nachhaltiger beton - natureplus.org · /m³] 146 97 87 75 74 76 ermittelt bei 2 vol.-% co 2-gehalt...
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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, MPA Karlsruhe
Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA
Nachhaltiger Beton –Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials
von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Internationale
Natureplus
Fachkonferenz
Berlin
6. Juni 2016
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
2 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Nachhaltigkeit“Entwicklung, die den Bedürfnissen der Gegen-
wart gerecht wird ohne die Entwicklungsmöglich-
keiten zukünftiger Generationen einzuschränken”
Nachhaltigkeit – Eine Einführung
Gro Harlem Bruntland, 1987
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
3 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Nachhaltigkeit
Nachhaltigkeit – Eine Einführung
von Gebäuden wird i.d.R. mittels
Indexsystemen gemessen, die
zahlreiche Eigenschaften bewerten
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
4 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Nachhaltigkeit
Nachhaltigkeit – Eine Einführung
von Beton auf der Materialebene?
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
5 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Nachhaltigkeit – Eine Einführung
Nachhaltigkeit
Leistungsfähigkeit
Nutzungsdauer
Umwelteinwirkungen
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
6 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Ma
xim
iere
nM
inim
iere
n
Leistungsfähigkeit
Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch
Baustoffe mit erhöhter Tragfähigkeit
Werkstoffe mit zusätzlicher
Funktionalität
skalenübergreifende Modellierung der
Werkstoffeigenschaften
Verwendung von Baustoffen mit reduzierter Umwelteinwirkung, z. B. Kompositzemente
Entwicklung von Betonrezepturen mit reduziertem Bindemittel- bzw. Klinkergehalt bei
gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit
Entwicklung umweltfreundlicher Produktionstechniken und Bauverfahren, die eine maximale
Ausnutzung der Werkstoffleistungsfähigkeit gestatten
Umwelteinwirkung
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Baustoff-Nachhaltigkeit – Einflussgrößen
duration of usageNutzungsdauer
Verlängerung der Nutzungsdauer durch
erhöhte Baustoff-Dauerhaftigkeit
angemessene Lebensdauerbemessung
Bauwerksüberwachung und Instandhaltung
Steigerung der Bauwerksattraktivität
gegenüber dem Nutzer
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
7 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Ermittlung der Umwelteinwirkungen
Bild: Hardung
Bilanzierung der Umwelteinwirkungen
Primärenergiebedarf PE
erneuerbar [MJ]
nicht erneuerbar [MJ]
Treibhauspotenzial GWP [kg CO2]
Ozonabbaupotenzial ODP [kg R11]
Versauerungspotenzial AP [kg SO2]
Überdüngungspotenzial EP [kg PO4]
Bodenn. Ozonbildung POCP [kg C2H4]
Zuordnung zu 6 Kategorien:
Ressourcenbedarf und Verfügbarkeit
Normierte Ökobilanz von Beton
Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040
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Baustoffe und Betonbau
8 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Wege zum nachhaltigen Beton
1 m³Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz
Bindemittel- und
Wassergehalt bleiben
unverändert
Reduktion der
Umwelteinwirkungen aus
Einsparungen bei der
Bindemittelherstellung
I Neuartige Bindemittel
Gesteins-
körnung
Zusatzmittel
Wasser
Zusatzstoffe
Zement
1 m³
Normalbeton Ökobeton
wahrscheinlich keine
signifikanten Eingriffe in
die Beton-
zusammensetzung
erforderlich
z. B.
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9 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Wege zum nachhaltigen Beton
1 m³Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz
Zusatzstoffe besitzen
geringere Reaktivität
Reduktion des
Wassergehalts bei konst.
w/z-Wert erforderlich
IIAustausch von Zement
durch Zusatzstoffe
Gesteins-
körnung
Zusatzmittel
Wasser
Zusatz-
stoffe
Zement
1 m³
wz
Normalbeton Ökobeton
Optimierung der
Packungsdichte der
granularen
Betonbestandteile
erforderlich
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10 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Wege zum nachhaltigen Beton
1 m³Ziel: Minimierung des Anteils der Stoffe mit signifikantem Einfluss auf Ökobilanz
Gehalt an Zementleim
nimmt ab
Reduktion des
Wassergehalts bei konst.
