title: 11. Jahrestagung des DAfStb mit 63. Forschungskolloquium der BAM - Beiträge zum 63. Forschungskolloquium Green Intelligent Building am 16. und 17. Oktober 2024
Creators: name: Deutscher Ausschuss Für Stahlbeton (DAfStb)
Publisher: name: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Year: 2024
Subjects: subject: 624 Ingenieurbau

description: Zentrale gesellschaftliche Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte sind der Klima- und Ressourcenschutz, insbesondere mit der Zielsetzung einer erheblichen Reduktion der Treibhausgasemissionen. Hierbei kommt dem Bauen eine besondere Bedeutung zu. Nach Angaben des UN Environment Programme ist der Bausektor für ca. 37 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich, wobei allein die Zementherstellung etwa 8 % der jährlichen Gesamtemissionen verursacht. Da in vielen Industriesektoren in naher Zukunft deutlich verminderte CO2-Emissionen zu erwarten sind, wird sich ohne schnelle und effiziente Entwicklungen der prozentuale Anteil der Zementherstellung an den Gesamtemissionen zukünftig noch deutlich erhöhen.

Auch hinsichtlich des Ressourcenbedarfs im Bausektor steht die Weltgemeinschaft vor gewaltigen Herausforderungen, da der globale Trend zur Urbanisierung in Verbindung mit dem Bevölkerungswachstum in vielen Regionen eine dramatische Fortsetzung findet. Nach UN-Schätzungen werden im Jahr 2030 ca. 60 % aller Menschen in Städten leben. Schätzungen gehen davon aus, dass neben den heutigen Megastädten neue Zentren bisher unbekannten Ausmaßes insbesondere auf dem afrikanischen Kontinent entstehen werden (z. B. Lagos: 88 Mio. Einwohner, Kinshasa: 83 Mio., Daressalam: 74 Mio.). Die geografische Lage und die klimatischen Bedingungen bestimmen die Anforderungen und Probleme. Neben dem Neubau, der vor allem zentrales Thema in den aufstrebenden Zentren des globalen Südens sein wird, spielt auch das Bauen im Bestand im globalen Norden eine zentrale Rolle vor dem Hintergrund der Erreichung der Klima- und Nachhaltigkeitsziele.

Bauwerke, z. B. als Wohnraum oder als bauliche Infrastruktur für Produktions-, Mobilitäts- und Konsumprozesse, haben seit Generationen eine zentrale Bedeutung bei der Sicherung elementarer Bedürfnisse der Menschen. Am Beispiel Deutschland lässt sich feststellen, dass aufgrund der Vielzahl und Größe der Gebäude die Bauwirtschaft der größte Verursacher von Stoffströmen ist. Neben den umgesetzten Materialmengen und benötigten Energieressourcen stammen zusätzlich auch nahezu 50 % des deutschen Reststoffaufkommens aus dem Baubereich. Das Bauwesen und die hier verwendeten Bauprodukte weisen sowohl unter materialtechnischer als auch mengenmäßiger Betrachtung ein weitgehend nicht ausgeschöpftes Potential bei der Verwendung rezyklierter Baustoffe und zusätzlich vorhandener, bisher ungenutzter industrieller Reststoffe als hochwertige Ersatzbaustoffe auf.

Die zunehmenden Klimawandelfolgen fördern das gesellschaftliche Bewusstsein für die Auswirkungen anthropogener Aktivitäten auf unsere Umwelt und die regulierenden Eigenschaften der Natur. Naturbasierte und biomimetische Lösungen wie z. B. neue Möglichkeiten der Begrünung von Gebäudehüllen oder die gezielte Verbesserung der Wasserdurchlässigkeit versiegelter städtischer Flächen können das Stadtklima deutlich verbessern und die Resilienz gegenüber Extremwetterereignissen erhöhen.

Auch wenn zukünftig vermehrt nachwachsende und rezyklierte Stoffe Eingang in die Bauprozesse finden werden, wird aus heutiger Sicht ein großer Teil der Materialen und Bauteile weiterhin zementbasiert, d. h. aus Beton oder Mörtel, sein. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der Kombination der vielfältigen günstigen Merkmale wie Form- und Gestaltbarkeit, Langlebigkeit, Robustheit, Flexibilität, Schallschutz, Wärmespeicherung, Nichtbrennbarkeit und der Umweltverträglichkeit. Hieraus ergibt sich die zwingende Notwendigkeit, die mit der Herstellung und der Verwendung von Beton und Mörtel bzw. ihrer Ausgangsstoffe verbundenen CO2-Emissionen idealerweise auf null zu senken. Hierzu werden von Wissenschaft und Industrie bereits seit Jahrzehnten erhebliche Anstrengungen unternommen, jedoch findet der Wandel hin zu nachhaltigeren Baustoffen und Bautechniken in der Praxis nur schleppend statt. Die Ursachen hierfür sind vielfältig, und dementsprechend kann eine signifikante Senkung der CO2-Emissionen durch den Bausektor nur erreicht werden, wenn eine Vielzahl von Strategien und Ansätzen untersucht und nach einer validen Bewertung und Evaluationsphase umgesetzt werden. Eine singuläre, allumfassende Lösung der adressierten Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsfragen im Bausektor kann und wird es nicht geben. Vielmehr ist die Entwicklung breit gefächerter Baukästen diverser, bauaufsichtlich geregelter Lösungsansätze insbesondere auf den Gebieten klimaschonender Baustoffe, Ressourcenschonung und angepasster bzw. innovativer Technologien erforderlich.

