Wo Tunnel entstehen, fallen zwangsläufig enorme Mengen an Boden- und Felsmaterial an. Ein Teil des Aushubs lässt sich schon heute weiterverwenden, etwa im Straßen- oder Erdbau. Bindige Böden wie Ton oder Schluff sind dagegen deutlich schwieriger zu verwerten und werden meist deponiert. Allein in Deutschland fallen durch Tunnelbauprojekte jährlich mehr als 4 Mio. t Ausbruchmaterial an.
Nach Angaben des Umweltbundesamts verursacht die Zementherstellung rund 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen.Hauptursache ist der Zementklinker, für dessen Herstellung Rohstoffe bei ca. 1450 °C gebrannt werden. Emissionen entstehen dabei nicht nur durch den Energieaufwand, sondern auch durch die chemische Umwandlung des Kalksteins selbst. Entsprechend groß ist das Interesse an alternativen Bindemitteln, die einen Teil des Klinkers ersetzen können.
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Ausbruchmaterial soll zum Baustoff werden
Das Forschungsprojekt Geo-BAB der TH Köln will einen Beitrag leisten, dieses Problem zu entschärfen. Gemeinsam mit der Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen (STUVA) sowie den Praxispartnern IMM Maidl & Maidl Beratende Ingenieure, Brameshuber + Uebachs Ingenieure und MC-Bauchemie Müller untersuchen die Projektpartner, wie sich Boden- und Felsmaterial aus Tunnelbaustellen zu einem nachhaltigen Zementersatz aufbereiten lässt. Ziel ist es, Primärrohstoffe einzusparen und den CO₂-Fußabdruck von Baustoffen zu senken.
Im Fokus der Forschung steht die thermische Aktivierung der enthaltenen Tonminerale durch ein Verfahren, das dem Prinzip der Kalzinierung entspricht und auch bei der Herstellung von calciniertem Ton für LC3-Zemente genutzt wird. Dafür wird das tonhaltige Material zunächst getrocknet, fein aufbereitet und anschließend thermisch behandelt. Durch diese gezielte Erhitzung verändert sich die Kristallstruktur der enthaltenen Tonminerale. Sie entwickeln sogenannte puzzolanische Eigenschaften und können später mit Kalk reagieren – eine Voraussetzung dafür, einen Teil des Zementklinkers zu ersetzen.
Neben der Klinkerreduzierung untersucht Geo-BAB auch einen zweiten Weg: vollständig zementfreie Bindemittel. Dabei soll die Festigkeitsentwicklung nicht über Zement, sondern durch sogenannte Aktivatoren wie bspw. Wasserglas ausgelöst werden.
Unterschiedliche Böden, unterschiedliche Eigenschaften
Die Idee, Tonminerale als Zementersatz zu nutzen, ist grundsätzlich nicht neu. Ein häufiges Problem ist allerdings, dass Ausbruchmaterial aus Tunnelbaustellen keine gleichbleibende Qualität aufweist. Je nach Geologie unterscheiden sich Zusammensetzung und Eigenschaften der Böden teils erheblich. Damit sich daraus ein zuverlässiger Baustoff herstellen lässt, muss das Material zunächst genau analysiert werden.
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Dazu untersuchen die Forschenden Locker- und Festgesteine aus dem deutschen Mittelgebirgsraum, aus Metropolregionen sowie von internationalen Großbaustellen. Ziel ist ein Verfahren, das unabhängig von der Herkunft des Ausgangsmaterials einen konstanten, qualitativ hochwertigen Zementersatz liefert.
Aufbereitung direkt auf der Tunnelbaustelle
Damit aus der Forschung ein Verfahren für die Baustelle wird, untersucht die Projektgruppe auch die praktische Umsetzung. Statt das Material über weite Strecken zu transportieren, soll es künftig möglichst direkt an der Tunnelbaustelle aufbereitet werden. Das würde Zeit, Transportkosten und zusätzliche CO₂-Emissionen sparen.
Für die daraus gewonnenen Baustoffe sehen die Forschenden mehrere Anwendungsfelder:
- Ringspaltmassen im Tunnelbau – der Bereich zwischen Tunnelwand und umgebendem Gebirge bzw. Boden
- Betonpflastersteine für den Garten- und Landschaftsbau
- Ballastierungsbeton im Wasserbau
Der Ansatz könnte dabei mehrere Probleme gleichzeitig lösen:
- Weniger Deponien: Ein größerer Anteil des Ausbruchmaterials könnte wiederverwendet werden, wodurch Entsorgungsmengen und der Bedarf an Deponieraum sinken würden.
- Schonung natürlicher Ressourcen: Aufbereiteter Tunnelaushub könnte einen Teil des bislang benötigten Zementklinkers ersetzen und damit den Verbrauch natürlicher Rohstoffe reduzieren.
- Weniger CO₂-Emissionen: Durch den geringeren Klinkerbedarf und kürzere Transportwege könnten die klimarelevanten Emissionen der Baustoffherstellung und Logistik verringert werden.
Vom Entsorgungsproblem zur Ressource
Noch befindet sich Geo-BAB in der Forschungsphase. Das auf zwei Jahre angelegte Projekt wird im Rahmen des „Innovationsprogramms Straße“ von der Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen (BASt) mit rund 650.000 Euro gefördert. In dieser Zeit wollen die Projektpartner die technischen Grundlagen schaffen, um Ausbruchmaterial aus Tunnelbaustellen gezielt aufzubereiten und für verschiedene Anwendungen im Bauwesen nutzbar zu machen.
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Gelingt das, könnte sich die Rolle des Tunnelaushubs grundlegend wandeln: vom Entsorgungsproblem zum gefragten Rohstoff für klimafreundliche Baustoffe – und damit zu einer Antwort auf gleich zwei Herausforderungen der Bauwirtschaft: weniger Abfall, weniger CO₂.
Quellen
- TH Köln – Presseinformation
- Umweltbundesamt – Material- und Energieeffizienz in der Zementindustrie
- STUVA – Tunnelbau in Deutschland
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