CO₂-reduzierter Beton und Recycling-Gesteinskörnungen im Einsatz

Anders als die Stahlindustrie, die durch Umstellung auf einen wasserstoffbasierten Herstellungsprozess klimaneutral produzieren kann, muss also bei der Zementindustrie für die stoffliche Zusammensetzung der Betonbestandteile eine Lösung gefunden werden.

So begann unser Innovations-Team in den letzten Jahren systematisch, umwelt- und ressourcenschonende Bauweisen zu erproben, insbesondere durch den Holzhybridbau sowie dem Einsatz von CO₂-reduzierten Zementen und Recycling-Gesteinskörnungen können wir Gebäude nachhaltiger erstellen und sanieren. 

Warum lohnt sich der Einsatz von CO₂-reduziertem Beton? 

Deutschland möchte bis 2045 klimaneutral und ab 2045 klimapositiv sein. Wir müssen also mehr CO₂ langfristig binden als das, was wir emittieren. Da ist die logische Konsequenz, dass man CO₂-Emissionen am besten grundsätzlich vermeidet.  

Beim Blick auf die Entwicklung im Bausektor zeigt sich, dass der Energiebedarf von Gebäuden in Abhängigkeit des Baualters und den damit verbundenen Förderungen und Forderungen kontinuierlich reduziert wurde. Auch im neuen Gebäudeenergiegesetz (GEG), das seit 01.01.2023 seine Gültigkeit hat, wurde der Primärenergiebedarf eines Neubaus auf 55% gegenüber dem Primärenergiebedarf des Referenzgebäudes reduziert. Folglich muss der Anteil erneuerbarer Energien im Gebäudebetrieb erhöht werden. Betrachtet man diese Entwicklung in Verbindung mit den grauen Emissionen, die durch die Konstruktion des Gebäudes entstehen, nimmt der relevante Anteil der CO₂-Emissionen durch die Konstruktion deutlich zu. Diese Erkenntnis mündete bereits in einer politischen Regulatorik. So ist seit dem 01.03.23 eine Förderung für einen klimafreundlichen Neubau nur noch in Verbindung mit einer Gebäude-Ökobilanz (LCA) möglich, welche die Emissionen in einem Lebenszyklusverfahren bilanziert. Demzufolge ist das Ziel nicht „nur“ ein Nullenergie-Haus, sondern ein klimapositives Gebäude ohne CO₂-Emissionen zu bauen.  

Wenn wir nur die grauen Emissionen betrachten und nicht den Ressourceneinsatz, dann ist die Antwort einfach. Das Baumaterial Beton besteht aus den drei Hauptbestandteilen Zement, Wasser und Gesteinskörnung (Sand und Kies). Je nach Anwendungszweck können dem Beton noch Zuschlagsstoffe, Fasern oder chemische Zusätze hinzugefügt werden, um eine spezifische Eigenschaft zu erzielen. Zwar ist der Massenanteil von Kies und Sand im Beton mit rund 70% am höchsten (Abbildung 4), jedoch beträgt dessen CO₂-Emissionen lediglich ca. 1% (Abbildung 5) der Gesamtemissionen des bewehrten Betons (Stahlbeton). Betrachtet man allerdings den Zement mit einem Massenanteil von 12%, so beträgt der Anteil der Treibhausgasemissionen von bewehrtem Beton 75%. So wird deutlich: Wenn man CO₂-Emissionen einsparen möchte, sollte der Fokus auf der Zementzusammensetzung liegen.

Da man die CO₂-Reduzierung durch die Substitution des Klinkeranteils und durch die Beimischung von Zusatzstoffen erreicht, muss man sich mit dem chemischen-physikalischen Prozess auseinandersetzen. 

Die Festigkeitsentwicklung von Beton entsteht durch die Hydratation von Zement, die eine chemische Reaktion zwischen Zement und Wasser beschreibt, bei der Calciumsilikathydrat (C-S-H), Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) und andere Nebenprodukte gebildet werden (Abbildung 8). Die Reaktion beginnt, sobald das Wasser dem Zementpulver zugegeben wird. Zunächst lösen sich die Calcium- und Silikat-Ionen aus dem Zement in der wässrigen Lösung und bilden Calciumhydroxid-Ionen und Silikat-Ionen. Diese Ionen reagieren miteinander und bilden eine C-S-H-Phase, die das Gesteinskorn umhüllt und damit eine starke Verbindung zwischen den Körnern herstellt. Während dieser Reaktion wird Energie freigesetzt, die als Hydratationswärme bezeichnet wird. Diese entsteht durch die exotherme Reaktion, bei der große Mengen an Energie freigesetzt werden. Die Hydratationswärme ist eine natürliche Folge des Abbindevorgangs und kann bei der Herstellung von Beton eine wichtige Rolle spielen, da sie dazu beitragen kann, den Beton schneller aushärten zu lassen. Allerdings kann die Hydratationswärme auch negative Auswirkungen haben, wenn sie nicht kontrolliert wird. Entsteht zu viel Wärme auf einmal, kann dies zu Rissen im Beton führen und die Festigkeit des Betons beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Hydratationswärme zu überwachen. 

Bei der Herstellung von CO₂-reduzierten Betonen durch die Substitution des Klinkers durch Hüttensand und Flugasche wird der Abbindeprozess verändert: Zwar entsteht auch hier durch die Hydratation eine chemische Reaktion, die dazu führt, dass die Partikel eine Matrix bilden, die den Beton zusammenhält. Jedoch entsteht bei dieser Reaktion eine wesentlich geringere Hydratationswärme, so dass der Beton längere Zeit benötigt, um die gewünschte Druckfestigkeit zu erreichen (Abbildung 7).  

Die Verarbeitung von Beton ist generell abhängig von der Außenluft und Temperatur. Bei CO₂-reduziertem Beton muss jedoch durch die geringe Hydratationswärmeentwicklung besonders darauf geachtet werden, wie die Umgebungsbedingungen sind. Durch die Zugabe von Beschleuniger können allerdings die gleichen Ausschal-Zeiten wie bei Standardbetonen erreicht werden.  

Um den Einsatz von CO₂-reduzierten Betonen weiter zu fördern, haben wir eng mit unseren Lieferanten zusammengearbeitet und die Betongüte regelmäßig überprüft. Dabei setzten wir ein sensorbasiertes Beton-Monitoring-Verfahren ein. Das Beton-Monitoring überwacht die Betonstrukturen, um ihre Integrität, Sicherheit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Es kann verschiedene Aspekte des Betons wie z.B. die Festigkeit, Rissbildung, Dehnung, Verformung, Feuchtigkeit und Temperatur kontrollieren. Die Abbildung 5, zeigt die Ergebnisse der Festigkeitsentwicklung der CO₂-reduzierten Betone auf, die wir verarbeitet haben.