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) verfügt über mehr als 150 Jahre Erfahrung mit Bau- und Werkstoffen aller Art mit einem Schwerpunkt auf sicherheits- und dauerhaftigkeitsrelevanten Fragestellungen. Die generelle Festlegung der Forschungsthemen wird im Rahmen dieser grundlegenden Aufgabenstellung regelmäßig überprüft und auf die gesellschaftlich relevanten Fragestellungen ausgerichtet. Neben einer vorrangig anwendungsorientierten Forschung legen wir Wert darauf, unsere im Forschungsbereich erzielten Ergebnisse durch Technologietransfer und Mitwirkung in Standardisierung und Normung in die praktische Anwendung zu überführen.

Die mittelfristige Festlegung unserer Forschungsschwerpunkte erfolgt in enger Abstimmung mit allen Interessengruppen. Im stark fragmentierten Bausektor mit ca. 80% Umsatzanteil kleinerer und mittlerer Unternehmen (KMU) sowie kleinteilig gegliederter Prozessketten mit wirtschaftlich voneinander unabhängigen Beteiligten (Planer, Baustoffhersteller, Bauunternehmer, Handwerker) sind dies vorrangig Forschungs- und Industrieverbände sowie Regelsetzungsgremien auf nationaler und internationaler Ebene. Die Umsetzung dieser Umfeldbetrachtungen in konkrete Aktivitäten erfolgt in BAM-internen, bereichsübergreifenden Strategieworkshops. In diesen wird auch die Anbindung der Material- und Technologiethemen an angrenzende Themenbereiche wie z. B. Fire Science, Additive Fertigung oder Leichtbau sichergestellt.

Speziell auf dem Gebiet der Betonbauweisen haben wir auf diese Weise Forschungsschwerpunkte festgelegt, in welchen wir uns auf Basis unserer speziellen Kompetenzen eine besonders große Hebelwirkung unserer Ergebnisse auf die übergreifenden gesellschaftlichen Bedarfe versprechen. Somit liegt unser Fokus entsprechend unserer materialwissenschaftlichen Grundausrichtung auf dem Einsatz klimaschonender Materialen und Verarbeitungsprozesse, den Fragen der Ressourcenschonung, der Dauerhaftigkeit und Kreislaufwirtschaft und auf den technologischen Innovationen zum sicheren und produktiven Einsatz der Materialien. Unsere diesbezüglichen Forschungs- und Entwicklungsthemen haben wir zusammengefasst unter der Überschrift Green Intelligent Building.

Für kurz- bis mittelfristig umsetzbare CO2-Einsparungen untersuchen wir, wie durch thermische Behandlung (Calcinierung) von Tonen Zementkomponenten mit ausreichend hoher Reaktivität hergestellt werden können. Da potenziell geeignete Tone weltweit in sehr großer Menge zur Verfügung stehen, können insbesondere solche calcinierten Tone einen nennenswerten Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen leisten. Darüber hinaus werden an der BAM verschiedene industrielle Reststoffe und biogene Aschen hinsichtlich ihrer Eignung als Zementkomponenten analysiert. Mit unserer Forschung wollen wir relevant zum übergreifenden Ziel der Bundesregierung hinsichtlich eines klimaneutralen Gebäudesektors bis zum Jahr 2045 beitragen.

Langfristig können die mit der Bindemittelherstellung verbundenen CO2-Emissionen am stärksten gesenkt werden, indem Bindemittel ohne Portlandzementklinker („alternative Zemente“) verwendet werden. Zu diesen gehören u. a. Calciumsulfoaluminatzemente, Magnesiabinder sowie alkalisch aktivierte Bindemittel. Einige dieser Bindemittel lassen sich potenziell CO2-neutral oder nahezu CO2-neutral herstellen. An der BAM werden insbesondere alkalisch aktivierte Bindemittel untersucht, wobei neben der CO2-armen Herstellung auch die hervorragende technische Eignung in bestimmten Einsatzgebieten, wie z. B. in Reparaturmaterialien für Abwassersysteme, sowie der Einsatz als Stabilisator für Lehmbaustoffe im Fokus steht. Ein weiteres aktuelles Arbeitsfeld mit potenziell großem CO2-Einsparpotential ist der Einsatz von Biokohle als Zusatzstoff in Beton.

