Nachhaltiger Beton - natureplus.org · /m³] 146 97 87 75 74 76 ermittelt bei 2 Vol.-% CO 2-Gehalt...

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, MPA Karlsruhe

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA

Nachhaltiger Beton –Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials

von Baustoffen

Dr.-Ing. Michael Haist

Internationale

Natureplus

Fachkonferenz

Berlin

6. Juni 2016

IMB Karlsruhe

Baustoffe und Betonbau

2 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen


Nachhaltigkeit“Entwicklung, die den Bedürfnissen der Gegen-

wart gerecht wird ohne die Entwicklungsmöglich-

keiten zukünftiger Generationen einzuschränken”

Nachhaltigkeit – Eine Einführung

Gro Harlem Bruntland, 1987

IMB Karlsruhe




Nachhaltigkeit


von Gebäuden wird i.d.R. mittels

Indexsystemen gemessen, die

zahlreiche Eigenschaften bewerten

IMB Karlsruhe




Nachhaltigkeit


von Beton auf der Materialebene?

IMB Karlsruhe





Nachhaltigkeit

Leistungsfähigkeit

Nutzungsdauer

Umwelteinwirkungen

IMB Karlsruhe




Ma

xim

iere

nM

inim

iere

n

Leistungsfähigkeit

Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch

Baustoffe mit erhöhter Tragfähigkeit

Werkstoffe mit zusätzlicher

Funktionalität

skalenübergreifende Modellierung der

Werkstoffeigenschaften

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

Umwelteinwirkung

Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer

Umwelteinwirkung

Baustoff-Nachhaltigkeit – Einflussgrößen

duration of usageNutzungsdauer

Verlängerung der Nutzungsdauer durch

erhöhte Baustoff-Dauerhaftigkeit

angemessene Lebensdauerbemessung

Bauwerksüberwachung und Instandhaltung

Steigerung der Bauwerksattraktivität

gegenüber dem Nutzer

IMB Karlsruhe




Ermittlung der Umwelteinwirkungen

Bild: Hardung

Bilanzierung der Umwelteinwirkungen

Primärenergiebedarf PE

erneuerbar [MJ]

nicht erneuerbar [MJ]

Treibhauspotenzial GWP [kg CO2]

Ozonabbaupotenzial ODP [kg R11]

Versauerungspotenzial AP [kg SO2]

Überdüngungspotenzial EP [kg PO4]

Bodenn. Ozonbildung POCP [kg C2H4]

Zuordnung zu 6 Kategorien:

Ressourcenbedarf und Verfügbarkeit

Normierte Ökobilanz von Beton

Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040

IMB Karlsruhe




Wege zum nachhaltigen Beton

1 m³Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz

Bindemittel- und

Wassergehalt bleiben

unverändert

Reduktion der

Umwelteinwirkungen aus

Einsparungen bei der

Bindemittelherstellung

I Neuartige Bindemittel

Gesteins-

körnung

Zusatzmittel

Wasser

Zusatzstoffe

Zement

1 m³

Normalbeton Ökobeton

wahrscheinlich keine

signifikanten Eingriffe in

die Beton-

zusammensetzung

erforderlich

z. B.

IMB Karlsruhe






Zusatzstoffe besitzen

geringere Reaktivität

Reduktion des

Wassergehalts bei konst.

w/z-Wert erforderlich

IIAustausch von Zement

durch Zusatzstoffe

Gesteins-

körnung

Zusatzmittel

Wasser

Zusatz-

stoffe

Zement

1 m³

wz


Optimierung der

Packungsdichte der

granularen

Betonbestandteile

erforderlich

IMB Karlsruhe






Gehalt an Zementleim

nimmt ab

Reduktion des

Wassergehalts bei konst.

w/z-Wert erforderlich

IIISteigerung des

Gesteinskorngehalts

Gesteins-

körnung

Zusatzmittel

Wasser

Zusatzstoffe

Zement

1 m³

wz


Optimierung der

Packungsdichte der

granularen

Betonbestandteile

erforderlich

IMB Karlsruhe




Entwicklung zementarmer Ökobetone

Packungsdichteoptimierung

,max ( )p p p hV V V

Vp

Vh

Vh

Vp

Vp

KIT-Virtual Concrete Mischungsberechnung

Excel basierte Software berechnet Kornzusammensetzung mit bestmöglicher

Packungsdichte bei gegebenen Ausgangsstoffen basierend auf Modellen von Andreasen,

de Larrard und Fennis sowie eigenen Arbeiten

Excel basierte Software berechnet Kornzusammensetzung mit bestmöglicher

Packungsdichte bei gegebenen Ausgangsstoffen basierend auf Modellen von Andreasen,

de Larrard und Fennis sowie eigenen Arbeiten

IMB Karlsruhe




Entwicklung zementarmer Ökobetone

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 Rµ

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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

Packungsdichteoptimierung

( )p p p hV V V

Vp

Vh

Vh

Vp

Vp

IMB Karlsruhe




Umwelteinwirkungen von Ökobeton

Zementanteil am


w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65


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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

Treibhauspotenzial [kg CO2/m³]

IMB Karlsruhe




Treibhauspotenzial [kg CO2/m³]


Zementanteil am


w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65


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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

Herausforderung:

Gewährleistung guter Verarbeitbarkeit bei minimalem Wassergehalt

abnehmender

Wassergehalt!

