Umwelt- und performanceorientierte Betonentwicklung

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1 Umwelt- und performanceorientierte Betonentwicklung TU Darmstadt, Institut für Massivbau, Prof. Dr.-Ing. C.-A. Graubner, M. Rezvani MSc., Dipl.-Ing. S. Hainer

2 Gliederung 1. Einführung und Problemstellung 2. Ansätze zur Reduzierung der Umweltwirkungen von Beton 3. Betontechnologisches Prinzip für Ökobetone 4. Entwicklung sehr kalksteinreicher Zemente 5. Entwicklung zementreduzierter Ökobetone 6. Zusammenfassung 2

3 1. Einführung Baustoff Beton Ausgangsstoffe: Zement (Bindemittel) Wasser Gesteinskörnungen Entwurfsziele: - Mechanische/bauphysikalische Eigenschaften - Herstellverfahren, Optik - Kosten Zusatzstoffe Fasern Zusatzmittel Ultra-hochfester Beton Textilbeton Walzbeton Säurebeständiger Beton Schwerbeton Schleuderbeton Waschbeton Dränbeton Unterwasserbeton Magerbeton Leichtbeton Faserbeton Selbstverdichtender Beton Hochfester Beton WU - Beton Normalbeton 3

4 Entfernung Erde-Mond = km Beton - Der Massenbaustoff unserer Zeit Zementproduktion (2011) weltweit: ca. 3,6 Milliarden Tonnen / Jahr Annahme: für 1m³ Mörtel und Beton 300 kg Zement = 12 Milliarden m³ Beton Entspricht einer Säule (1 m x 1 m) mit einer Länge von km 30 Säulen Erde Mond 4

5 Pantheon, 125 n.c. Staatstheater Darmstadt Die Betonbauweise ist nachhaltig Wirtschaftlich durch lokal verfügbare Ausgangsstoffe, einfache Herstellung und freie Formgebung Dauerhaft bei Beachtung der Regeln zum Betonentwurf und zur Ausführung Vergleichsweise ökologischer Baustoff durch Verwendung natürlicher Materialien (Gesteinskörnungen + Wasser ca. 90 Vol.-% von Beton) 5

6 Ökologische Fragestellungen Negative Auswirkungen auf die Umwelt: - Verbrauch großer Mengen an Material und große Abfallmengen (Bauschutt) - Hoher Energieverbrauch bei der Zementherstellung und damit verbundene Umweltwirkungen - Hohe Emissionen von Treibhausgasen bei der Zementherstellung (5% global) 6

7 Grund für hohe CO 2 -Emission Anteile am Treibhauspotential des Betons - Beispielrezeptur C25/30 Anteile am Treibhauspotential von Beton (C25/30) Fließmittel 1% Steinkohlenflugasche 0% Sand 0-2 mm 1% Kies 2-8 mm 2% Splitt 8-16 mm 1% Treibhauspotential je m³ Beton [CO 2 -äqu] ca. 250 kg entspricht ca km mit PKW Wasser 0% Portlandzementklinker CEM I 42,5 95% Zirka 95% des Treibhauspotentials und zirka 85% des Primärenergieverbrauchs resultieren aus dem Zement bzw. der Zementklinkerherstellung 7

8 2. Ansätze zur Reduzierung der Umweltwirkungen - bei Portlandzementklinker-basierten Betonen Geringerer Klinkergehalt im Beton günstigere Umweltwirkung 1. Möglichkeit: Reduzierung des Klinkeranteils im Zement (Zementwerk) 2. Möglichkeit: Verringerung des Zementgehaltes im Beton (Betonwerk)! Beachtung normativer Mindestzementgehalte nach EN Quelle: DBU Quelle: bauimbild.de 8

