Verbundprojekt "Energiearmer Beton"

Weltweit ist der Gebäudebereich für etwa 40 % des Energieverbrauchs verantwortlich, und in der Regel entfällt der grösste Teil davon auf den Betrieb. Durch kontinuierliche Verbesserungen der Energieeffizienz der Gebäude verringert sich der Anteil der Betriebsenergie jedoch stetig, womit die Relevanz der grauen Energie in den Baustoffen steigt. Der Standard der 2000-Watt-Gesellschaft für nachhaltige Gebäude sieht eine Verteilung der Energie neuer Gebäude von 70 % für die Bauausführung und 30 % für den Betrieb vor. In der Schweiz ist Beton immer noch der meistverwendete Baustoff und die Reduktion der grauen Energie und der Kohlendioxidemissionen ist ein vordringliches Ziel, um die Energiewende voranzutreiben.

Das Ziel des Verbundprojekts war es, die Umweltauswirkungen von Baustoffen und namentlich von Betonstrukturen zu reduzieren. Die durch die Zementherstellung verursachten Emissionen lassen sich weiter senken, wenn der Anteil von Klinkerersatz erhöht wird. Begrenzt wird dies allerdings durch den Verlust mechanischer Festigkeit und das erhöhte Risiko der Korrosion des Bewehrungsstahls. Daher sollte mit diesem Projekt einerseits der Klinkeranteil auf Materialebene ohne Einbussen bei der Frühfestigkeit reduziert werden und andererseits strukturelle Lösungen entwickelt werden, die Stahl durch nicht-eisenhaltige Materialien ersetzen.

Auf Materialebene wurde ein neues ternäres Gemisch mit Zement entwickelt, bei dem der Klinker-Anteil ohne Einbusse der Frühfestigkeit um bis zu 65 % reduziert werden konnte. Auf struktureller Ebene wurden neue Betonlösungen mit nicht-metallischen Verstärkungen entwickelt und getestet, um Probleme mit der Alterungsbeständigkeit zu vermeiden. Die Ergebnisse zeigten, dass es möglich ist, die Emissionen um bis zu 50 % zu senken, indem ein hoher Anteil des Zements mit Zementersatzstoffen (supplementary cementitious materials, SCM) substituiert wird. Auf struktureller Ebene lassen sich bis zu 80 % der Kohlendioxidemissionen durch Materialoptimierung und strukturelle Hybridisierung vermeiden.

Bedeutung für die Forschung

Im Rahmen des Projekts wurden aus Sicht der Forschung wertvolle Ergebnisse erzielt. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich ein hoher Anteil des Klinkers in Beton ohne Verlust der Frühfestigkeit ersetzen lässt. Der niedrige pH der neuen Betonmischung beeinflusst nicht zwingend die carbonatisierungsinduzierte Korrosion herkömmlicher Stahlbetonstrukturen. Es wurde ein guter Schutz vor Korrosion unter üblichen Umweltbedingungen gemessen, wohingegen unter sehr feuchten Bedingungen ein höheres Risiko zu erwarten ist. Mit innovativen Betonstrukturen können sowohl die graue Energie als auch die Kohlendioxidemissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes reduziert werden, und auch beim späteren Abbau ist eine weitere Reduktion der Kohlendioxidemissionen möglich.

Bedeutung für die Praxis

Wenn die untersuchten Betontechnologien umgesetzt werden, können sie mit erheblichen Energieeinsparungen einen Beitrag zur Energiewende leisten. Der Einfluss der Akteure wird für einen raschen Übergang eine entscheidende Rolle spielen. Auf Materialebene kann Zement mit geringem Klinkeranteil mit denselben Einrichtungen und Anlagen produziert werden, mit denen Hersteller herkömmlichen Zement produzieren. Es sind also keine Anpassungen der Zementproduktionsinfrastruktur erforderlich. Durch die laufenden Tests zur Altersbeständigkeit bei realen Stahlbetonkonstruktionen werden den Konstrukteuren und Bauunternehmen ergänzende Daten zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse werden die Grundlage für den Nachweis der Sicherheit der neuen Betonstrukturen liefern und dazu beitragen, die Barrieren abzubauen, die typischerweise in einem konservativen Sektor wie dem Baugewerbe bestehen.

Concrete Solutions

Zu diesem Verbund gehören folgende fünf Forschungsprojekte

Formulation, use and durability of concrete with low clinker cements

• Prof. Robert J. Flatt, Institut für Baustoffe, ETH Zürich; Prof. Bernhard Elsener, Prof. Karen Scrivener, Dr. Marta Palacios

Next generation UHPFRC for a sustainable built environment

• Dr. Emmanuel Denarié, Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages, EPF Lausanne; Prof. Eugen Brühwiler, EPF Lausanne

Beech wood concrete hybrid structures

• Prof. Andrea Frangi, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich; Prof. Ingo Burgert

Low-clinker, high-performance concrete elements pre-stressed with carbon-fiber reinforced polymer reinforcement (LCHPC)

• Prof. Pietro Lura, Abteilung Analytische Chemie, EMPA Dübendorf; Dr. Giovanni Pietro Terrasi

Getting more out of Structures through Monitoring and Simulation

• Prof. Eleni Chatzi, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich; Prof. Eugen Brühwiler, EPF Lausanne