Klinkerarme und klinkerfreie Betone oder wie "grün" kann Beton werden?

Um die CO2-Bilanz bei der Zementherstellung zu reduzieren, hat die Zementindustrie klinkerarme Zemente und sogar klinkerfreie Bindemittel entwickelt. Das DIBt hat entsprechende Zemente und klinkerfreie Bindemittel in den vergangenen Jahren vermehrt zugelassen. Aber was steckt dahinter? Wir haben nachgefragt bei Dr. Matthias Wagner, Referent im Bereich Betontechnologie.

Herr Wagner, was ist Klinker und wie steht er mit Beton in Verbindung?

Vereinfacht gesagt, besteht Beton aus einer Mischung von Bindemittel, Wasser und einer Gesteinskörnung. Als Bindemittel werden hauptsächlich Zemente verwendet. Zement ist ein hydraulisches Bindemittel, das sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärtet. Verantwortlich dafür ist der Portlandzement-Klinker – oder kurz Klinker genannt. Der Klinker besteht aus verschiedenen Mineralen, die durch Brennen im Drehrohrofen hergestellt und anschließend fein aufgemahlen werden. Bei Wasserzugabe reagiert der Klinker mit Wasser zum festen Zementstein. Bei der Betonherstellung umschließt der Zementleim die Gesteinskörnung, sodass sich ein dichtes Gefüge ausbilden kann. Diese Zementsteinmatrix hält also den Beton zusammen und bestimmt seine Dauerhaftigkeitseigenschaften in Bezug auf schädliche Umwelteinflüsse. Somit ist der Klinker eine wichtige Komponente für die Herstellung von Beton und wird in entsprechend großen Mengen weltweit produziert.

Warum konzentrieren sich die Bemühungen der Betonindustrie klimafreundlicher zu werden auf den Zementklinker?

Wie gesagt, Klinker wird während seiner Herstellung in einem Drehrohrofen gebrannt. Das benötigt viel Energie zum Befeuern des Ofens, was wiederum mit einer entsprechenden direkten oder indirekten Emission von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) einhergeht. Aber es gibt bei der Herstellung des Klinkers noch eine weitere, erhebliche Treibhausgasquelle: Beim Erhitzen des Ausgangsstoffs Kalkstein zersetzt sich dieser in Calciumoxid und eben CO2, das dabei frei wird.

Da Klinker wie bereits erwähnt in sehr großen Mengen für die Herstellung von Beton weltweit benötigt wird, stellen die CO2-Emissionen aus der Klinkerherstellung einen nicht unerheblichen Teil der gesamten Treibhausgasemissionen des Betons dar. Es lohnt sich daher, das Augenmerk auf den Klinkergehalt von Zementen zu legen: schon relativ kleine Einsparungen können hier trotzdem zu großen absoluten Mengen an eingesparten Treibhausgasemissionen führen. Daher existieren momentan zahlreiche Bestrebungen, den Klinkergehalt in Zement zu reduzieren, um damit "klinkerarme" Betone herzustellen.

Wie funktioniert das?

Moderne Zemente bestehen oft nicht mehr nur aus Portlandzementklinker, sondern auch aus weiteren Komponenten. Dabei sind zum Beispiel Hüttensand und Flugasche zu nennen, welche als Nebenprodukt bei der Stahlproduktion bzw. Steinkohleverbrennung anfallen. Diese Prozesse sind zwar ebenfalls energie- und emissionsintensiv, aber durch die Weiterverwendung dieser Bestandteile bei der Zementherstellung kann der Klinkeranteil reduziert werden. Außerdem kann ein Teil des Klinkers auch durch Kalksteinmehl oder Trass ersetzt werden.

Da diese natürlichen Rohstoffe zur Herstellung von Zement nicht aufwändig gebrannt werden müssen, sinkt der CO2-Fußabdruck, der damit hergestellten Zemente im Vergleich zum herkömmlichen Portlandzement (CEM I). Ein weiterer neuer Ansatz besteht darin, einen Teil des Zementklinkers durch gemahlenen, recyclierten Beton zu ersetzen – sogenannte Zemente mit rezyklierten Baustoffen. Dabei wird Betonabbruch, an dessen Zusammensetzung wir gründliche Anforderungen stellen, verwertet, um damit neuen klinkerarmen Zement herzustellen. Durch die Verwendung von Betonabbruch für die Zementherstellung werden auch natürliche Ressourcen geschont.

