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Zement – Verursacher von CO₂-Emissionen im Bauwesen

Das Thema Nachhaltigkeit und CO₂-Bilanz bzw. Klimafreundlichkeit spielt heute und in Zukunft eine immer größere Rolle. Dies gilt zunehmend auch für Bauprodukte und Bauwerke. Auch die Bauwirtschaft ist auf der Suche nach klimafreundlichen Lösungen. Betrachtet man Bauprodukte im Detail, wird schnell klar, dass der größte Teil der CO₂-Emissionen durch Bindemittel verursacht wird. Das Bindemittel für Bauprodukte ist Zement. Die Zementproduktion stellt eine der größten Quellen für CO₂-Emissionen der Welt dar, weil bei der Herstellung große Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden. Die Herstellung von Zement beginnt mit dem Brennen von Kalkstein (chemisch: CaCO₃) bei ca. 1000 °C. Dabei wird nicht nur Energie verbraucht, sondern auch CO₂ als Nebenprodukt abgespalten und freigesetzt.  Dies ist ein wichtiger Schritt, da durch die Abspaltung von Kohlendioxid der hydraulisch aktive Branntkalk entsteht. Nur so ist es möglich, dass der Zement bei Kontakt mit Wasser reagiert und erhärtet – und so schließlich Beton entsteht. Betrachtet man die gesamten CO₂-Emissionen von Zement, so entstehen etwa zwei Drittel durch die oben beschriebene, nicht vermeidbare Reaktion und ein Drittel durch das Einbringen von Energie und den Brennprozess. Das größte Potenzial zum Einsparen von CO₂ liegt also in der Reaktion selbst. Um die CO₂-Emissionen im Bauwesen zu reduzieren, ist es also entscheidend, den Anteil des Zements in der Betonherstellung zu minimieren.

Baustoffe CO₂-reduziert produzieren

Eine häufig angewandte Methode zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks von Zement ist die Verwendung von Zusatzstoffen zur Reduzierung des Klinkeranteils. Dadurch verringert sich der Anteil der oben beschriebenen Reaktion im Bindemittel. Anstatt Zement werden latent hydraulische oder puzzolanische Bindemittel verwendet. Die Besonderheit dieser Zusatzstoffe ist, dass sie allein mit Wasser nicht in Reaktion treten, jedoch durch das Calciumhydroxid aus dem Zementklinker reagieren und abbinden. Diese Bindemittel sind entweder sekundäre Rohstoffe, die bei verschiedenen Industrieprozessen anfallen, oder aber Stoffe aus natürlichen Vorkommen vulkanischen Ursprungs (z. B. Trass, Lava). Sie können aus Tonen, Schiefer oder Sedimentgesteinen gewonnen werden (Phonolith). Sobald der Klinkeranteil im Zement reduziert wird, verschlechtert sich bei gleichen Grundbedingungen die Frühfestigkeit. Diese Effekte sind bei niedrigen Umgebungstemperaturen deutlicher ausgeprägter. Jedoch kann der Einsatz klinkerreduzierter Zemente aufgrund einer möglichen geringen Frühfestigkeit erfordern, auch die Produktions- bzw. Bauverfahren der Betonbauteile entsprechend anzupassen. Ein Beispiel für die oben beschriebenen Zementklassen sind CEM I mit 100 % Klinkeranteil und CEM III A mit teilweise nur noch 40 % Klinkeranteil. Bei Verwendung eines CEM III A-Betons anstelle eines CEM I-Betons wird die CO₂-Bilanz des Betons somit halbiert. Ein Grundanteil an Klinker wird jedoch immer benötigt, um eine Reaktion zu ermöglichen.

Geopolymerbeton

Zementklinker wird benötigt, um die Zusatzstoffe reagieren zu lassen. Eine Möglichkeit, gänzlich auf Zementklinker zu verzichten, besteht darin, die Zusatzstoffe durch chemische, alkalische Anreger reagieren zu lassen. Bei dieser Art von Beton spricht man von Geopolymerbeton. Die größte Herausforderung liegt hier bei der Verwendung der richtigen Anreger und der optimalen Dosierung. So werden unkontrollierte Reaktionen verhindert, die eine Verarbeitung des Betons erschweren, weil er zu schnell oder nur kaum reagieren könnte. Auch die richtige Verwendung der Zusatzstoffe hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Mahlfeinheit und Mischungsverhältnis sind essenziell für den Geopolymerbeton, auch alkalisch aktivierter Beton genannt. Aus diesem Grund arbeitet MC-Bauchemie seit mehr als zehn Jahren an diesem Thema und kann ein breites Erfahrungsspektrum vorweisen, vor allem im Bereich der Verwendung von Aktivatoren und Zusatzmitteln. So wird nicht nur ein Aktivator für alle Anwendungsgebiete genutzt, vielmehr wird durch die Kombination von Aktivatoren und Zusatzmitteln speziell auf die notwendigen Anforderungen reagiert. So war es möglich, durch verschiedene Kombinationen an Anregern schon alle Konsistenzklassen von erdfeuchten Betonwaren bis hin zu fließfähigen Konsistenzen für verschiedene Fertigteilanwendungen zielgenau herzustellen. Für die Anwendung im Bereich der Fertigteile ist es hier durch die genaue Zusammenstellung der Aktivatoren möglich, die Bauteile wie gewohnt auszuschalen. Weiterhin wurde durch die Entwicklung neuer Fließmittel die geforderte Verarbeitungszeit im Transportbeton genau umgesetzt. Eine weitere Neuentwicklung sind Trennmittel für die Anwendung im Geopolymer, ein ausschlaggebendes Thema in der Fertigteilindustrie.

