Nachhaltiger Beton mit Ton aus dem Tunnelbau
Bauabfälle wie der Aushub bei Tunnelarbeiten könnten sich als Zuschlagstoff für Beton eignen. Daran forscht ein Team der TH Köln.
Foto: Benedict Bremert/TH Köln
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Laut Umweltbundesamt (UBA) machen in Deutschland Böden und Steine mit rund 60 % den größten Anteil an mineralischen Bauabfällen aus. Ein Team der TH Köln untersucht deshalb jetzt im Forschungsprojekt „Toffee“, ob sich das Material auch als Zusatzstoff in Beton eignet. „Herkömmlicher Beton enthält sogenannten Portlandzementklinker, der für die Aushärtung des Betons zuständig ist. Er wird aus gemahlenen ton- und kalkhaltigen Gesteinen hergestellt, was sehr energieintensiv und mit enormen CO2-Emissionen verbunden ist“, beschreibt es Ingenieur Björn Siebert von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik der TH Köln. Um diesen Rohstoff bei der Zementherstellung einzusparen und somit die Ökobilanz zu verbessern, setzen die Kölner auf einen alternativen Rohstoff: kalzinierte, also temperaturbehandelte Tone. Siebert: „Diese sind in der Herstellung deutlich energieärmer und weniger CO2-intensiv.“
Beton mit Material aus Tunneln in Paris, London und Frankfurt untersucht
Drei verschiedene Tonarten – Pariser Mergel, Frankfurter Ton und London Clay – untersuchte das Team auf ihre Materialeigenschaften. Das Besondere: Alle Materialien stammen von Tunnelbauarbeiten in den jeweiligen Städten. Dabei ging es den Forschenden um eine geotechnische Charakterisierung des Aushubmaterials und die Optimierung des Prozesses, mit dem daraus kalzinierte Tone hergestellt werden.
Zunächst beschrieb das Team das jeweilige Aushubmaterial in seiner Rohform, um so die Eignung für eine Kalzinierung zu prüfen. Danach ging es bei 105 °C in den Trockenofen, anschließend wurde gesiebt und gemahlen. Erst dann erfolgte das Kalzinieren des Tons bei 800 °C. Dabei wurde das darin enthaltene organische Material verbrannt, noch eingeschlossenes Wasser verdampfte endgültig. Durch die strukturellen Veränderungen im Ton wird er bei dieser Behandlung reaktiv und festigkeitsbildend.
Prüfung der Festigkeit des kalzinierten Materials
„Um herauszufinden, wie leistungsfähig der von uns kalzinierte Ton als Bindemittel im Beton ist, haben wir Probewürfel mit unterschiedlichem Zement-Ton-Verhältnis hergestellt“, erzählt Sieberts Kollege Christoph Budach. „Die Spannweite reichte hier von 100 % Zement und 0 % Ton bis zu einem Anteil von 60 % Zement und 40 % Ton.“ In einer Hydraulikpresse wurden diese Probewürfel dann auf ihre Festigkeitseigenschaften geprüft und klassifiziert.
Mischungen mit 10 %igem Ersatz von Zement durch kalzinierten Ton weisen keinen signifikanten Festigkeitsverlust auf. Das haben die baustofftechnologischen Untersuchungen bereits gezeigt. Auch bei höheren Anteilen am Bindemittel bis 40 % wirken sich die kalzinierten Tone festigkeitssteigernd aus. Aufgrund der langsameren Festigkeitsentwicklung als herkömmlicher Zement wird der Festigkeitsbeitrag von kalzinierten Tonen umso deutlicher, je älter der Beton ist. Und noch einen Effekt fanden die Kölner heraus: Die kalzinierten Tone aus Tunnelaushubmaterial lassen sich leichter verarbeiten als marktübliche kalzinierte Tone.
„Unsere Analyse verdeutlicht, dass kalzinierte Tone mit der richtigen Behandlung genug Festigkeit entwickeln, um als Zementersatzstoffe in der Betonherstellung für Baumaßnahmen eingesetzt zu werden und somit eine CO2-arme Alternative darstellen können“, ist Siebert überzeugt.