Und was sind "klinkerfreie Betone"?

Es gibt einige neuartige Bindemittel, welche gänzlich ohne Portlandzementklinker auskommen. Dabei sind beispielsweise die sogenannten alkalisch aktivierten Bindemittel zu erwähnen. Auch diese Bindemittel reagieren mit Wasser und Aktivatoren zu einer festen Bindemittelmatrix und weisen ausgezeichnete Dauerhaftigkeitseigenschaften auf. Die Herstellung dieser Bindemittel sowie die der Ausgangsstoffe erzeugen weniger Treibhausgasemissionen als die Herstellung von Klinker, weshalb der CO2-Fußabdruck des damit hergestellten Betons sinkt.

Wenn es schon klinkerfreie Betone gibt. Warum werden nicht nur noch diese im Bauwesen eingesetzt?

Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe überhaupt und wird in sehr großen Mengen benötigt. Das bedingt natürlich, dass entsprechend viel Bindemittel für Beton verfügbar sein muss. Und hierbei sehen wir uns einigen Herausforderungen gegenüber: Komponenten wie Hüttensand und Flugasche fallen aufgrund der Umstellung auf umweltfreundlichere Methoden der Stahl- und Energieerzeugung in immer kleineren Mengen an. Und alternative Bestandteile wie beispielsweise der sortenreine, recyclierte Betonabbruch, sind wiederum noch nicht in benötigten Mengen verfügbar. Aufgrund dieser Umstände ist die Baubranche auf absehbare Zeit weiterhin auf Portlandzementklinker angewiesen.

Gibt es Unterschiede bei der Anwendung von klinkerarmen oder klinkerfreien Betonen gegenüber herkömmlichem Beton – zum Beispiel was die Bemessung und Konstruktion angeht?

Durch gründliche und umfassende Zulassungsprüfungen stellen wir sicher, dass ein innovatives Bindemittel allen Anforderungen an die Festigkeit und Dauerhaftigkeit gerecht wird und die Leistung mit den etablierten Bindemitteln vergleichbar ist. Es müssen bei der Verwendung klinkerarmer oder klinkerfreier Betone daher keine Abstriche in der Leistungsfähigkeit gemacht werden. Ganz im Gegenteil: Viele innovative Bindemittel weisen verglichen mit herkömmlichem Portlandzement sogar einen höheren Widerstand gegen bestimmte Umwelteinflüsse, wie beispielsweise säurehaltige Abwässer oder sulfathaltiges Grundwasser, auf.

Im Hinblick auf die Bemessung und Konstruktion sind jedoch weitere Nachweise vorzulegen, um zu belegen, dass die Regelungen des Eurocodes EC 2 "Bemessung und Konstruktion von Hoch- und Ingenieurbauten aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton" übernommen werden können.

Welche anderen Stellschrauben sind wichtig, um das Bauen mit Beton umweltverträglicher zu machen?

Neben der Auswahl vergleichsweise umweltfreundlicher Zemente kann man auch einen Blick auf den Betonverbrauch werfen. So kann man zum Beispiel versuchen, Beton an geeigneten Stellen im Bauwerk durch Holz zu ersetzen. In Norddeutschland steht ein Modellbauvorhaben kurz vor der Fertigstellung, bei welchem durch eine Hybridbauweise mit Holz der Stahlbetonbedarf des Tragwerks erheblich reduziert werden konnte. Als Bindemittel für den Stahlbeton wurde dabei ein alkalisch aktiviertes Bindemittel verwendet, womit der Beton sogar klinkerfrei realisiert wurde. Dieses Projekt stellt die erste Verwendung einer solchen Bindemittelart im Hochbau in Deutschland dar – der Anfang ist also gemacht.

Vielen Dank für das Gespräch.