9 Mögliche Materialien für die Klinkersubstitution Substitutionsstoff Herkunft Aufbereitung Wirkung Verfügbarkeit Hüttensand Flugasche Puzzolane Gebrannter Schiefer Abfallprodukt Stahlherstellung Abfallprodukt Kohlekraftwerke Natürlich (Vulkangestein) Natürlich (Ölschiefer) + Brennen Mahlung (+Sichtung) Mahlung (+Sichtung) Abbau, Mahlung (ggf. therm. behandelt) Abbau, therm. Behandlung, Mahlung Latent hydraulisch Puzzolanisch Puzzolanisch Hydraulisch und puzzolanisch Kalkstein(mehl) Natürlich Abbau, Mahlung Inerter Füller Gut Abhängig von Stahlindustrie Saisonal, Abhängig vom Energieversorger Lokal Lokal Quelle: VDZ Verfügbares Material wird bereits vollständig genutzt 9

10 Aktuelle Entwicklungen: Zementarten nach EN Hauptbestandteile Klinker Hüttensand Flugasche Puzzolan gebr. Schiefer Kalkstein CEM I CEM II/A CEM II/B CEM II/C CEM III/A CEM III/B CEM IV/B CEM V/A CEM V/B CEM VI Weiß - i. d. R. zugelassene Zemente nach EN NA Gelb - nur eingeschränkt anwendbar nach EN NA Orange - erst in zukünftiger EN vorgesehen 10

11 Treibhauspotential nach Zementart Abnehmender Klinkergehalt im Zement 11

12 Alternative Ansätze zur Verringerung der Umweltwirkungen (Neuartige) Zemente ohne Zementklinker: - Sulfathüttensandzemente (Slagstar) - Geopolymerzemente - Celitement (Autoclave) Ausgangsstoffe sind nur begrenzt verfügbar bzw. Lösungsansätze und Technologie sind nicht ausgereift Neuartige Zuschläge (GK): - Beton aus rezyklierten Gesteinskörnungen - Recyclinggranulat - Holzbeton Keine signifikante CO 2 -Reduktion Quelle: Prof. Garrecht Keine Klinkerreduzierung möglich (geringer Einfluss auf GWP) Aktuell gibt es keine sinnvolle Alternative zu Portlandzementklinker! Weitere Minimierung des Anteils an Klinker bzw. der reaktiven Bestandteile im Beton (Effizienzsteigerung) 12

13 Problemstellung bei deutlich klinkerreduzierten Zementen und Betonen Problemstellung: Die gewünschten Eigenschaften von Beton mit geringerem Anteil an reaktivem Portlandzementklinker bzw. anderen reaktiven Stoffen ist mittels üblicher Betontechnologie nicht mehr erreichbar. Verarbeitbarkeit Mechanische Eigenschaften (Druckfestigkeit...) Dauerhaftigkeit (Karbonatisierung, Frost, Chloride, Sulfat ) Anpassung der Betontechnologie, z. B. bei großen Mengen Kalkstein 13

14 3. Betontechnologisches Prinzip für Ökobetone - Klinker- und Wasserreduktion Ziel: geringer Klinkergehalt, gleichwertige Performance Wasser Zementklinker + Mahlfeinheit + Fließmittel (Dispersion, Packungsdichte) + Optimierung der Packungsdichte aller Feststoffe - Wasser - Zementklinker Gesteinskörnung Zementleim (Festigkeit, Verarbeitbarkeit) + Betonzusatzstoffe/ Hauptbestandteile (inert, reaktiv) vorzugsweise Kalksteinmehl 14

15 Betontechnologisches Prinzip für Ökobetone - Klinker- und Wasserreduktion Festigkeit, Dauerhaftigkeit Klinkergehalt Umweltwirkung 100% 0% Referenzbeton mit Portlandzementklinker Reduzierung Wassergehalt Substitution durch Betonzusatzstoffe/ Hauptbestandteile Reduzierung Zementklinker Substitution durch Betonzusatzstoffe/ Hauptbestandteile 15

16 Auswirkungen auf den Stoffraum 30% (Leim) Konventioneller Beton (C20/25) Luft Fließmittel Wasser Zement bzw. Zementklinker Ökologisch optimierter Beton (C20/25) Mehlkorn 70% (Vol.) Gesteinskörnungen (inklusive Sand) Betonzusatzstoff/ weiterer Zement - hauptbestandteil (inert/reaktiv) 16

17 Entwicklung von Ökobeton bzw. Ökozement für die Baupraxis Mindestens gleichwertige bemessungsrelevante Festbetoneigenschaften Ausreichende Verarbeitbarkeitseigenschaften Verwendung in ausreichender Menge verfügbarer Ausgangsstoffe Nutzung vorhandener Anlagentechnik zur Zement- und Betonherstellung ohne großen Investitionsbedarf Kostenneutralität 17

18 Forschungsprojekte an der TU Darmstadt Klinkerreduzierte Zemente für die Zementindustrie Ökobetone für die Fertigteilindustrie Ökobetone für die Transportbetonindustrie Gefördert durch: 18

19 4. Entwicklung sehr kalksteinhaltiger Zemente Ziel: Entwicklung von Zementen mit geringen Klinker- und sehr hohen Kalksteingehalten (> 35%) Lösungsansatz: Sicherstellung von Festigkeit und Dauerhaftigkeit durch: Optimierung des Zementes (Auswahl geeigneter Ausgangsstoffe und chemisch/mineralogische sowie granulometrische Optimierung) Anpassung der Betontechnologie (w/z-wert, Leimgehalt, Fließmittel) 19

20 Charakterisierung des gemahlenen Kalksteins Eigenschaften des gemahlenen Kalksteins Kalkstein LL 1 Kalkstein LL 2 Kalkstein LL 3-1 Kalkstein LL 3-2 Kalkstein LL 3-3 CaCO 3 - Gehalt in % TOC in % 0,02 0,05 0,10 0,10 0,10 Methylenblauwert in g/100g 0,03 0,50 0,60 0,40 0,30 Blaine Feinheit in cm²/g 4200 (fein) 4200 (fein) 8000 (sehr fein) 5000 (fein) 2700 (grob) RRSB Steigungsmaß n 0,8 0,9 0,7 0,7 0,6 RRSB Lageparameter d in µm

21 Prüfungen am Beton mit Werkszementen Verwendete Zemente: Zemente mit unterschiedlichen Kalksteinanteilen und qualitäten, und fein aufgemahlener Klinkerkomponente 35 M.-%, 50 M.-% und 65 M.-% Kalkstein LL 1 50 M.-% LL 3-1 bis -3 Referenzzemente CEM I 42,5 N, CEM II/A-LL 32,5 R, CEM II/B-LL 32,5 R Untersuchte Betone: Betontypen Beton B1 Beton B3 Beton B4 Beton B5 Wasserzementwert 0,60 0,50 0,45 0,35 Zementgehalt in kg/m³ Wassergehalt in l/m³ Leimgehalt (Wasser, MK <125µm) l/m³ 290 ± 5 Einstellung der Konsistenz F5 durch Fließmittelzugabe 21

22 Prüfungen am Beton mit Werkszementen Materialuntersuchungen (VDZ und TU Darmstadt) Untersuchungen am Frischbeton Rheologische Untersuchungen (Ausbreitmaß, Rheometer BT2) Luftgehalt Mechanische Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit (2d, 7d, 28d, 91d) Zugfestigkeit (Spalt- und Biegezugfestigkeit) Statischer E-Modul, Arbeitslinie Schwinden, Kriechen Dauerhaftigkeit Frost-Widerstand Karbonatisierung Chlorideindringwiderstand 22

23 CEM I 42,5 N CEM II/A-LL 32,5 R CEM II/B-LL 32,5 R CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-3) CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-3) CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-3) Betondruckfestigkeit in MPa Betondruckfestigkeit Tage-Druckfestigkeit am Würfel 150 mm, 7 Tage Wasserlagerung?? Gleiche Festigkeiten wie Referenz (w/z = 0,5) mit 50% LL bei w/z ca. 0,40 Geringere Druckfestigkeit bei Verwendung von LL 3-3 auf Grund von Luftporenbildung (bis Vol.-6%) 0 7d 28d B3, w/z = 0,50 B4, w/z = 0,45 B5, w/z = 0,35 23

24 Frostwiderstand (CIF-Test) Vergleichbarer Frost-Widerstand für Zemente mit 50% LL 1 bei w/z = 0,45 24

25 CEM I 42,5 N CEM II/A-LL 32,5 R CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-2) CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-3) CEM (50% LL1) CEM (50% LL3-1) CEM (50% LL3-3) Chloridmigrationskoeffizient in m²/s Chlorideindringwiderstand (Bewehrungskorrosion) Vergleichbarer Chloridwiderstand für Zemente mit 50% LL bei w/z = 0,35 Geringerer Chloridwiderstand bei Verwendung von LL 3-3 auf Grund von Luftporenbildung 0 35d 98 d B3, w/z = 0,50 B4, w/z = 0,45 B5, w/z = 0,35 Quelle: Fa. PELCON 25

26 w/z = 0,30 Wasserzementwert w/z = 0,35 w/z = 0,50 Karbonatisierung (Bewehrungskorrosion) 133 Tage Auslagerung im Klimaraum 20 C, 65% rel. LF, 7d Nachbehandlung, Mörtelprismen 40/40/160 mm Bestimmung der Karbonatisierungstiefe mit Indikator (Phenolphthalein) CEM I 52,5 R CEM II/A-LL 32,5 R CEM (30% LL1) Zement CEM (50% LL1) CEM (60% LL1) CEM (70% LL1) ph < 9 äquivalente Karbonatisiertungstiefen 26

27 Schwindverformungen Einfluss des Kalksteintyps Schwinden bei Zementen mit LL 1 (98% CaCO 3 ) vergleichbar mit Referenzbetonen Bei LL-3 (75% CaCO 3 ) signifikant größeres Schwinden Beginn der Messung nach 7 Tagen Wasserlagerung 20 C, rel. RH = 65 % 27

28 Ökobilanz für Beton gleicher Performance Ökobilanz für Betone mit einer Druckfestigkeit von mind. 50 MPa und vergleichbarer Dauerhaftigkeit in Laborprüfungen GWP und Gesamtenergiebedarf: - 25% -18% 28

29 Forschungsprojekte an der TU Darmstadt Klinkerreduzierte Zemente für die Zementindustrie Ökobetone für die Fertigteilindustrie Ökobetone für die Transportbetonindustrie Gefördert durch: 29

30 5. Entwicklung zementreduzierter Ökobetone Zementreduzierte Betone für Stahlbetonfertigteile: DIN C25/30 (Referenz) Ökobeton C25/30 Ökobeton C30/37 Vorgesehene Expositionsklasse XC4/XF1 XC1 XC4/XF1 Zement kg/m³ 275 1) 150 2) 180 2) Steinkohlenflugasche kg/m³ Kalksteinmehl kg/m³ Sand 0-4 mm kg/m³ Splitt 4-16 mm kg/m³ Fließmittel kg/m³ 4,0 3) 4,0 4) 4,0 4) Gesamtwasser kg/m³ w/z äqu - 0,60 0,92 0,72 Ausbreitmaß cm ) CEM II/A-LL 42,5R; 2) CEM I 52,5 R; 3) FM 1; 4) FM 2 Zementklinkerreduzierung um % je nach Expositionsklasse 30

31 Dauerhafttigk. Mechanische Eigenschaften Zusammenfassung Betoneigenschaften Betoneigenschaft (0 neutral, + günstiger) Ökobeton C25/30 Ökobeton C30/37 Frühfestigkeit + 0 Spaltzugfestigkeit 0 0 Biegezugfestigkeit 0 0 Statischer E-Modul 0 + Stahl-Beton Verbund 0 + Beton-Beton-Verbund 0 0 Schwinden + + Kriechen 0 0 Wassereindringwiderstand (WU) 0 Karbonatisierungswiderstand + (XC1) 0 (XC4) Frost-Tau-Widerstand XF1 0 31

32 Umsetzung im Betonfertigteilwerk Genaue Wasserdosierung erforderlich (Eigenfeuchte der GK)! Hervorragende Oberflächenqualität der Bauteile 32

33 Umsetzung als Öko-Transportbeton Längere Verarbeitbarkeitsdauer erfordert abgestimmte Fließmittel Verwendung von hüttensandhaltigen Zementen (CEM III) möglich, hoher Widerstand gegenüber Sulfatangriff (Forschung mit TU Graz) 33

34 Versuchswände aus klinkerreduziertem Ökobeton Geringere Hydratationswärmeentwicklung Hervorragende Oberflächenqualität der Bauteile 34

35 Treibhauspotential [kg CO 2 -äqu./m³ Beton] Nachhaltigkeit des Betons Umweltwirkung Beton ab Werk inkl. Transporte der Ausgangsstoffe Reduzierung des GWP von über 25% bei CEM I und über 65% bei CEM III 150 Kostenneutralität möglich DIN-CEM II/A-LL C25/30 Öko-CEM I- für Fertigteile C25/30 Öko-CEM I- Transportbeton C25/30 Öko-CEM III/B- Transportbeton C25/30 Transportbeton C25/30 Ökobaudat Kalksandstein (Mauerwerk) 35

36 Normative Randbedingen bei der praktischen Umsetzung Bei Abweichung von Grenzwerten zur Betonzusammensetzung nach EN Nationale Regelungen (NA): Bauaufsichtliche Zulassung ist erforderlich. Derzeitige normative Entwicklungen: In Entwurf EN 206:2013: und Leistungsbezogene Entwurfsverfahren Verweis auf Basisdokument CEN/TR zur Umsetzung des Verfahrens zur Feststellung der äquivalenten Dauerhaftigkeit in nationale Regelungen Zukünftige normative Entwicklungen: Grenzwerte zur Betonzusammensetzung (w/z-wert) in Abhängigkeit der Zementart 36

37 Bewertungssysteme zur Nachhaltigkeit (DGNB/BNB) - Beton hat auf das Ergebnis der Nachhaltigkeitsbewertung von Bauwerken großen Einfluss Verbesserung des Bewertungsergebnisses durch klinkerreduzierte Betone möglich Beispielobjekt TU Darmstadt 37

38 6. Zusammenfassung Entwicklung von neuartigen Zementen mit geringem Klinkergehalt auf Basis des vorgestellten betontechnologischen Ansatzes Eignung zementreduzierter Betone für die Fertigteilindustrie und als Transportbeton Treibhauspotential und Energiebedarf deutlich geringer gegenüber konventionellen Betonen bei annähernd gleichen Materialkosten Großes Potential insbesondere bei Betonen mit niedriger und mittlerer Festigkeit bzw. höheren w/z-werten Bei Umsetzung wird die Betonbauweise noch nachhaltiger! 38

39 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

40 Forschungsgebiet Nachhaltigkeit am Mineralische Baustoffe Dr.-Ing. Tilo Proske Dipl.-Ing. Stefan Hainer Moien Rezvani M.Sc. Institut für Massivbau Prof. Dr.-Ing. C.-A. Graubner Tel.: Fax.: Nachhaltigkeitsbewertung Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Pohl Dipl.-Ing. Peter Ramge Energie Dipl.-Wirt.-Ing. Christian Siegel Dipl.-Wirt.-Ing. Claudia Weißmann 40