Master X-Seed STE 35: Festigkeitssteigerndes Betonzusatzmittel für nachhaltige Hohlkörperdecken

Die Herstellung von vorgespannten Hohlkörperdecken erfolgt im Werk auf langen Bahnen (120-150 m), auf denen Spannkabel verlegt, entsprechend verteilt und gespannt werden. Das Gießen des Betons erfolgt kontinuierlich mit Hilfe spezieller Maschinen (hauptsächlich Extruder und Slipformer). Die beiden Maschinentypen unterscheiden sich durch ihre Arbeitsweise und damit durch die auf den Beton wirkenden Kräfte. Aufgrund der unterschiedlichen Verdichtungsprozesse von Extrudern und Slipformer kann die Rezeptur für die Herstellung von Hohlkörperdecken stark variieren.

Bei der Herstellung von Hohlkörperdecken mit einem Extruder enthält die Betonmischung in der Regel eine geringere Menge an Zement pro Kubikmeter Beton (im Bereich von 300-360 kg/m³) und einen niedrigeren Wasser-Zement-Wert. Wird stattdessen ein Slipformer verwendet, basiert die Mischung meistens auf einer höheren Zementdosierung (im Bereich von 380-450 kg/m³) und einem höheren Wasser-Zement-Wert. In beiden Fällen zwingt die Notwendigkeit, die Platten für gewöhnlich nach etwa 16 Stunden zu schneiden, um die erforderliche Produktionsleistung zu erreichen, die Hersteller von Hohlkörperdecken dazu, CEM I 52.5 R mit einem Klinkeranteil von mehr als 95 % in ihren Betonmischungen zu verwenden. Da Klinker der Hauptverursacher von CO₂-Emissionen im Beton ist, wirkt sich dies folglich negativ auf den im Betonelement gebundenen Kohlenstoff aus. Trotz des geringen Anteils von Klinker pro Kubikmeter Beton, welcher in der Regel 10-15 % beträgt, ist Klinker für mehr als 90 % der CO₂-Emissionen von Betonmischungen verantwortlich. Die Senkung des Klinkeranteils im Beton ist von entscheidender Bedeutung, um die Herstellung von Hohlkörperdecken in Zukunft nachhaltiger zu gestalten und die ehrgeizigen CO₂-Reduktionsziele bis hin zur Klimaneutralität bis 2050 des europäischen Green Deals zu erreichen. Die Möglichkeit, die CEM I-Dosierung zu reduzieren und/oder durch klinkerreduzierte Zementsorten oder ergänzende Zusatzstoffe (SCMs) zu ersetzen, bietet erhebliche Potenziale bei der Reduzierung des gebundenen Kohlenstoffs von Hohlkörperdecken. Dies führt jedoch zu erheblichen Leistungsproblemen, insbesondere bei der Entwicklung der Früh- und Endfestigkeit.

Als führender Anbieter von Betonzusatzmitteln mit mehr als 100 Jahren Erfahrung auf diesem Gebiet will Master Builders Solutions diese Nachteile abmildern und dazu beitragen, das mit klinkerreduzierten Beton verbundene CO₂-Reduktionspotenzial voll auszuschöpfen. Das neu entwickelte festigkeitssteigernde Zusatzmittel Master X-Seed STE 35 ermöglicht eine Optimierung der Betonmischung und fördert so nachhaltiges Bauen. Master X-Seed STE 35 fördert die Zementhydratation und verbessert das Wachstum der Calciumsilikathydratkristalle. Das Zusatzmittel beschleunigt die Hydratation im frühen (16-18 Stunden), mittleren und späten Alter (14-28 Tage) erheblich und sorgt für die optimalen mechanischen Eigenschaften, die zur Optimierung des Klinkeranteils erforderlich sind. Im Folgenden werden zwei Fälle beschrieben, in denen der Einsatz von Master X-Seed STE 35 erfolgreich zur Reduzierung des Klinkeranteils beigetragen hat, ohne die Frischbeton- sowie die Erhärtungseigenschaften von Hohlkörperdeckenmischungen negativ zu beeinflussen.

Fall 1 – CEM I 52,5 R Reduktion

In diesem Beispiel verwendet der Hersteller von Hohlkörperdecken einen CEM I 52,5 R-Zement. Bei der Maschine handelt es sich um einen Extruder, der mit der trockenen Betonmischung mit 0 cm Fließmaß arbeitet (Abbildung 1). Der hohe Zementanteil in der Referenzmischung ist darauf zurückzuführen, dass der Test im Winter durchgeführt wurde (Außentemperatur von 5°C) und im Werk kein Heizsystem vorhanden war. Außerdem wird in der Betonmischung kein Fließmittel verwendet. In der klinkerarmen Betonmischung wurden 50 kg/m³ Zement durch eine äquivalente Menge an Sand ersetzt. Darüber hinaus wurde Master X-Seed STE 35 in einer Dosierung von 1 % des Zementgewichts zugesetzt, um die Festigkeitsentwicklung zu fördern. Der Wassergehalt wurde angepasst, um den Wasser-Zement-Wert beizubehalten und die gleiche Extrusionsfähigkeit zu gewährleisten (Tabelle 1).

