Tunnel-Aushubmaterial als Beton-Zusatzstoff
Herkömmlicher Beton enthält 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. Um diesen Rohstoff bei der Zementherstellung einzusparen und somit die Ökobilanz zu verbessern, setzen Forschende der TH Köln auf calcinierte, das heißt temperaturbehandelte Tone aus Tunnel-Aushubmaterial.
Im Projekt „Toffee“ untersuchte das Team um Prof. Dr. Christoph Budach und Prof. Dr. Björn Siebert drei verschiedene Tonarten auf ihre Materialeigenschaften: Pariser Mergel, Frankfurter Ton und London Clay. Alle Materialien stammen von Tunnelbauarbeiten in den jeweiligen Städten. Hauptaugenmerk der Untersuchung lag auf der geotechnischen Charakterisierung des Aushubmaterials und der Optimierung des Prozesses, um daraus calcinierte Tone herzustellen. Die Forschenden der TH Köln beschrieben das Aushubmaterial zunächst in Rohform, um so die Eignung für eine Calcinierung festzustellen. Es folgte eine Vorbehandlung im Trockenofen bei 105 Grad Celsius sowie Siebung und anschließendes Mahlen des Materials. In einem weiteren Schritt wurde der Ton bei 800 Grad Celsius calciniert, sodass die darin enthaltenen organischen Materialien verbrannt wurden und Wasser verdampfte. Dadurch entstehen strukturelle Veränderungen im Ton; er wird reaktiv und festigkeitsbildend.
Eine CO2-arme Alternative
„Um herauszufinden, wie leistungsfähig der von uns calcinierte Ton als Bindemittel im Beton ist, haben wir Probewürfel mit unterschiedlichem Zement-Ton-Verhältnis hergestellt. Die Spannweite reichte hier von 100 Prozent Zement und null Prozent Ton bis zu einem Anteil von 60 Prozent Zement und 40 Prozent Ton“, berichtet Christoph Budach. Diese Probewürfel wurden im Labor für Baustofftechnik anschließend von Björn Siebert mittels einer Hydraulikpresse auf ihre Festigkeitseigenschaften geprüft und klassifiziert.
Die baustofftechnologischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Mischungen mit zehnprozentigem Ersatz von Zement durch calcinierten Ton keinen signifikanten Festigkeitsverlust aufweisen. Auch bei höheren Anteilen des Bindemittels bis 40 Prozent wirken sich die calcinierten Tone festigkeitssteigernd aus, was als puzzolanische Eigenschaft bezeichnet wird. Aufgrund der gegenüber herkömmlichem Zement langsameren Festigkeitsentwicklung wird der Festigkeitsbeitrag von calcinierten Tonen umso deutlicher, je älter der Beton ist. Als weiterer positiver Effekt wurde festgestellt, dass die calcinierten Tone aus Tunnelaushubmaterial im Vergleich zu marktüblichen calcinierten Tonen leichter verarbeitbar sind. „Unsere Analyse verdeutlicht, dass calcinierte 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“, konstatiert Siebert.
(Erschienen im EU-Recycling Magazin 10/2024, Seite 36, Foto: Benedict Bremert/TH Köln)