Auf dem Gebiet des ressourcenschonenden Bauens forschen wir entsprechend unserem übergeordneten Auftrag „Sicherheit in Technik und Chemie“ insbesondere an der Wiederverwertung von Materialen mit konkreten Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit. Im Hinblick auf die wesentlichen Massenströme arbeiten wir an sicheren Technologien für mineralische Bindemittel sowie sekundäre Gesteinskörnungen für Mörtel und Beton. Hierbei werden neben der umweltschonenden Wiederverwendung von Massenreststoffen auch wertvolle Ressourcen aus industriellen Reststoffströmen extrahiert und in neuen Baustoffen zielgerichtet eingesetzt wie z. B. Gipsabfälle, EOS- und LD-Schlacken, Papierasche oder biobasierte Reststoffe. Hieraus werden neue klimafreundliche Baustoffe, Gesteinskörnungen, Bindemittelsysteme, Zusatzstoffe und Zusatzmittel entwickelt und analysiert. Es geht um die stoffliche Bewertung und Weiterentwicklung dauerhafter, umweltsicherer und klimafreundlicher Baustoffe, wozu auch die Erforschung von Herstellungsstrategien, Schädigungsmechanismen und die Entwicklung von Performancekonzepten gehört. Zusammen mit Industrie- und Forschungspartnern werden gegenwärtig und zukünftig Forschungsprojekte, die zur Ressourcenschonung und Einsparung von CO2-Emissionen im Bauwesen beitragen, bearbeitet. Weitere Arbeiten zielen darauf ab, die Kreislaufwirtschaft durch digitale Innovationen, den Einsatz von KI und die Entwicklung digitaler Produktpässe zu fördern. Über die Mitarbeit in nationalen und internationalen Gremien bei der Normung und Regelsetzung in den Bereichen Kreislaufwirtschaft und für verschiedene Bauprodukte fördern wir den Wissenstransfer zwischen Forschung und Industrie.

Eine weitere Strategie zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Minimierung der Umweltwirkungen der Bauwirtschaft bietet die Entwicklung innovativer Technologien und Bauteile. An der BAM wird insbesondere an der additiven Fertigung (3D-Druck) mineralischer Baustoffe, der Anwendung hochwiderstandsfähiger Instandsetzungssysteme, dem Einsatz innovativer Materialien in funktionalen Fassaden und digitalen Verfahren zur Prozessoptimierung geforscht. Ein Beitrag zum klimaschonenden Bauen wird dabei sowohl durch neue Möglichkeiten des Designs, verbunden mit Materialeinsparungen oder der intelligenten Integration weiterer Funktionalitäten erreicht als auch durch eine erhöhte Dauerhaftigkeit der Materialien verbunden mit einer Lebensdauerverlängerung der Bauwerke.

Die BAM beschäftigt sich mit der Optimierung unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren sowohl der Pulverbett- als auch der Extrusionstechnologie. Dabei steht die ganzheitliche Betrachtung des neuen Fertigungsprozesses im Fokus, die die Entwicklung klimaschonender Druckmaterialien, die gezielte Optimierung der rheologischen Eigenschaften von mineralischen Baustoffsystemen, die kontinuierliche Prozessüberwachung mittels In-Situ-Monitoring, die Prozesssteuerung durch digitale Modelle sowie die abschließende Qualitätskontrolle vereint. Durch die ganzheitliche Betrachtung des Fertigungsprozesses werden zentrale Grundlagen geschaffen, um für die großtechnische Anwendung zukünftige Normen und Standards für den 3D-Betondruck zu erarbeiten und der Industrie bereitzustellen.

Digitale modell- und/oder datenbasierte Methoden spielen grundsätzlich eine entscheide Rolle bei der Optimierung von Prozessen und Strukturen. Sie ermöglichen eine virtuelle Produktentwicklung von baustoff- oder strukturoptimierten Bauteilen sowie Prozessen und tragen damit wesentlich zur Steigerung der Ressourceneffizienz bei. Die Grundlage bilden Modelle, die das Material-, Struktur- oder Prozessverhalten abhängig von bestimmten Parametern (zum Beispiel Zeit, Temperatur, Zusammensetzung, Belastung) vorhersagen. Basierend auf gemessenen Daten werden die Modelle kontinuierlich verbessert, so dass ein virtueller Zwilling entsteht. Neben der Entwicklung solcher Zwillinge für unterschiedliche Anwendungen werden an der BAM Methoden entwickelt, die zusätzlich die Unsicherheiten sowohl in den Messdaten als auch im Modell berücksichtigen und eine Bewertung der Prognosequalität der Zwillinge erlauben. Dies schafft die Grundlage zur Verwendung in Standards und Normen.