w/z-Wert erforderlich
IIISteigerung des
Gesteinskorngehalts
Gesteins-
körnung
Zusatzmittel
Wasser
Zusatzstoffe
Zement
1 m³
wz
Normalbeton Ökobeton
Optimierung der
Packungsdichte der
granularen
Betonbestandteile
erforderlich
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11 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Entwicklung zementarmer Ökobetone
Packungsdichteoptimierung
,max ( )p p p hV V V
Vp
Vh
Vh
Vp
Vp
KIT-Virtual Concrete Mischungsberechnung
Excel basierte Software berechnet Kornzusammensetzung mit bestmöglicher
Packungsdichte bei gegebenen Ausgangsstoffen basierend auf Modellen von Andreasen,
de Larrard und Fennis sowie eigenen Arbeiten
Excel basierte Software berechnet Kornzusammensetzung mit bestmöglicher
Packungsdichte bei gegebenen Ausgangsstoffen basierend auf Modellen von Andreasen,
de Larrard und Fennis sowie eigenen Arbeiten
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
12 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Entwicklung zementarmer Ökobetone
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
Packungsdichteoptimierung
( )p p p hV V V
Vp
Vh
Vh
Vp
Vp
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Baustoffe und Betonbau
13 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Umwelteinwirkungen von Ökobeton
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
Treibhauspotenzial [kg CO2/m³]
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14 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Treibhauspotenzial [kg CO2/m³]
Umwelteinwirkungen von Ökobeton
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
Herausforderung:
Gewährleistung guter Verarbeitbarkeit bei minimalem Wassergehalt
abnehmender
Wassergehalt!
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
15 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Umwelteinwirkungen von Ökobeton
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
Verarbeitbarkeit
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16 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Leistungsfähigkeit von Ökobeton
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
Druckfestigkeit fck,cube [MPa]
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Baustoffe und Betonbau
17 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Dauerhaftigkeit von Ökobeton
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Zementanteil am
Feststoff [Vol.-%]10 6 5 4 4 4
w/z-Wert [-] 0,43 0,69 0,67 0,64 0,64 0,65
Zementart [-] CEM I 52,5 Rµ
CEM
SF-
CEM
Zement [kg/m³] 268 162 138 113 111 109
Wasser [kg/m³] 116 118 92 72 85 87
Körnung [t/m³] 1,93 2,0 2,0 2,2 2,2 2,2
Fließmittel [kg/m³] 6,2 5,7 6,0 6,5 6,4 6,5
fck,cube [MPa] 95 50 62 69 71 69
GWP [kg CO2/m³] 146 97 87 75 74 76
ermittelt bei
2 Vol.-%
CO2-Gehalt
Beispiel: Karbonatisierung
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
18 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Dauerhaftigkeit von Ökobeton
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Be
ton
de
cku
ng
c b
zw
.
Carb
onatisie
rungstiefe
Xc(t
)
Beton
Beweh-
rungc
CO2
CO2
Carbonatisierungstiefe
Zeit t
𝑹𝑨𝑨𝑪,𝟎−𝟏
Berechnung
Betondeckung c = const.
deterministische
Lebensdauer
deterministische
Lebensdauer
ermittelt bei
2 Vol.-%
CO2-Gehalt
Beispiel: Karbonatisierung
xc t = 2∙ke∙kc∙ kt∙RACC,0−1 +εt ∙CS∙ t∙W(t)
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Baustoffe und Betonbau
19 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Dauerhaftigkeit von Ökobeton
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Be
ton
de
cku
ng
c b
zw
.
Carb
onatisie
rungstiefe
Xc(t
)
Betondeckung c = const.
Versagenswahrscheinlichkeit
Zeit t
𝑹𝑨𝑨𝑪,𝟎−𝟏
Berechnung
probabilistische
Lebensdauer tsl
probabilistische
Lebensdauer tsl
ermittelt bei
2 Vol.-%
CO2-Gehalt
Beispiel: Karbonatisierung
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
20 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Dauerhaftigkeit von Ökobeton
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
36 55 85 106gewählter Grenzzustand
𝛽 = 1,3
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
21 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Nachhaltigkeit ~Leistungsfähigkeit ∙ Nutzungsdauer
Umwelteinwirkung
Leistungsfähigkeit
→ Druckfestigkeit
Nutzungsdauer
→ Lebensdauer tsl
Umwelteinwirkungen
→Treihauspotenzial
Nachhaltigkeitsbemessung
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
22 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Leistungsfähigkeit
→ Druckfestigkeit
Nutzungsdauer
→ Lebensdauer tsl
Umwelteinwirkungen
→Treihauspotenzial
Mindestfestigkeit Mindestlebensdauer
max. Umwelteinwirkung
Nachhaltigkeitsbemessung
=Druckfestigkeit 𝒇𝒄𝒌 ∙ Lebensdauer 𝒕𝒔𝒍
Treibhauspotenzial GWP
Nachhaltigkeits-
potenzial 𝜴
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
23 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
=Druckfestigkeit 𝒇𝒄𝒌 ∙ Lebensdauer 𝒕𝒔𝒍
Treibhauspotenzial GWP
Nachhaltigkeits-
potenzial 𝜴
Achtung:
Mindestanforderungen an
𝑓𝑐𝑘 und 𝑡𝑠𝑙 müssen erfüllt sein
Material jedoch nur dann
nachhaltig, wenn
Leistungsfähigkeit und
Lebensdauer ausgeschöpft
werden
!
Nachhaltigkeitsbemessung
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
24 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
=Druckfestigkeit 𝒇𝒄𝒌 ∙ Lebensdauer 𝒕𝒔𝒍
Treibhauspotenzial GWP
Nachhaltigkeits-
potenzial 𝜴
Achtung:
Mindestanforderungen an
𝑓𝑐𝑘 und 𝑡𝑠𝑙 müssen erfüllt sein
Material jedoch nur dann
nachhaltig, wenn
Leistungsfähigkeit und
Lebensdauer ausgeschöpft
werden
!
Nachhaltigkeitsbemessung
IMB Karlsruhe
Baustoffe und Betonbau
25 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Zusammenfassung
Nachhaltigkeitspotenzial von Beton steigt mit
abnehmender Umwelteinwirkung
zunehmender Lebensdauer
zunehmender Leistungsfähigkeit
oder Kombinationen
dieser Ansätze
!Beton nur dann nachhaltig, wenn Nachhaltigkeitspotenzial bei Bemessung und
Konstruktion gezielt genutzt wird!
Entwicklung
zementreduzierter,
dauerhafter und ökologisch
optimierter Betone
Entwicklung von
Hochleistungsbetonen
mit maximaler
Performance
Ökobetone Hochleistungsbetone
Reduktion der
Umwelteinwirkungen bei der
Zement- und
Bindemittelherstellung
Neuartige Bindemittel
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26 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit
Die Autoren danken der Helmholtz
Gemeinschaft für die Förderung
der Arbeiten.
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27 06.06.2016 Nachhaltiger Beton – Methoden zur Bewertung des Nachhaltigkeitspotenzials von Baustoffen
Dr.-Ing. Michael Haist
Herausforderungen – Zahlen und Fakten
Gesamtmarkt Bauindustrie Deutschland:
279 Mrd. € (2013)
45 % Ingenieur- und Industriebau
55 % Wohnungsbau
ca. 60 % aller Investitionen in
Bestandserhaltung und Instandsetzung
Anteil der Bauwirtschaft am BIP: ca. 10 %
(2013)
Anteil der Bauwirtschaft am
Ressourcenverbrauch: ca. 40 %
Betonproduktion (Welt, 2015): ca. 6 Mrd. m³
(ca. 14 Mrd. t)
Anteil der Zementproduktion am CO2-Ausstoß:
ca. 8-9 % (2014)
Quellen:
Hauptverband Deutsche Bauindustrie (2014)
ECTP-Report (2005), ING-Report (2008)
BMBF Nano.de Report (2009)
USGS (2015)
Herausragende Rolle der Bauindustrie in Bezug
auf Volkswirtschaft, Gesellschaft und Umwelt