Konzept Betonbauqualität (BBQ): Differenzierung als Schlüssel für die Zukunftsfähigkeit der Betonbauweise
Christoph Müller
Schwenk Betonseminare
Januar 2019
AGENDA
2
1 Vielseitige Anwendung von Beton
2 Bauaufgaben unterschiedlicher Komplexität/Anforderungen
3 Kommunikation an den Schnittstellen (Planung/Beton/Bauausführung)
4 Ressourceneffizienz und Klimaschutz
5 Betonbauweise unter sich fortlaufend ändernden Randbedingungen
6 Konzept der BetonBauQualität BBQ
Wohnen
Trinkwasserversorgung
Infrastrultur
Betonstraßenbau
Architektur
EnergieIller Wasserkraftwerk.© HeidelbergCement AG /Steffen FuchsWohnenBildnachweis: InformationsZentrum
Beton/Peters
Fotos: Rolf Breitenbücher
min Ccmin
As
…
X..F.min Cw/zCEMr…
As
F.ÜKcmin
r…
Tragwerke aus Stahlbeton/Spannbeton (Interaktion)
4
Welche Eigenschaften sind relevant?
Anwendung/Bauaufgabe Nachzuweisende Eigenschaften
Innenbauteile in Expositionsklasse XC1 (trocken)
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Bauteile in Expositionsklasse XC3 oder Außenbauteile in Expositionsklassen XC4/XF1
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Druckfestigkeit Dauerhaftigkeit
Expositions-klasse
Carbonatisierungsfortschritt /Korrosionsrisiko
XC1(trocken)
Hohe Carbonatisierungsrate /kein Korrosionsrisiko aufgrund fehlender Feuchte
XC3 Mittlere Carbonatisierungsrate /relativ geringes Korrosionsrisiko
XC4/XF1 Geringe Carbonatisierungsrate /relativ hohes Korrosionsrisikomäßige Wassersättigung
5
Carbonatisierung wie in Zulassungen des DIBt
Quelle:
Tilo Proske, Moien Rezvani, Sebastian Palm, Christoph Müller, Carl-Alexander Graubner:Concretes made of efficient multi-compositecements with slag and limestoneCement and Concrete Composites 89 (2018) pp 107-119
Carbonatisierungsprüfung:EAD 15001-00-0301, No 15, Method 1
7d Vorlagerung140d 20 °C/65 % r. H.0.04 % CO2 Konzentration0/8 mm Gesteinskörnung
6
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
0 20 40 60 80 100 120
dep
th o
f ca
rbo
nat
ion
in
mm
, 7d
pre
-sto
rag
e,
140d
mai
n s
tora
ge
compressive strength after pre-storage in MPa
CEM I
CEM II/B-M
CEM II/C-M*
CEM VI & CEM X
CEM III/A
* bis zu 35 M.-% LL
XC3/XC4
Car
bona
tisie
rung
stie
fein
mm
nac
h14
0 d
Hau
ptla
geru
ngun
d 7d
Vor
lage
rung
Druckfestigkeit nach Vorlagerung in MPa
Frostwiderstand im Würfelverfahren (XF1)
7
Quelle der Daten:VDZ
XF1-Bewertung aus:Siebel, Eberhard: Freeze-thaw resistance of concrete without and with de-icer- evaluation with the cube test, Beton 42, 1992
Würfel-Verfahren nach CEN/TS 12390-9
Welche Eigenschaften sind relevant?
Anwendung/Bauaufgabe Nachzuweisende Eigenschaften
Innenbauteile in Expositionsklasse XC1 (trocken)
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Bauteile in Expositionsklasse XC3 oder Außenbauteile in Expositionsklassen XC4/XF1
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Druckfestigkeit Dauerhaftigkeit
8
Druck-festigkeits
-klasse
Anteil in % Deutschland
2016
min. C in Expositions-
klasse
C8/10 1.0 X0
C12/15 6.8 ---
C16/20 1.9 XC1, XC2
C20/25 14.4 XC3
C25/30 39.8XC4, XF1, XF2,
XF3, XA1
C30/37 21.4 XS1, XD1, XF4
C35/45 11.2XS/D 2, 3,
XA 2,3
C45/55 0.6 ---
C50/60 0.3 ---
64
% =
32
Mio
m3
Quelle: BTB
Einstufung BBQ-Klassen (exemplarisch, Entwurf)Welche Eigenschaften sind relevant?