IMB Karlsruhe





Zementanteil am


w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65


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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

Verarbeitbarkeit

IMB Karlsruhe




Leistungsfähigkeit von Ökobeton


Umwelteinwirkung

Zementanteil am


w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65


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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

Druckfestigkeit fck,cube [MPa]

IMB Karlsruhe




Dauerhaftigkeit von Ökobeton


Umwelteinwirkung

Zementanteil am


w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65


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

fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69

GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76

ermittelt bei

2 Vol.-%

CO2-Gehalt

Beispiel: Karbonatisierung

IMB Karlsruhe






Umwelteinwirkung

Be

ton

de

cku

ng

c b

zw

.

Carb

onatisie

rungstiefe

Xc(t

)

Beton

Beweh-

rungc

CO2

CO2

Carbonatisierungstiefe

Zeit t

𝑹𝑨𝑨𝑪,𝟎−𝟏

Berechnung

Betondeckung c = const.

deterministische

Lebensdauer

deterministische

Lebensdauer

ermittelt bei

2 Vol.-%

CO2-Gehalt


xc t = 2∙ke∙kc∙ kt∙RACC,0−1 +εt ∙CS∙ t∙W(t)

IMB Karlsruhe






Umwelteinwirkung

Be

ton

de

cku

ng

c b

zw

.

Carb

onatisie

rungstiefe

Xc(t

)

Betondeckung c = const.

Versagenswahrscheinlichkeit

Zeit t

𝑹𝑨𝑨𝑪,𝟎−𝟏

Berechnung

probabilistische

Lebensdauer tsl

probabilistische

Lebensdauer tsl

ermittelt bei

2 Vol.-%

CO2-Gehalt


IMB Karlsruhe






Umwelteinwirkung

36 55 85 106gewählter Grenzzustand

𝛽 = 1,3

IMB Karlsruhe





Umwelteinwirkung

Leistungsfähigkeit

→ Druckfestigkeit

Nutzungsdauer

→ Lebensdauer tsl

Umwelteinwirkungen

→Treihauspotenzial

Nachhaltigkeitsbemessung

IMB Karlsruhe




Leistungsfähigkeit

→ Druckfestigkeit

Nutzungsdauer

→ Lebensdauer tsl

Umwelteinwirkungen

→Treihauspotenzial

Mindestfestigkeit Mindestlebensdauer

max. Umwelteinwirkung


=Druckfestigkeit 𝒇𝒄𝒌 ∙ Lebensdauer 𝒕𝒔𝒍

Treibhauspotenzial GWP

Nachhaltigkeits-

potenzial 𝜴

IMB Karlsruhe






Nachhaltigkeits-

potenzial 𝜴

Achtung:

Mindestanforderungen an

𝑓𝑐𝑘 und 𝑡𝑠𝑙 müssen erfüllt sein

Material jedoch nur dann

nachhaltig, wenn

Leistungsfähigkeit und

Lebensdauer ausgeschöpft

werden

!


IMB Karlsruhe




Zusammenfassung

Nachhaltigkeitspotenzial von Beton steigt mit

abnehmender Umwelteinwirkung

zunehmender Lebensdauer

zunehmender Leistungsfähigkeit

oder Kombinationen

dieser Ansätze

!Beton nur dann nachhaltig, wenn Nachhaltigkeitspotenzial bei Bemessung und

Konstruktion gezielt genutzt wird!

Entwicklung

zementreduzierter,

dauerhafter und ökologisch

optimierter Betone

Entwicklung von

Hochleistungsbetonen

mit maximaler

Performance

Ökobetone Hochleistungsbetone

Reduktion der

Umwelteinwirkungen bei der

Zement- und

Bindemittelherstellung

Neuartige Bindemittel

IMB Karlsruhe




Vielen Dank

für Ihre

Aufmerksamkeit

Die Autoren danken der Helmholtz

Gemeinschaft für die Förderung

der Arbeiten.

IMB Karlsruhe




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 CO2-Ausstoß:

ca. 8-9 % (2014)

Quellen:

Hauptverband Deutsche Bauindustrie (2014)

ECTP-Report (2005), ING-Report (2008)

BMBF Nano.de Report (2009)

USGS (2015)

Herausragende Rolle der Bauindustrie in Bezug

auf Volkswirtschaft, Gesellschaft und Umwelt

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