Tunnelaushub als Rohstoff für klimafreundliche Baustoffe

Beim Tunnelbau entstehen große Mengen an Boden und Fels. Ein Forschungsprojekt der TH Köln untersucht, wie sich insbesondere tonhaltiges Ausbruchmaterial aufbereiten und als Zementersatz nutzen lässt. Ziel sind neue Verwertungswege, weniger Primärrohstoffe und geringere CO₂-Emissionen.

Beim Tunnelbau fallen in Deutschland jährlich mehr als 4 Mio. t Ausbruchmaterial an. Ein Teil davon kann bereits heute im Straßen- und Erdbau eingesetzt werden. Für bindige Böden wie Ton und Schluff fehlen dagegen häufig geeignete Verwertungswege. Sie werden deshalb vielfach abtransportiert und deponiert. Gleichzeitig benötigt die Herstellung von Zement große Mengen an Energie und verursacht erhebliche CO₂-Emissionen. Nach Angaben des Umweltbundesamts entfallen rund 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen auf die Zementherstellung.

Vor diesem Hintergrund untersucht das Forschungsprojekt Geo-BAB der TH Köln, ob sich Tunnelausbruch gezielt zu einem Ausgangsstoff für alternative Bindemittel aufbereiten lässt. Beteiligt sind neben der TH Köln die Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen (STUVA) sowie die Praxispartner IMM Maidl & Maidl Beratende Ingenieure, Brameshuber + Uebachs Ingenieure und MC-Bauchemie Müller.

Tonminerale als Ausgangsstoff

Im Mittelpunkt steht die thermische Aktivierung von Tonmineralen. Das Verfahren orientiert sich am Prinzip der Kalzinierung, das auch bei der Herstellung von calciniertem Ton für LC3-Zemente eingesetzt wird. Dabei wird das tonhaltige Material zunächst getrocknet und fein aufbereitet. Anschließend erfolgt eine gezielte thermische Behandlung.

Durch die Erwärmung verändert sich die Kristallstruktur der Tonminerale. Dadurch können sogenannte puzzolanische Eigenschaften entstehen. Puzzolane reagieren in Gegenwart von Wasser mit Calciumhydroxid und bilden dabei festigkeitsbildende Reaktionsprodukte. Auf diese Weise können geeignete mineralische Ausgangsstoffe einen Teil des Zementklinkers ersetzen.

Die Klinkerherstellung ist für einen wesentlichen Teil der Emissionen der Zementproduktion verantwortlich. Neben dem Energiebedarf spielt dabei die chemische Zersetzung von Kalkstein eine Rolle. Eine Verringerung des Klinkeranteils kann deshalb grundsätzlich sowohl den Rohstoff- als auch den Energiebedarf und damit die mit der Zementherstellung verbundenen Emissionen reduzieren.

Geo-BAB untersucht darüber hinaus einen zweiten Ansatz. Dabei sollen vollständig zementfreie Bindemittel entwickelt werden. Die Festigkeitsentwicklung wird in diesem Fall durch sogenannte Aktivatoren ausgelöst. Zu den untersuchten Stoffen gehört beispielsweise Wasserglas.

Die Zusammensetzung des Aushubs entscheidet

Eine zentrale Herausforderung liegt in der unterschiedlichen Zusammensetzung des Tunnelausbruchs. Boden und Fels weisen abhängig von ihrer geologischen Herkunft unterschiedliche mineralogische und chemische Eigenschaften auf. Nicht jedes Material enthält ausreichend geeignete Tonminerale und nicht jeder Ausgangsstoff lässt sich mit demselben Verfahren aufbereiten.

Die Forschenden untersuchen deshalb unterschiedliche Locker- und Festgesteine aus dem deutschen Mittelgebirgsraum, aus Metropolregionen und von internationalen Großbaustellen. Die Materialanalysen bilden die Grundlage dafür, die Aufbereitung und Aktivierung an unterschiedliche Ausgangsmaterialien anzupassen.