Bilder: Rolf Breitenbücher, https://baustoffingenieurwissenschaft.wordpress.com/
Anwendung/Bauaufgabe Nachzuweisende Eigenschaften
Bauteile in ExpositionsklassenXF2/XF3/XF4 XD2/XD3, XS2/XS3, XA2, XA3
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Dauerhaftigkeitsnachweise(Druckfestigkeit ≠ Dauerhaftigkeit)
9
Einstufung Bauaufgabe nach Komplexität/Anforderungen
10
Ordnungsprinzip in Tabelle 2 im Entwurf Richtlinie „BetonBauQualität BBQ“Stand März 2018:
1.) Expositionsklassen (1, 2, 3, 5, 9, 10, 38)
2.) Festigkeitsklassen (8, 24, 40, 41)
3.) Betone für besondere Anwendungen (22, 25, 26, 27, 29)
4.) Bauteile und Bauwerke mit besonderen Anforderungen an dieBemessung, Konstruktion und Ausführung(12, 13, 14, 15-17, 19, 23, 28, 30, 31, 33, 34, 35, 36, 37,43, 44, 54, 55, 57)
5.) Besondere Bauverfahren (49, 50, 52, 53, 58)
6.) Sonstige (4, 11, 18, 20, 21, 32, 39, 42, 45, 46, 47, 48, 59, 60)
Schleuse Rothensee12
Science-Center Wolfsburg Langen-Foundation
Einstufung BBQ-Klassen (exemplarisch, Entwurf)
Anwendung/Bauaufgabe Planung Beton Ausführung
Innenbauteile in Expositionsklasse XC1 1 1 1
Normalbeton mit Druckfestigkeitsklasse ≤ C25/30 1 1 1
Normalbeton ≥ C30/37 und ≤ C60/75 1 1 2
Betone mit langsamer Festigkeitsentwicklung 1 2 2
Massige Bauteile nach DAfStb-RL 2 2 2
Selbstv. Beton / Sichtbetonklassen SB1, SB2, SB3 2 2 2
Besonders hoher Bewehrungsgehalt (As > 9 %) 3 1 2
Sichtbetonklasse SB4 3 3 3
Einstufung Bauaufgabe nach Komplexität/Anforderungen
Anforderungen
Normal
Erhöht
Besonders festzulegen14
Quelle: DAfStb AK BetonEntwurf Richtlinie „BetonBauQualität BBQ“Stand: 06. März 2018
Einstufung BBQ-Klassen (exemplarisch, Entwurf)
Anwendung/Bauaufgabe Planung Beton Ausführung BBQ
Innenbauteile in Expositionsklasse XC1 1 1 1 N
Normalbeton mit Druckfestigkeitsklasse ≤ C25/30 1 1 1 N
Normalbeton ≥ C30/37 und ≤ C60/75 1 1 2 E
Betone mit langsamer Festigkeitsentwicklung 1 2 2 E
Massige Bauteile nach DAfStb-RL 2 2 2 E
Selbstv. Beton / Sichtbetonklassen SB1, SB2, SB3 2 2 2 E
Besonders hoher Bewehrungsgehalt (As > 9 %) 3 1 2 S
Sichtbetonklasse SB4 3 3 3 S
Einstufung Bauaufgabe nach Komplexität/Anforderungen
Anforderungen
Normal
Erhöht
Besonders festzulegen15
Quelle: DAfStb AK BetonEntwurf Richtlinie „BetonBauQualität BBQ“Stand: 06. März 2018
Umsetzung
16
Um unter den unterschiedlichen Randbedingungen(Bauwerk/Bauteil, Planung, Beton, Bauausführung) die gestellten Anforderungen an das Bauwerk/Bauteil zielsicher erreichen zu können, werden drei Betonbauqualitätsklassen BBQ eingeführt:
BBQ-N: Bauwerke/Bauteile mit normalen Anforderungen an Kommunikation, Planung, Bauausführung und Baustoffe
BBQ-E: Bauwerke/Bauteile mit erhöhten Anforderungen an Kommunikation, Planung, Bauausführung und Baustoffe
BBQ-S: Bauwerke/Bauteile mit besonders festzulegenden Anforderungen an Kommunikation, Planung, Bauausführung und Baustoffe
Bauaufgabe Betonbauqualitätsklasse BBQ
Prinzip der Zuordnung zu den BBQ-Klassen
17
BetonBauQualitäts-klasse
BBQ-N BBQ-E BBQ-S
Anforderungen normal (N) erhöht (E)besonders
festzulegen (S)Planungs-, Beton-
oder Ausführungsklasse
PK1 und BK1 und AK1
PK2 oder BK2 oder AK2
PK3 oder BK3 oderAK3
Auswirkungen BBQ-KlassenBetonBauQualität
Planungsklasse 1 bis 3 (PK1 bis PK3) Planer(bereits in Eurocode vorhanden)
Betonklassen 1 bis 3 (BK1 bis BK3), Betonhersteller(gibt es in EN 206 bisher nicht)
Ausführungsklassen 1 bis 3 (AK1 bis AK3). Bauausführung(bereits in EN 13670 „Bauausführung“ vorhanden)
18
Auswirkungen BBQ-KlassenBetonherstellung
Zusätzliche Maßnahmen in Betonklasse BK 2
Erstprüfung durch den Hersteller mit erweitertem Umfang
z. B. Mischzeit, Temperatur, Pumpbarkeit, Schwankungen Ausgangsstoffe,
Mischungsstabilität
Erweiterte Dokumentation
Information vom Betonhersteller an den Verwender
19 Olaf Aßbrock – BetonBauQualität BBQ aus Sicht des Betonherstellers | Okt. 2018
BBQ - Umsetzung
20
Teil 0: Grundlagen und Betonbauqualitätsklassen (BBQ)
Teil 1: (Ergänzende) Anforderungen hinsichtlich Bemessung und Konstruktion
Teil 2: (Ergänzende) Anforderungen an den Beton
Teil 3: (Ergänzende) Anforderungen hinsichtlich Bauausführung
Teil 4: Betonfertigteile
Teil 0: Grundlagen und Betonbauqualitätsklassen (BBQ)Teil 1: Ergänzende Anforderungen an Bemessung und KonstruktionTeil 2: Ergänzende Anforderungen an den BetonTeil 3: Ergänzende Anforderungen hinsichtlich BauausführungTeil 4: Betonfertigteile
Für alle Betone: einheitliche RegelungenFür alle Betone: einheitliche Regelungen
Öffnung für nationale Regelungen bislang „großzügig“ interpretiert
Öffnung für nationale Regelungen bislang „großzügig“ interpretiert
Status quo – Normen
21
Status quo – ZTV, Richtlinien und Merkblätter
22
Ingenieurbauwerke anBundesfernstraßen
Wasserbauwerke
Richtlinie
„Massige Bauteile aus Beton“
WU-Richtlinie
Mer
kbla
tt S
icht
beto
n
Ausgangssituation
23
Komplexität der Bauaufgabe unzureichend berücksichtigt
Struktur des Regelwerks erschwert Interaktion
Defizite können zu Schäden führen
Politische Randbedingungen
Abkommen von Paris:Globale Erwärmung auf 2°C /1,5°C begrenzen
Reduktionsziele 2050
24
Die Betonbauweise steht unter Beobachtung
25
Finanzielle Anreize für Investitionen in
klimafreundlichere Zemente und Betone schaffen
Baurecht aktualisieren und Normen um die
Anforderungen des Klimaschutzes ergänzen
Klimaschutzkriterien bei Vergabe öffentlicher
Bauaufträge umfassend zur Anwendung bringen und
Green Public Procurement konsequent umsetzen
Dem Klimafußabdruck der Baumaterialein in den
Nachhaltigkeitszertifizierungen für Hoch- und
Tiefbau einen höheren Stellenwert geben
Rechtssicherheit für Carbon Capture and Storage
(CCS) bzw. Utilization (CCU) Optionen schaffen
$0
$10
$20
$30
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
EU
CO
2P
reis
US
$
4x
Entwicklung des CO2 – Preises in Europa
26
EU CO2 Preis in etwa vervierfacht nach klimapolitischen Entscheidungen in 2017
Die Betonbauweise steht unter Beobachtung
27
Finanzielle Anreize für Investitionen in klimafreundlichere Zemente und Betone schaffen
Baurecht aktualisieren und Normen um die Anforderungen des Klimaschutzes ergänzen
Klimaschutzkriterien bei Vergabe öffentlicher Bauaufträge umfassend zur Anwendung bringen und Green Public Procurement konsequent umsetzen
Dem Klimafußabdruck der Baumaterialien in den Nachhaltigkeitszertifizierungen für Hoch- und Tiefbau einen höheren Stellenwert geben
Rechtssicherheit für Carbon Capture and Storage (CCS) bzw. Utilization (CCU) Optionen schaffen
CO2 - Intensität: Wo stehen wir?
