Nachhaltiges Bauen: Tunnelaushub als neuer Betonzusatz

„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. Um diesen Rohstoff bei der Zementherstellung einzusparen und somit die Ökobilanz zu verbessern, setzen wir auf einen alternativen Rohstoff: calcinierte, also temperaturbehandelte Tone. Diese sind in der Herstellung deutlich energieärmer und weniger CO2-intensiv“, so Prof. Dr. Björn Siebert.

Geotechnische Charakterisierung und Calcinierung des Materials

Im Rahmen des Projekts TOFFEE wurden drei verschiedene Tonarten – der Pariser Mergel, der Frankfurter Ton und der London Clay – hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften analysiert. Diese Materialien stammen aus dem Tunnelbau in den jeweiligen Städten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der geotechnischen Charakterisierung des Ausbruchmaterials sowie auf der Optimierung des Herstellungsprozesses der kalzinierten Tone.

Die Wissenschaftler:innen der TH Köln analysierten das Aushubmaterial zunächst in seiner Rohform, um dessen Eignung für die Calcinierung zu bewerten. Anschließend wurde das Material in einem Trockenofen bei 105 Grad Celsius vorbehandelt, gesiebt und gemahlen. Im nächsten Schritt wurde der Ton bei 800 Grad Celsius gebrannt, wobei die organischen Bestandteile verbrannten und das Wasser verdampfte. Diese Prozesse führten zu strukturellen Veränderungen des Tons, die ihn reaktionsfähiger und widerstandsfähiger machten.

Prüfung der Festigkeit des calcinierten Materials

„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“, sagt Prof. Dr. Christoph Budach. Prof. Siebert überprüfte und klassifizierte die Probewürfel anschließend im Labor für Baustofftechnik mithilfe einer Hydraulikpresse, um ihre Festigkeitseigenschaften zu testen.

Baustofftechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass Mischungen, in denen 10 Prozent des Zements durch calcinierte Tone ersetzt werden, keinen signifikanten Festigkeitsverlust aufweisen. Auch bei höheren Anteilen von bis zu 40 Prozent erhöhen die gebrannten Tone die Festigkeit, was als puzzolanische Eigenschaft bekannt ist. Da die Festigkeitsentwicklung langsamer verläuft als bei herkömmlichem Zement, wird der Beitrag der calcinierten Tone mit zunehmendem Alter des Betons deutlicher. Ein weiterer positiver Aspekt des Forschungsprojektes ist, dass calcinierte Tone aus Tunnelausbruchmaterial im Vergleich zu marktüblichen Varianten einfacher zu verarbeiten 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“, so Siebert.