Auswirkungen von Beton vollständig und lückenlos messen
CLIMATCON, ein an der Heriot-Watt-Universität (HWU) in Edinburgh, Vereinigtes Königreich, durchgeführtes Projekt mit seinem Hauptforscher, dem Marie-Curie-Stipendiaten Xiao-Hui Wang, hat untersucht, auf welche Weise Stahlbetonträger karbonisieren, wenn sie belastet werden. Man verglich die Funktionseigenschaften von konventionellem, mit Portlandzement hergestellten Beton mit der Leistungsfähigkeit von „umweltfreundlichen“ Betonen, die Flugasche oder Hüttensandmehl - beides Nebenprodukte der Industrie - enthalten. Die Betonindustrie hat einen großen ökologischen Fußabdruck — ihr Anteil an den globalen CO2-Emissionen, der hauptsächlich durch die Kalzination bei der Zementherstellung entsteht, beträgt etwa 5 %. Umweltfreundliche Betone, wie es sie schon lange gibt, werden derzeit immer beliebter, um auf diese Weise Emissionen einzusparen. Sobald der Bau einer Stahlbetonkonstruktion beendet ist, fängt der Beton langsam an, in einem Prozess der Karbonatisierung CO2 aus der Atmosphäre zu absorbieren. Auch wenn dieser Vorgang als Ausgleich für einen der Teil der ursprünglichen CO2-Emissionen betrachtet werden kann, verringert die Karbonatisierung ebenfalls die Alkalinität des Betons, was den Stahl anfällig gegenüber Korrosion werden lässt. Korrosion beginnt viel früher Von umweltfreundlichen Betonen ist bekannt, dass sie schneller karbonisieren als traditionelle Betone. „Setzt man umweltfreundliche Betone ein, werden die Kohlendioxidemissionen zwar reduziert, aber die Karbonatisierungsrate ist höher und die Korrosion kann früher einsetzen“, erläutert Dimitri Val, Projektleiter und Professor für Infrastruktur, Sicherheit und Zuverlässigkeit an der HWU, „also muss man Geld für Reparaturen ausgeben, was die Kosten in die Höhe treibt und zusätzliche Emissionen verursacht.“ Das CLIMATCON-Team suchte nun nach einem Weg, um messen zu können, wie nachhaltig die verschiedenen Betonsorten wirklich sind, indem man Umweltauswirkungen und -kosten über die gesamte Lebensdauer von Bauten bewertet. Mit diesem umfassenden und lückenlosen Ansatz verbesserte man frühere Methoden, die den Auswirkungen des Verfalls nur wenig Beachtung schenkten. Betonträgerproben aus sechs verschiedenen Betonen wurden in eine Spezialkammer gelegt und für 120 bzw. 240 Tage einer beschleunigten Karbonatisierung unterzogen. „Es ist bekannt, dass die Karbonatisierungsrate bei belastetem Beton höher ist, und deshalb schickten wir belastete Proben in die Kammer“, berichtet Professor Val. Überraschende Resultate Bei der Messung der Karbonatisierungsrate gab es einige Überraschungen. „Die Belastung beeinflusste die Rate bei umweltfreundlichen Betonen viel stärker als bei normalem Beton und dieser Anstieg war weitaus höher als erwartet “, erklärt Professor Val. Dieses Ergebnis könnte Konsequenzen in Bezug auf das Leistungsverhalten von umweltfreundlichem Beton bei echten Bauten haben, aber es muss noch mehr geforscht werden, warum das Ganze geschieht – „wir müssen untersuchen, was … auf der Materialebene passiert“, betont Professor Val. Das Team erstellte im Folgenden ein numerisches Modell, das vorhersagen kann, wie schnell der Beton karbonisieren und wie viel CO2 er aufnehmen wird. Dabei werden Faktoren wie Belastung, Risse im Beton, Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigt. Endgültiges Ergebnis ist eine probabilistische Methode zur Bewertung der Gesamtlebenszyklusleistung von Stahlbetonkonstruktionen, die der Karbonatisierung ausgesetzt sind. Dabei finden der Verfall und der daraus folgende Bedarf an Wartung und Reparatur Berücksichtigung. Sie ermöglicht die Vorhersage der damit in Verbindung stehenden CO2-Emissionen und deren ausgleichende Verrechnung mit der bei der Karbonatisierung erfolgenden Aufnahme. Mit Hilfe dieser Methode, die erstmals sowohl die Kosten als auch die Umweltauswirkungen im Kombination sowie Unsicherheiten berücksichtigt, könnten sich Bauingenieure, Betonhersteller und die für die Festlegung von Baunormen Verantwortlichen viel rationeller mit der Nachhaltigkeit von Betonkonstruktionen beschäftigen, erläutert Professor Val abschließend.
Schlüsselbegriffe
CLIMATCON, Betonkonstruktionen, umweltfreundlicher Beton, Portlandzement, Karbonatisierung, CO2-Emissionen, Nachhaltigkeit, Folgenabschätzung