28
0
2
4
6
8
10
12
14
0 20 40 60 80 100 120 140 160
CO₂-
eq /
Bet
on
dru
ckfe
stig
keit
in k
g
CO₂-
eq
/(m
³ x
MP
a)
Betondruckfestigkeit, 28d
Einflüsse:-Zementgehalt-Zementfestigkeit-Feinstoffgehalt-(w/z)eq bzw. w/(k+F)
Einflüsse:-Zementgehalt-Zementfestigkeit-Feinstoffgehalt-(w/z)eq bzw. w/(k+F)
Einflüsse:- Zementart- Zementgehalt- Zementfestigkeit- Feinstoffgehalt- (w/z)eq bzw. w/(k+F)
Rohstoffe: Verwendung und geschätzte Reserven
29
z. B. Kalkstein
Source: UNEP Report Eco-efficient cements 2016
Erweiterung der EN 197-1
30
Normentwurf DIN EN 197-1:2018-11 liegt vor
K-S-LL als Beispiel
Zemente mit bekannten und erprobten Ausgangsstoffen
Potential für Betone in verschiedenenAnwendungsbereichen
Anwendung der Zemente imRahmen der nationalenAnwendungsnormen
0
20
40
60
80
100
120C
EM
I
CE
M I
II/A
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
B1w/z = 0,50
B2w/z = 0,40
B3w/z = 0,35
Dru
ck
fes
tig
ke
it in
MP
a
7d 28d 91d
Betondruckfestigkeit
31
Karbonatisierung
32
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
10 20 30 40 50 60
Kar
bo
nat
isie
run
gst
iefe
dC
,140
d in
mm
Druckfestigkeit nach 7d in N/mm²
1 CEM II/B-LL2 CEM II/C-M3 „CEM VI“4 CEM (50 LL)5 CEM (50 LL), w/z = 0,406 „CEM VI“, w/z = 0,40
13
2
4
5
6
Welche Eigenschaften sind relevant?
Anwendung/Bauaufgabe Nachzuweisende Eigenschaften
Innenbauteile in Expositionsklasse XC1 (trocken)
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Bauteile in Expositionsklasse XC3 oder Außenbauteile in Expositionsklassen XC4/XF1
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Druckfestigkeit Dauerhaftigkeit
Expositions-klasse
Carbonatisierungsfortschritt /Korrosionsrisiko
XC1(trocken)
Hohe Carbonatisierungsrate /kein Korrosionsrisiko aufgrund fehlender Feuchte
XC3 Mittlere Carbonatisierungsrate /relativ geringes Korrosionsrisiko
XC4/XF1 Geringe Carbonatisierungsrate /relativ hohes Korrosionsrisikomäßige Wassersättigung
33
0
2
4
6
8
10
12
14
0 20 40 60 80 100 120 140 160
CO₂-
eq /
Bet
on
dru
ckfe
stig
keit
in k
g
CO₂-
eq
/(m
³ x
MP
a)
Betondruckfestigkeit, 28d
Einflüsse:-Zementgehalt-Zementfestigkeit-Feinstoffgehalt-(w/z)eq bzw. w/(k+F)
Einflüsse:-Zementgehalt-Zementfestigkeit-Feinstoffgehalt-(w/z)eq bzw. w/(k+F)
CO2 - Intensität: Was könnte erreicht werden?
34
status-quo DE
CEM II/C(50 K 30 S 20 LL)
Einflüsse:- Zementart- Zementgehalt- Zementfestigkeit- Feinstoffgehalt- (w/z)eq bzw. w/(k+F)
Was könnte erreicht werden?
CEM II/C (X-LL) z. B. als CEM (50K, 30S, 20LL) hätte das Potential den mittleren Klinker/Zement-Faktor weiter zu senken:
35
Zementinlandversand 2016: 26,2 Mio. t
Einsatz im Transportbeton rd. 56,8 % 14,9 Mio. t
Innen-/Außenbauteile (XC1 bzw. XF1/XC4) rd. 64 % 9,5 Mio. t
Hüttensandgehalt im Zement z. B. rd. 30 % 2,9 Mio. t
bbs-Prognose für 2035 (untere Variante) 6,7 Mio. t (rd. 3,8 Mio. t für CEM III)
Innen-/Außenbauteile (XC1 bzw. XF1/XC4): rd. 32 Mio. m3 Transportbeton
Einstufung BBQ-Klassen (exemplarisch, Entwurf)Welche Eigenschaften sind relevant?
