Nachhaltigkeit und Technologie

Développement durable et technologie

Sustainability and technology

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EinleitungIn Nitrifikationsbecken von Ab-wasserreinigungsanlagen (ARA)wurde in den letzten Jahren eineErosion der Betonoberflächen fest-gestellt. Über das Fortschreitendieser Erosion, ihre Ursachen undmögliche Konsequenzen für dieDauerhaftigkeit war wenig be-kannt. Untersuchungen zeigennun, dass es sich um einen biolo-gisch induzierten Säureangriffhandelt, dessen Auswirkungen inerster Linie von der Wasserhärteund erst in zweiter Linie von Be-tonzusammensetzung, Nachbe-handlung und in der ARA ver-wendeten Verfahren abhängigsind. Die Erosionsraten bewegensich in einem Bereich, der für dieDauerhaftigkeit der Anlagen keinunmittelbares Problem darstellt.Chemischer Angriff auf Betonkann unter verschiedenen Um-weltbedingungen auftreten. BeimTransport und bei der Aufberei-tung von Abwasser ist die häufigs-te Form der Angriff von Schwefel-säure, der von sulfatoxidierendenBakterien verursacht wird [1,2]. Inletzter Zeit wurde festgestellt,dass eine Erosion der Betonober-fläche vorwiegend in Nitrifikations-becken von ARA auftreten kann(Fig. 1). In solchen Becken findetdie Oxidation von Ammonium zuNitrat statt. Dabei werden Proto-nen frei [3,4]:

NH4+ + 2·O2 → NO3

– + H2O + 2·H+

Der pH-Wert in den Nitrifikations-becken wird bei 7 gehalten, umdie Stabilität der Mikroorganis-men zu gewährleisten. Da aberdie Betonoberfläche durch einennitrifizierenden Biofilm bedecktwird, kann sich dort lokal ein sau-res Milieu etablieren, was zueinem Säureangriff führt. Die so

verursachte Erosion verringert dieDicke des schützenden Überde-ckungsbetons und damit mögli-cherweise die Dauerhaftigkeitder Becken. Die Abtragraten ander Betonoberfläche sind aller-dings nicht bekannt. ARA in derSchweiz sind unterschiedlich starkvon diesem Phänomen betroffen.Die Gründe dafür waren bishernoch unklar.Das Ziel des vorliegenden Projektsist es, die entscheidenden Para-meter für die biologisch induzierteBetonerosion und ihre Variationzu identifizieren und zu werten.Es wurden dazu Betone in Nitrifi-kationsbecken von vier verschie-denen ARA ausgelagert, um dieErosionsrate und den Einfluss vonZementart, Wasserzementwert(w/z) und Wasserhärte zu unter-suchen.

Materialien und MethodenDie für die Betonherstellung ver-wendeten Zementarten sind inFig. 2 aufgeführt. Alluvialkies,hauptsächlich aus Sandstein undKalk bestehend, und mit einermaximalen Korngrösse von 32 mmwurde als Gesteinskörnung ver-wendet.Prismen der Abmessungen 72 x 72x 150 mm3 wurden aus Betonwür-

IntroductionErosion of the concrete surface ofnitrification basins in wastewatertreatment plants (WTPs) has beenobserved in recent years. Littlewas known about the develop-ment of the erosion, its causesand possible consequences forthe durability of the concretestructures. Investigations havenow shown that it is due to a bio-logically induced acid attack,whose effects depend primarilyon water hardness and secondari-ly on concrete composition, thecuring process and methodsapplied in the WTPs. The rate oferosion is confined to a range inwhich there is no immediate pro-blem for the durability of theWTPs. Chemical attack on concre-te can be observed in a variety ofenvironments. During transportor in the treatment of wastewa-ter the most common form pre-sent is attack due to sulphuricacid formed by sulfate reducingbacteria [1,2]. However, recentlyerosion of the concrete surface innitrification basins of WTPs hasbeen observed (Fig. 1). In thesebasins, the oxidation of ammoni-um to nitrate takes place. In thisreaction protons are produced[3,4]:

NH4+ + 2·O2 → NO3

– + H2O + 2·H+

The pH value of the water in thebasins is kept at a neutral value of7 to ensure the stability of the bioorganisms. But as the concretesurface in such basins is coveredby a nitrifying biofilm, locally anacid environment between bio-film and concrete surface can becreated leading to an acid attack.The erosion of the concrete surfa-ce decreases the thickness of theconcrete cover protecting the re-

Biologisch induzierte Betonerosion in Abwasserreinigungs-anlagenBiologically triggered concrete erosion in wastewatertreatment plants

Andreas Leemann, Cathleen Hoffmann

Fig. 1

Erodierte Betonoberfläche in einerARA.Eroded concrete surface in WTP.