Getestet, geregelt, geprüft

Wenn in Deutschland von der Bauproduktverordnung abweichende neue Bauprodukte eingeführt werden, benötigen Hersteller eine Zulassung. Diese wird unter anderem durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) erteilt. Dabei zielen die Bauordnungen der Bundesländer auf die Sicherheit von Bauwerken ab. Um diese zu gewährleisten, kann es notwendig sein, zusätzlich zu den Produkteigenschaften, das Zusammenfügen von Bauprodukten zu baulichen Anlagen oder Teilen von baulichen Anlagen ("Bauart") zu regeln. Zusammen mit der australischen Firma Wagners hat MC-Bauchemie den ersten zementfreien Beton entwickelt, den sogenannten Earth Friendly Concrete (EFC). Für diesen wurde auch erstmalig in Deutschland im September 2019 eine DIBt-Zulassung (Z-3.15.2157) erteilt. Ein wichtiger Punkt der Zulassung sind die Expositionsklassen. Die Komponenten für das Geopolymer dürfen für die Herstellung von Beton in Anlehnung an DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN EN 1045-2 für die Expositionsklassen X0, XC1 bis XC4, XF1 und XF3, XA1 bis XA3, W0 und WF verwendet werden. Normativ sind nur bestimmte Ausgangsstoffe des EFCs geregelt, wie z. B. das Hüttensandmehl, die Flugasche oder das Betonzusatzmittel. Das daraus und aus den Aktivatoren hergestellte Bindemittel verfügt über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ). Der EFC muss für den jeweiligen Anwendungsfall zugelassen werden, wie z. B. im Rahmen einer Zulassung im Einzelfall (ZiE) in Norderstedt oder die abZ für die (Stahl-)Betonrohre. In den Zulassungen sind dann Qualitätsparameter festgelegt, die einen zielsicheren Einsatz bieten. Weiterhin hat die Next.Beton Gruppe auf der Basis der EFC-Zulassung die erste Zulassung für zementfreie Rohre erwirken können. Durch den großen Vorteil der Expositionsklasse XA3 wird hier keine weitere Beschichtung notwendig und es kann komplett auf Kunststoff, welcher einen sehr hohen CO₂-Fußabdruck verglichen zum Baustoff Beton aufweist, verzichtet werden. Ebenfalls schon zugelassen wurde ein Hochbauprojekt in Norderstedt. Dabei wurden circa 3.000 m³ Zement für den gesamten Beton eingespart und ca. 600.000 kg CO₂ vermieden. Somit wird deutlich, dass die Regelwerke für solche Projekte bereits bestehen und angewendet werden. Dies gibt Sicherheit für Planer, Bauherren und Verarbeiter.

Reduzierung des Global Warming Potential

Die positiven Auswirkungen solcher Projekte auf den CO₂-Fußabdruck zeigt die Life Cycle Analysis (LCA) des Prüfinstituts Kiwa. Hier zeigt sich, dass der Earth Friendly Concrete ein Global Warming Potential (GWP) von nur 90 kg CO₂/m³ Beton erzeugt. Bei dieser Betrachtung sind alle Aktivatoren und Fließmittel bereits berücksichtigt. Dies ist besonders bemerkenswert, da es sich hierbei um einen Beton der hohen Festigkeitsklasse C50/60 handelt. Demgegenüber liegen Branchenreferenzen auf der Basis von Zement bei mehr als 300 kg CO₂/m³. Ausschlaggebend für diesen hohen Wert ist die Verwendung von CEM I-Zementen, welche in der Environmental Product Declaration (EPD) mit mehr als 800 kg CO₂/t nach EN 15804 und ISO 14025 bewertet werden.

Grenzen der Verfügbarkeit = Chance für Innovationen

Natürlich sind die Alternativen nicht in den gleichen Mengen wie Zement vorrätig. Sie sollen ihn auch nicht gänzlich ersetzen. Durch die politische Entscheidung der letzten Jahre, dass alle bestehenden Steinkohlekraftwerke abgeschaltet werden sollen, ist es absehbar, dass in Deutschland keine Flugasche aus Steinkohlekraftwerken mehr anfällt. Diese Entwicklung spürt die Betontechnologie im Moment schon deutlich, da die wenigen verbliebenen Anlagen teilweise nur noch diskontinuierlich laufen. Auch bei den Hüttensandmehlen wird es in Deutschland mittelfristig durch die Umstellung der Stahlproduktion zu einer Reduktion des in Deutschland anfallenden Hüttensandes kommen. Für beide Ausgangsstoffe gibt es aber technologische Alternativen, mit denen die Stoffe substituiert werden können. Wie in der konventionellen Betontechnologie können das beispielsweise calcinierte Tone und natürliche Puzzolane sein. Es wird aber auch weitere künstlich hergestellte Produkte geben, die in technischer Hinsicht vergleichbar mit den Eigenschaften eines Hüttensandmehls sind. Die Anforderung, weitere Alternativen zu nutzen, bietet also ein spannendes Feld für Innovationen der MC. So arbeiten wir aktuell intensiv an der Nutzung neuer Ressourcen, die bisher für die Baubranche nicht berücksichtigt wurden. Hier legen wir den Fokus auf eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft.

Arbeitssicherheit

Da die MC ein chemischer Fabrikant ist, steht die Sicherheit von Mensch und Umwelt stets im Vordergrund. Alle Entwicklungen haben einen strengen Fokus hinsichtlich des Arbeitsschutzes, damit auch in Zukunft nicht nur nachhaltig, sondern auch sicher gebaut werden kann. Da die Bindemittelrohstoffe für den Earth Friendly Concrete latent hydraulisch und puzzolanisch sind, benötigen sie einen Anreger, der das System alkalisch aktiviert. Bei Zementbetonen wird die Aktivierung durch das Calciumhydroxid aus dem Klinker erzeugt, wodurch pH-Werte von ca. 13 entstehen. Deshalb sollte auch bei herkömmlichen Betonen eine persönliche Schutzausrüstung getragen werden, die den Haut- und Augenkontakt verhindert. Bei der Aktivierung von zementfreien Betonen gibt es verschiedene Ansätze. Auf dem Markt wird oft mit flüssigen Komponenten gearbeitet, die äußerst aggressiv für die Haut sind. Bei diesem Beispiel müssen die Produktionsmitarbeiter also sehr vorsichtig sein, um sich keine Verätzungen zuzuziehen. Die MC arbeitet daher mit Pulvern, die auf der Haut nicht direkt in Reaktion treten. Erst wenn die Aktivatoren in Wasser gelöst sind, entfalten sie die Eigenschaft zur Aktivierung des Betons. So kann die Sicherheit der Produktionsmitarbeiter gewährleistet werden und der Beton seine optimalen Eigenschaften erreichen. Damit auch der Umgang mit dem Pulver sicher ist, wird es über eine geschlossene Dosiereinheit dem Beton hinzugegeben. Es werden keine Personen dafür benötigt. Ein großer Vorteil bei der Nutzung von Pulvern ist es, dass sie lagerstabil sind und nicht, wie vergleichbare flüssige Aktivatoren, vor Kälte geschützt werden müssen, damit sie nicht auskristallisieren. Dies ist ein weiterer Vorteil, da nur die benötigten Mengen für die tagesaktuelle Produktion genutzt und die restlichen Mengen wieder eingelagert werden können. Beim anschließenden Umgang mit dem Beton sollten wieder alle Beteiligten ihre persönliche Schutzausrüstung tragen, um den Haut- und Augenkontakt zu verhindern.

Ein Blick in die Zukunft

Beim Bauvorhaben „UBS4" der blu – Gesellschaft für nachhaltige Immobilienprojekte, ein Unternehmen der AUG. PRIEN Gruppe, entstehen 71 öffentlich geförderte Wohnungen. Der gesamte dort als Transportbeton gelieferte bzw. in den Fertigteilen verwendete Beton ist der zementfreie EFC. Der Austausch des Zements gegen ein Geopolymer als Bindemittel ermöglicht im konkreten Fall eine signifikante Verringerung des CO₂-Fußabdrucks der Betonbauteile. Die zur Reaktion des Geopolymers erforderlichen Aktivatoren und das Betonzusatzmittel wurden durch MC geliefert. Die besondere Herausforderung lag darin, dass das Projekt bereits vollständig mit einem normkonformen Zementbeton geplant war und das Verfahren in einem kurzen Zeitraum unmittelbar vor dem Baubeginn umgesetzt werden musste. Die zahlreichen Anwendungsbeispiele (Fertigteil- Wände, Decken, Treppen, Stützen, Rohre, Pflastersteine und Transportbeton) zeigen eindeutig, wie vielseitig EFC einsetzbar ist. Sie alle basieren auf der bestehenden allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung und sind somit bis ins Detail geprüft. Auf diesem Erfahrungsschatz kann in Zukunft weiter aufgebaut werden. Nicht nur die bestehenden Rezepturen sind ein spannendes Thema für die Zukunft, sondern viel mehr kann dieses Wissen genutzt werden, um die Kreislaufwirtschaft weiterhin zu forcieren. So können ggf. Abfallrohstoffe, die heute keine Verwendung finden, zukünftig als Bindemittel genutzt und ein weiterer Schritt in Richtung klimafreundliches Bauen gemacht werden.

Autor: Kai Markiefka (MC-Bauchemie)