Für die spätere bauliche Anwendung ist dabei nicht allein die grundsätzliche Reaktionsfähigkeit des Materials entscheidend. Auch die gleichbleibende Qualität des aufbereiteten Produkts muss sichergestellt werden. Für Planende und ausführende Unternehmen wären daher geeignete Prüf- und Qualitätssicherungsverfahren eine wichtige Voraussetzung für eine verlässliche Nutzung.

Verwertung möglichst nahe am Entstehungsort

Neben der Materialentwicklung betrachtet das Forschungsprojekt auch die praktische Aufbereitung. Eine möglichst baustellennahe Verarbeitung könnte zusätzliche Transporte vermeiden. Das ist insbesondere beim Tunnelbau relevant, weil große Mengen an Material über vergleichsweise kurze Zeiträume bewegt werden müssen.

Die Aufbereitung direkt an oder in der Nähe der Tunnelbaustelle würde allerdings entsprechende technische Anlagen und Prozessabläufe voraussetzen. Hinzu kommen Anforderungen an Lagerung, Materialtrennung, Qualitätssicherung und die kontinuierliche Versorgung der jeweiligen Baustoffproduktion. Ob und unter welchen Bedingungen eine solche dezentrale Aufbereitung wirtschaftlich umgesetzt werden kann, gehört damit ebenfalls zu den Fragen, die für eine spätere Anwendung relevant sind.

Als mögliche Einsatzbereiche der entwickelten Baustoffe werden unter anderem Ringspaltmassen im Tunnelbau, Betonpflastersteine für den Garten- und Landschaftsbau sowie Ballastierungsbeton im Wasserbau untersucht. Welche Anwendungen sich tatsächlich eignen, hängt von den jeweiligen technischen Anforderungen und den Eigenschaften des aufbereiteten Materials ab.

Kreislaufwirtschaft im Tunnelbau

Der Forschungsansatz verbindet zwei Entwicklungen, die für das Bauwesen zunehmend an Bedeutung gewinnen: die stärkere Nutzung mineralischer Bau- und Abbruchmaterialien und die Reduzierung des Klinkeranteils in zementgebundenen Baustoffen.

Tunnelausbruch wird dabei nicht pauschal als wiederverwendbarer Rohstoff betrachtet. Entscheidend ist vielmehr eine differenzierte Betrachtung der Materialeigenschaften. Geeignete Gesteine können bereits heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, während andere Materialien erst durch Aufbereitung für eine hochwertige Nutzung infrage kommen.

Ein erfolgreicher Einsatz als Bindemittel würde den Stoffstrom des Tunnelbaus erweitern. Material, das bislang möglicherweise als Abfall oder schwer verwertbarer Aushub behandelt wird, könnte in bestimmten Fällen zu einem Bestandteil neuer Baustoffe werden. Gleichzeitig könnte der Bedarf an Primärrohstoffen für die Baustoffherstellung sinken.

Forschung soll Praxistauglichkeit klären

Geo-BAB befindet sich derzeit 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.

Im weiteren Projektverlauf geht es insbesondere darum, die unterschiedlichen Ausgangsmaterialien systematisch zu bewerten, geeignete Aufbereitungs- und Aktivierungsverfahren zu bestimmen und die Eigenschaften der daraus entstehenden Baustoffe zu untersuchen. Damit soll eine Grundlage für die spätere Übertragung der Forschungsergebnisse auf reale Tunnelbaustellen geschaffen werden.

Offen bleibt unter anderem, wie sich die Verfahren bei unterschiedlichen geologischen Bedingungen, in kontinuierlichen Baustellenprozessen und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten bewähren. Auch die Anforderungen an Nachweise, Qualitätssicherung und die konkrete baupraktische Anwendung müssen für die jeweiligen Einsatzbereiche geklärt werden. Erst diese Schritte können zeigen, in welchem Umfang Tunnelausbruch künftig als Ausgangsstoff für alternative Bindemittel und andere Baustoffe genutzt werden kann.