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inforcement and with it possiblythe durability of the structure.However, little is known aboutthe degree of erosion of the con-crete surface, though the effectvaries widely between differentWTPs in Switzerland. Up till nowthe reasons for these variationshave not been clarified. The goal of the present project isthe identification and assessmentof the parameters responsible forthe biologically triggered concre-te erosion in WTPs and the rea-sons for its variation. Thus, con-crete specimens were exposed inthe nitrification basin of four dif-ferent WTPs to investigate therate of erosion and the influenceof cement type, water-cementratio (w/c) and water hardness.

Materials and methodsThe cements used and the mixdesign of the concrete are givenin Fig. 2. Alluvial gravel consistingmainly of sandstone and limesto-ne with a maximum grain size of32 mm was used as aggregate.Prisms with a size of 72 x 72 x150 mm3 were cut from the pro-duced concrete cubes. A calibrat-ed depth gauge combined with asteel plate having angles and 20predrilled holes ensured that sur-face erosion was always measur-ed at identical points. The repea-tability of the method as tested isabout 0.02 mm. The first set of specimens wasexposed in four different WTPs(A–D, Fig. 6) after air curing at20 °C and 70% relative humidityfor 28 days, the second set afterwater curing at 20 °C for 90 days.The range of water hardness of thedifferent WTPs is 19.5–32.0 fH°.The measured surfaces werecleaned every three months anderosion was measured up to anage of 282 days. Afterwards, thespecimens of one WTP wereremoved for microstructural ana-lysis with a scanning electronmicroscope (ESEM-FEG XL30).

ResultsThe microstructure of the surfacearea of the different mixturesalways exhibits the same features.Four different zones can be

feln geschnitten. Eine kalibrierteTiefenlehre kombiniert mit einergelochten Stahlplatte gewährleis-tete, dass die Erosionsrate immeran identischen Punkten gemessenwurde. Die Wiederholbarkeit derMessungen lag im Bereich von0,02 mm.Die erste Serie Prüfkörper wurdein vier verschiedenen ARA (A–D,Fig. 6) nach 28 Tagen Lagerungbei 20 °C und 70% relativerFeuchte ausgelagert, die zweiteSerie nach 90 Tagen Wasserlage-rung bei 20 °C. Die Wasserhärte inden vier ARA lag zwischen 19,5und 32,0 fH°. Alle drei Monate(bis zu einem Alter von 282Tagen) wurden die Messflächengereinigt und die Erosion wurdegemessen. Danach wurden diePrüfkörper aus einer ARA ent-fernt, um sie mit einem Elektro-nenmikroskop (ESEM-FEG XL30)zu analysieren.

ResultateDie Mikrostruktur im Oberflä-chenbereich der verschiedenenBetone zeigt immer dieselbenCharakteristiken. Vier verschiede-ne Zonen können aufgrund derPorosität identifiziert werden(Fig. 3):– Zone 3: stark poröse Lage

direkt an der Betonoberfläche(Dicke: 0,3–0,6 mm)

– Zone 2: dichte Lage (Dicke:0,01–0,02 mm)

distinguished based on theirporosity (Fig. 3):– zone 3: highly porous layer at

the concrete surface (thickness:0.3–0.6 mm)

– zone 2: dense layer (thickness:0.01–0.02 mm)

– zone 1: layer with increasedporosity compared to unalte-red concrete (thickness: 0.7–1.3mm)

– zone 0: unaltered pasteApart of the differences in porosi-ty, the defined zones also showdifferences in composition. Thedifferences mainly relate to theCa/Si ratio (Fig. 4). Zone 3 isdepleted in Ca as a result of port-

mixtures C-OPC-1, C-LS, C-SL C-OPC-2

CEM I 42.5 N, cement types CEM II/A-LL 42.5 N, CEM I 42.5 N

CEM III/B 32.5 R

cement content [kg/m3] 325 375aggregate 0/32 mm [kg/m3] 1935 1940water [kg/m3] 163 150superplasticizer [kg/m3] – 5.6w/c 0.50 0.40

Fig. 3

Oberflächenbereich des Betons C-OPC-2 mit dem unveränderten Kern (zone0), der inneren porösen Lage (zone 1),der dichten Calcit-Lage (zone 2) undder äusseren porösen Lage (zone 3).Surface area of concrete C-OPC-2 withunaffected core (zone 0), inner porouslayer (zone 1), dense calcite layer (zone2) and outer porous layer (zone 3).