Das gesamte Treibhauspotenzial (GWP ges) wird auf der Grundlage von Ecoinvent 3.8-Datensätzen und durchschnittlichen EPDs der Branche geschätzt, wobei für diese Berechnungen die Rohstoffversorgung (A1), der Transport (A2) und die Herstellung (A3) berücksichtigt werden. Mit der klinkerarmen Betonmischung sind Einsparungen von 37 kg CO₂ eq/m³ möglich, was einer Reduzierung der CO₂-Emissionen um 10 % entspricht.

Trotz des geringeren Zementleimanteils in der klinkerreduzierten Betonmischung konnte das Element mit der gleichen Geschwindigkeit (ca. 1,5 m/min) wie die Referenz und mit gleichwertiger Verarbeitung extrudiert werden (Abbildung 2).

Aufgrund der Wirkungsweise von Master X-Seed STE 35 hat die Reduzierung des Zementgehalts in der klinkerreduzierten Betonmischung keinen Einfluss auf die Druckfestigkeit, die an Betonwürfeln von 15x15x15 cm gemäß EN 12390-3 gemessen wurde (Abbildung 3). Die Werte der klinkerarmen Betonmischung sind sogar höher als die der Referenzmischung, sowohl im frühen Alter als auch nach 28 Tagen.

Fall 2 – Teilweiser Ersatz von CEM I 52,5 R durch CEM IV/A (V) 42,5 R

Wie im vorangegangenen Beispiel gezeigt, kann eine Verringerung des Zementanteils zu CO₂-Einsparungen in der Größenordnung von 10 % führen, die direkt proportional zur verringerten Zementmenge sind. Um den CO₂-Fußabdruck bei der Herstellung von Hohlkörperdecken weiter zu reduzieren, ist es möglich, CEM I 52,5 R teilweise durch eine klinkerreduzierte Zementsorte zu ersetzen.

Im zweiten Fall wurde CEM I 52,5 R vom Hersteller der Hohlkörperdecken teilweise durch CEM IV/A (V) ersetzt, wobei die gleiche Gesamtmenge an Zement wie in der Referenzmischung verwendet wurde. Die verwendete Maschine ist ebenfalls ein Extruder und die Betonkonsistenz hat ein Fließmaß von 0 cm. Tabelle 2 zeigt die Rezeptur der Referenzmischung und der klinkerreduzierten Betonmischung. In letzterer werden 55 % des CEM I 52,5 R-Zements durch CEM IV/A (V) 42,5 R ersetzt. Zusätzlich werden der Wassergehalt und die Fließmitteldosierung geringfügig angepasst, um die ordnungsgemäße Extrudierbarkeit des Betons zu gewährleisten. Master X-Seed STE 35 wird mit 1 % des Gesamtbindemittelgewichts zugesetzt, um die Festigkeitsentwicklung zu fördern. Die CO₂-Reduzierung im Vergleich zur Referenzmischung beträgt etwa 20 %. In diesem Fall wurde die GWP-Bewertung unter Berücksichtigung der spezifischen EPDs der beiden Zementsorten durchgeführt.

Wie in Beispiel 1 wurde das mit der klinkerarmen Betonmischung hergestellte Element mit der gleichen Geschwindigkeit (etwa 1,3 m/min) wie die Referenz und mit einer gleichwertigen Verarbeitung extrudiert. Die teilweise Substitution von CEM I durch CEM IV/A (V) würde jedoch eine große Herausforderung in Bezug auf die Festigkeitsentwicklung darstellen. Dank der Verwendung von Master X-Seed STE 35 in der Betonrezeptur hat der teilweise Ersatz von CEM I durch CEM IV in der klinkerarmen Betonmischung keinen Einfluss auf die Druckfestigkeit, die an Betonwürfeln von 15x15x15 cm gemäß EN 12390-3 bestimmt wurde (Abbildung 4). Die Werte der klinkerreduzierten Betonmischung sind mit denen der Referenzmischung vergleichbar, sowohl im frühen Alter als auch nach 28 Tagen.

Schlussfolgerung

Master X-Seed STE 35 ist ein, festigkeitssteigerndes Betonzusatzmittel, das in den F&E-Laboren von Master Builders Solutions entwickelt wurde. Durch seinen einzigartigen Wirkmechanismus optimiert Master X-Seed STE 35 die Betonmischung und unterstützt auf diese Weise nachhaltiges Bauen. Die festigkeitssteigernde Eigenschaft des Zusatzmittels ermöglicht es, den Gesamtklinkergehalt der Betonmischung zu reduzieren, während die gleiche Druckfestigkeit wie beim Referenzbeton beibehalten wird  ̶  mit entsprechenden Vorteilen bei der CO₂-Reduzierung. Aus diesem Grund wird Master X-Seed STE 35 speziell für die Herstellung nachhaltiger Fertigteile und Betonwaren (MCP) empfohlen und eignet sich insbesondere für die Produktion von Hohlkörperdecken.

Um seine Kunden bei der Bewältigung der Herausforderungen der steigenden Energiekosten und der Notwendigkeit kohlenstoffarmer Betonrezepturen in der Bauindustrie weiter zu unterstützen, hat Master Builders Solutions ein neues Analysetool namens ECO²NOW™ (Abbildung 5) entwickelt. Mit Hilfe dieses Tools lassen sich Betonrezepturen in Bezug auf den gebundenen Kohlenstoff (CO₂-Emissionen) und die Kosten vergleichen und optimieren. Mit dieser umfassenden Lösung schließt Master Builders Solutions eine Marktlücke und ermöglicht ökologische und wirtschaftliche Vergleiche von Betonrezepturen.