Pictures: Rolf Breitenbücher, https://baustoffingenieurwissenschaft.wordpress.com/
Anwendung/Bauaufgabe Nachzuweisende Eigenschaften
Bauteile in ExpositionsklassenXF2/XF3/XF4 XD2/XD3, XS2/XS3, XA2, XA3
Robuste Frischbetoneigenschaften
Mechanische Eigenschaften(Druckfestigkeit)
Dauerhaftigkeitsnachweise(Druckfestigkeit ≠ Dauerhaftigkeit)
36
Frostwiderstand „Wasserbau“ - CIF
37
0
20
40
60
80
100
120C
EM
I
CE
M I
II/A
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
35
LL
50
LL
30
S -
20
LL
30
S -
35
LL
30
S -
50
LL
B1w/z = 0,50
B2w/z = 0,40
B3w/z = 0,35
rel.
dyn
. E
-Mo
du
l in
%
28FTW Grenzwert BAW
BetonBauQualität BBQ - Ursache und Anlass
38
Warum?
Bedarfsgerechte Differenzierung bei Planung, Beton und Bauausführung
(keine Einheitsregelungen wie bisher)
Förderung der gemeinschaftlichen Verantwortung und Transparenz als
Grundlage für partnerschaftliche Bauabwicklung
Flexibilisierung im Hinblick auf Ressourcen-Verfügbarkeit (CO2, Recycling)
Ermöglichung von innovativen Bauweisen
(projektspezifische Sonderlösungen)
(Schnittstelle nationales Bauordnungsrecht zur (EU)-Normung)
Ergebnis: Förderung der Betonbauweise unter sich fortlaufend
ändernden Randbedingungen
Quelle: DAfStb AK Beton
Phasen der Qualitätssicherung in BBQ-S und BBQ-E
39
Allgemeiner Hochbau (BBQ-N):
Das Handeln der Beteiligten führt auch ohne vertiefte
Abstimmung untereinander i. d. R. zum Erfolg
Bei BBQ-E und BBQ-S Austausch relevanter
Informationen und die Abstimmung wesentlicher
Entscheidungen durch verbindliche
BBQ-Ausschreibungsgespräche
BBQ-Ausführungsgespräche
- Startgespräche und- Bauverlaufsgespräche
Stärkung der Kommunikation
Zusammenfassung
40
Planung und Bau komplexer Ingenieurbauwerke aufwändiger als bei Vorhaben des üblichen Hochbaus
Differenzierte Betrachtung in den Normen des Betonbaus derzeit nur in Ansätzen vorgesehen
Konzept zur BetonBauQualität BBQ soll diese Lücke schließen
Die Intensität der Kommunikation über die Schnittstellen wird ein zentrales Unterscheidungsmerkmal zwischen den Anwendungssituationen sein
Fallweise sind erweitere Erstprüfungen am Beton bzw. deskriptive Vorgaben an die Betonzusammensetzung einzuhalten, wie z. B. der Leimgehalt
Hierdurch soll die Robustheit der Frischbetoneigenschaften unter Baustellenbedingungen sichergestellt werden
Chance für die Qualität der Betonbauweise: Mit den BBQ-Klassen kann der Bauherr von der unterschiedlichen Komplexität des Bauablaufs überzeugt werden
Ausblick
Ressourceneffizienz und Klimaschutz werden die Betonbauweise weiter vor Herausforderungen stellen
Portlandzementklinker bleibt auf absehbare Zeit der wesentliche Bestandteil von Zement
CO2 Preis in etwa vervierfacht nach klimapolitischen Entscheidungen in 2017
Umweltverbände fordern: Klimaschutzkriterien bei Vergabe öffentlicher Bauaufträge umfassend zur Anwendung bringen und Green Public Procurementkonsequent umsetzen
Mögliche Konsequenzen: Anreize bzgl. CO2-Effizienz des Betons basierend auf Ökobilanzen und Lebensdauerbetrachtungen
41
Ausblick
Klinkereffiziente Zemente stehen zur Verfügung
Dauerhaftigkeit in Teilbereichen über Druckfestigkeit einstellbar
Aufgrund der Rohstoffsituation ist ggf. eine stärker anwendungsbezogene Differenzierung notwendig:
- Zemente und Betone für weite Teile des üblichen Hochbaus- Zemente und Betone unter besonderer Beanspruchung
Umsetzung bedarf der Unterstützung durch die gesamte Wertschöpfungskette:Planung – Betonherstellung – Bauausführung
Mit dem Konzept der BetonBauQualität BBQ bereitet sich die Betonbauweise hierauf aktuell bereits vor
42
43