschaft, Gesellschaft und Umwelt Quellen: Hauptverband Deutsche Bauindustrie (2014) ECTP-Report (2005), ING-Report (2008) BMBF Nano.de Report (2009) USGS (2015) Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen