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 www.kit.edu
Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit Entwicklung, die den Bedürfnissen der Gegenwart gerecht wird ohne die Entwicklungsmöglichkeiten zukünftiger Generationen einzuschränken Gro Harlem Bruntland, 1987 2 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit von Gebäuden wird i.d.r. mittels Indexsystemen gemessen, die zahlreiche Eigenschaften bewerten 3 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit von Beton auf der Materialebene? 4 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Nachhaltigkeit Eine Einführung Nachhaltigkeit Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkungen 5 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 6 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Ermittlung der Umwelteinwirkungen Bilanzierung der Umwelteinwirkungen Normierte Ökobilanz von Beton Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040 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 7 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 8 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 9 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 10 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 11 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Entwicklung zementarmer Ökobetone Packungsdichteoptimierung Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 12 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Umwelteinwirkungen von Ökobeton Treibhauspotenzial [kg CO 2 /m³] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 13 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Umwelteinwirkungen von Ökobeton Treibhauspotenzial [kg CO 2 /m³] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 Herausforderung: Gewährleistung guter Verarbeitbarkeit bei minimalem Wassergehalt 14 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Umwelteinwirkungen von Ökobeton Verarbeitbarkeit Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 15 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Leistungsfähigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Druckfestigkeit f ck,cube [MPa] Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 16 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Beispiel: Karbonatisierung Zementanteil am Feststoff [Vol.-%] 10 6 5 4 4 4 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] 268 162 138 113 111 109 Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87 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] 95 50 62 69 71 69 GWP [kg CO 2 /m³] 146 97 87 75 74 76 17 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 18 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 19 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dauerhaftigkeit von Ökobeton Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung β = 1,3 gewählter Grenzzustand 36 55 85 106 20 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeit ~ Leistungsfähigkeit Nutzungsdauer Umwelteinwirkung Leistungsfähigkeit Druckfestigkeit Nutzungsdauer Lebensdauer t sl Umwelteinwirkungen Treihauspotenzial 21 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Nachhaltigkeitsbemessung Nachhaltigkeitspotenzial Ω = Druckfestigkeit f ck Lebensdauer t sl Treibhauspotenzial GWP Leistungsfähigkeit Druckfestigkeit Nutzungsdauer Lebensdauer t sl Umwelteinwirkungen Treihauspotenzial max. Umwelteinwirkung Mindestfestigkeit Mindestlebensdauer 22 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 23 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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 24 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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! 25 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Die Autoren danken der Helmholtz Gemeinschaft für die Förderung der Arbeiten. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 26 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
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) 27 06.06.2016 Nachhaltiger Beton Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen