Material verbessern

In der Betonrezeptur und der -herstellung liegt viel Optimierungspotential. Über die Gesteinskörnung und den Zement sowie mit weiteren Zusatzstoffen kann Beton als Baumaterial nachhaltiger werden.

EnergieWerk Ilg GmbH

Zement

Zement ist der zentrale Bestandteil von Beton. Er nimmt Wasser auf, verbindet die Gesteinskörnung und härtet aus. Dabei verursacht Zement bis zu 90 Prozent der CO₂-Emissionen von Beton. Herkömmlicher Zement besteht zu etwa 95 Prozent aus Zementklinker, über die Verbrennung von Kalkstein erzeugt wird in und im Umwandlungsprozess (Kalzinierung) zur Ausscheidung von CO₂ führt. Zwei Drittel der CO₂-Emissionen der Zementproduktion entstehen über die Kalzinierung während das verbleibende Drittel vor allem aus dem Energieeinsatz für den Brennvorgang stammt.

Klinkerreduzierte Zemente

Klinkerreduzierte Zementalternativen sind ein zentraler Ansatz, um die CO₂-Emissionen im Betonbau zu senken. Dabei wird ein Teil des Zementklinkers durch geeignete Zumahlstoffe oder Ersatzstoffe ersetzt.

Bisher wird der Klinkeranteil vor allem durch die Verwendung von Hüttensand und Flugasche reduziert. Da die Verfügbarkeit dieser Nebenprodukte aus der Stahl- und Energieerzeugung rückläufig ist, gewinnt die Entwicklung neuer Zumahlstoffe und alternativer Bindemittel an Bedeutung. Neben der technischen Eignung ist dabei auch die lokale Verfügbarkeit zu beachten, da lange Transportwege ökologische Vorteile verringern können.

Als mögliche Klinkerersatzstoffe gelten:

natürliche Puzzolane (z. B. Vulkanasche)
künstliche Puzzolane (z. B. kalzinierte Tone)
Reststoffe aus der Landwirtschaft (z. B. Reisschalen- und Maniokasche)

CCS und CCU in der Zementherstellung

Unter Carbon Capture and Storage (CCS) und Carbon Capture and Utilization (CCU) versteht man die Abscheidung und Speicherung bzw. Weiterverwendung von anfallendem CO₂. Bis 2050 sollen 44 Prozent der CO₂-Emissionen dadurch gebunden werden. CCS/CCU gilt als wichtiger Baustein für schwer vermeidbare Prozessemissionen, sollte jedoch nicht als Ersatz für die Reduktion von Klinker und Materialeinsatz gesehen werden.

Gesteinskörnung

Die Gesteinskörnung bildet mit einem Volumenanteil von 70-80 Prozent den Hauptbestandteil von Beton. Form und Größe der Körnung, meist Kies und Sand, sind entscheidend für die Druckfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verarbeitbarkeit des Betons.

Ein ressourcenschonender Umgang mit Gesteinskörnung bedeutet daher insbesondere:

Nutzung regionaler Stoffkreisläufe
Wiederverwendung mineralischer Baustoffe
Reduktion von Primärrohstoffen.

Recyclingbeton

Bei Recyclingbeton wird ein Teil der natürlichen Gesteinskörnung durch aufbereitetes mineralisches Abbruchmaterial (Beton, Ziegel) ersetzt. Das Material wird vor Ort oder im Werk gebrochen, gewaschen und gesiebt. Dadurch werden Primärrohstoffe ersetzt, Abbruchmaterial im Kreislauf gehalten und Deponievolumen reduziert.

Recyclingbeton kann im überwiegenden Teil der Hochbauanwendungen eingesetzt werden. Praxiserfahrungen zeigen, dass Recyclingbeton auch mit reduziertem Zementgehalt und klinkerreduzierten Zementen hergestellt werden kann.

Alternative Zuschläge

Aufgrund der weltweiten Verknappung geeigneter Sand- und Kiesvorkommen werden neben Recycling- materialien auch mineralische und biogene Alternativen zur natürlichen Gesteinskörnung untersucht.

Zusätze

Betonzusätze sind meist pulverförmige oder flüssige Additive, die dem Beton während des Mischungsvorgangs beigefügt werden. Sie dienen der gezielten Veränderung der Betoneigenschaften. Während Zusatzmittel in geringen Mengen als Verflüssiger, Verzögerer oder Beschleuniger zugesetzt werden, sind Zusatzstoffe als Volumenbestandteile in der Betonrezeptur zu berücksichtigen.

Recyclierte mineralische Baustoffe

Sowohl Recyclingfeinanteile (<4 mm), die bei der Herstellung von Recyclinggesteinskörnung anfallen, als auch ziegelhaltige Recyclingbrechsanden sind für die Zementherstellung einsetzbar. Voraussetzung ist die Sortenreinheit der Abbruchmaterialien.

CO₂-Speicherung

Während der Nutzungsdauer nimmt Beton sehr langsam CO₂ aus der Luft auf. Die Rekarbonatisierung hängt unter anderem von der Zementart und der Porosität des Zementsteins ab. Rund 20 Prozent der CO₂-Prozess- emissionen aus der Herstellung können laut Studien durch natürliche Rekarbonatisierung im Beton gespeichert werden.

Wird ein Betonbauteil zurückgebaut und gebrochen, so vergrößert sich die Oberfläche stark. Dadurch kann mehr CO₂ eingelagert werden. Durch Umschichtung oder eine längere Lagerung an der Luft kann dieser Prozess verstärkt werden.

Bewehrungen

Trotz des hohen Recyclinganteils - Stahlschrott kann ohne Qualitätsverlust wiederverwendet werden – ist die Herstellung von Bewehrungsstahl energieintensiv. Neben dem statisch optimierten Einsatz von Baustahl wird daher auch an alternativen Bewehrungskonzepten geforscht.

Korrosionsschutz

Die Korrosion („Rosten“) der Stahlbewehrung ist ein häufiges und kostspieliges Schadensbild im Stahlbetonbau. Der Korrosionsschutz erfolgt, abhängig von den Expositionsklassen, über:

die Mindestbetondeckung,
die Mindestzementgehalt,
den maximal zulässigen Wasser-Zement-Wert.

Durch den Einsatz korrosionsbeständiger Bewehrung, wie etwa Edelstahl oder beschichtete Stähle, kann die Betondeckung reduziert und die Dauerhaftigkeit der Bauteile erhöht werden.

Nichtmetallische Bewehrung

Nichtmetallische Bewehrungen, beispielsweise aus Carbon-, Glas- oder Polymerfasern, können sowohl beim Neubau als auch in der Sanierung bestehender Bauteile verwendet werden. Gegenüber herkömmlicher Stahlbewehrung sind die nichtmetallischen Stäbe oder Gittermatten nicht korrosionsanfällig, deutlich leichter und zugfester.

Wasser

Wasser macht zwar mengenmäßig nur einen geringen Anteil des Betons aus, spielt aber eine zentrale Rolle. Es ermöglicht die Verarbeitung und Aushärtung des zuvor pulverförmigen Zements. Das Verhältnis von Wasser und Zement (w/z-Wert) beeinflusst maßgeblich die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit. Eine optimierte Mischungszusammensetzung kann Wasser und Zement einsparen und damit die Umweltbilanz von Beton verbessern.

Mehr zur Optimierung von Beton als Baumaterial kann in der Broschüre Beton 2.0 nachgelesen werden.