Fig. 2

Betonrezeptur. Die Bezeichnung der Betone in der ersten Zeile stimmt mit derReihenfolge der Zementarten in der zweiten Zeile überein. (CEM I = PortlandZement, CEM II/A-LL = Portland-Kalkstein-Zement, CEM III/B =Hochofenzement).Mix design of the concrete. The names of the concrete mixtures given in row1 correspond to the order of cements given in row 2 (CEM I = ordinaryPortland cement, CEM II/A-LL = Portland limestone cement, CEM III/B =Portland slag cement).

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– Zone 1: Lage mit gegenüberdem unveränderten Betonerhöhten Porosität (Dicke: 0,7–1,3 mm)

– Zone 0: unveränderter BetonAbgesehen von der Porosität zei-gen diese Zonen auch Unterschie-de in ihrer Zusammensetzung, diein erster Linie das Calcium-Sili-zium-Verhältnis (Ca-Si) betreffen(Fig. 4). Zone 3 ist wegen der che-mischen Auflösung von Portlandit(Ca(OH)2) und der Destabi-lisierung der Haupthydratphasen(C-S-H) bezüglich Ca ausgelaugt.Die hohe Dichte in Zone 2 wirddurch eine Ausfällung von Calcit(CaCO3) verursacht. Die Auslau-gung in der Zone 1 führt wieder-um zu einem relativ tiefen Ca-Si-Verhältnis verglichen mit demunveränderten Beton (Zone 0).Die Erosion des Betons C-SL ist amhöchsten und die des Betons C2-LS am tiefsten (Fig. 5). Eine Ver-ringerung des w/z von 0,50 zu0,40 verringert die Erosion.Zwischen den verschiedenen ARAtreten substanzielle Unterschiedein der Betonerosion auf (Fig. 6).Die Prüfkörper mit der besserenNachbehandlung (Dauer 90 Tage)zeigen geringere Erosionsratenals die schlechter nachbehandel-ten (Dauer 28 Tage).

Diskussion Mit fortschreitender Erosion wirdPortlandit aufgelöst und dasCalcium wird aus dem C-S-H aus-gelaugt, wie das durch die Ände-

landite (Ca(OH)2) dissolution anddecalcification of the main hydra-tion product (C-S-H). The highdensity in zone 2 is due to calcite(CaCO3) precipitation. Ca leachingin zone 1 leads to a relatively lowCa/Si ratio compared to the unaf-fected core (zone 0).The degree of concrete erosion is

rungen des Ca-Si-Verhältnissesaufgezeigt wird. Allerdings be-einflusst die chemische Ausfäl-lung von Calcit (Zone 2) den Fort-schritt der Erosion. Calcit wirdausgefällt, wenn das im Beton ge-löste Ca mit dem im Wasser gelös-ten Bikarbonat (HCO3

– = «Wasser-härte») reagiert. Diese Calcit-ausfällung versiegelt den Betonund verlangsamt den weiterenAngriff [5]. Sie wird durch einehohe Wasserhärte begünstigt,und die Erosion wird damit ver-ringert. Wegen ihrer hohen Poro-sität weisen die ausgelaugten Zo-nen nur eine geringe Festigkeitauf. Ihre Entfernung durch Reini-gen würde die Betonerosion wie-der beschleunigen und sollte des-halb vermieden werden [6,7]. Die jährliche Erosionsrate der alledrei Monate gereinigten Beton-oberflächen variiert zwischen 0,02und 0,30 mm in den vier ARA.Eine gute Nachbehandlung ver-bessert den Erosionswiderstand.Wegen der Bildung der schützen-den Calcitschicht nimmt die Ero-sion von nicht gereinigten Beton-oberflächen nicht linear über dieZeit ab. Deshalb kann erwartetwerden, dass die experimentellbestimmten Erosionsraten beilängeren Reinigungsintervallentiefer liegen würden. Innerhalbder geplanten Instandsetzungs-intervalle von 25 Jahren kannerwartet werden, dass die Beton-erosion zu keiner verringertenDauerhaftigkeit führt.

Referenzen/References[1] C. Parker; The corrosion of concre-te. Isolation of a species of bacteriumassociated with the corrosion of con-crete exposed to atmospheres contain-ing hydrogen sulphide. Aust. J. Exp.Biol. Med. Sci. 23 (1945) 14–17.[2] A. Attal, M. Brigodiot, P. Camacho,J. Manem; Biological mechanisms ofH2S formation in sewer pipes, WaterSci. Technol. 26 (1992) 907–914.[3] W. Sand; Microbiological mecha-nisms of deterioration of inorganicsubstrates – a general mechanisticoverview. Int. Biodet. Biodeg. 40(1997) 183–190.[4] S. Okabe, H. Satoh, Y. Watanbe; Insitu analysis of nitrifying biofilm asdetermined by in situ hybridizationand the use of microelectrodes. Appl.Envir. Microbiol. 65 (1999) 3182–3191.[5] W. Pfingsten; Experimental andmodeling indications for self-sealingof cementitious low- and intermedia-te-level waste repository by calciteprecipitation. Nucl. Tech. 140 (2002)63–82.[6] H. Grube, W. Rechenberg; Beton-abtrag durch chemisch angreifendesaure Wässer. Beton 11 (1987) 446–451.[7] A. Leemann, B. Lothenbach, C.Hoffmann, S. Bischof, P. Lunk;Concrete corrosion in a wastewaterplant. In: Concrete in AggressiveAqueous environments, in: M.G.Alexander, A. Bertron (Eds), Proc InterRILEM TC 211-PAE Final Conf,Toulouse, 2009, 116–124.

Fig. 4

Atomares Calcium-Silizium-Verhältnisin den verschiedenen Zonen desBetons C-OPC-2.Atomic calcium-silicon ratio (Ca/Si) inthe different zones of concrete C-OPC-2.

Fig. 6

Oberflächenerosion in den verschie-denen ARA. Mittelwerte für alleBetone.Surface erosion in the differentwastewater treatment plants. Meanvalues for all concrete mixtures.

Fig. 5

Oberflächenerosion der verschiede-nen Betone. Mittelwerte für alleARA. Surface erosion of the different con-crete mixtures. Mean values for allWTPs.

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the highest for C-SL and the lo-west for C-LS (Figure 4). A reduc-tion of w/c from 0.50 to 0.40 de-creases the erosion.There are substantial differencesin concrete erosion between thedifferent WTPs (Fig. 6). The speci-mens with a curing time of 90days in water exhibit a lower rateof erosion than specimens thathave been air cured for 28 days.

Discussion With progressing erosion, port-landite is leached and CSH isdecalcified as shown by thechanges in the Ca/Si ratio (zones1–3). However, the precipitationof calcite and the resulting forma-tion of a dense calcite layer (zone2) influences erosion propagation.Calcite is precipitated when thedissolved calcium ions in concretereact with the bicarbonate that ispresent in the attacking solution.The precipitated calcite seals thesurface of the concrete efficiently,slowing down further attack [5].Moreover, calcite formation in-creases with water hardness andthe erosion rate decreases. Due totheir high porosity, the leachedzones are of low strength. Theremoval of these protective zonesby cleaning the concrete surfacewill accelerate concrete erosionand should be prevented [6,7].The yearly erosion rates of con-crete surfaces cleaned four timesper year vary between 0.02 and0.30 mm in the four WTPs. Good

Die Erosionsrate in einer ARAwird durch die Zementart, denw/z und die Wasserhärte beein-flusst. Basierend auf den experi-mentellen Resultaten kann derEinfluss der verschiedenen Para-meter mit der Wasserhärte als do-minierenden Grösse spezifiziertwerden (Fig. 7).

SchlussfolgerungenDie Erosion von Betonoberflä-chen in Nitrifikationsbecken vonARA wird durch das Auflösen derHydratphasen aufgrund eines bio-logisch induzierten Säureangriffsverursacht. Die Erosionsrate wirdhauptsächlich durch die Wasser-härte und die damit zusammen-hängende Calcitausfällung redu-ziert und weniger stark durch dieBetonzusammensetzung gesteu-ert. Da der pH-Wert im Beton nurin der angegriffenen Zone verän-dert wird, besteht keine erhöhteGefahr für Bewehrungskorrosion,solange die Erosion nicht dasNiveau der Bewehrung erreicht.Bei der vorhandenen Erosionsratewird die Dauerhaftigkeit der Be-cken nicht gefährdet. Ein SIA-Merkblatt mit Empfehlungen fürden Betonbau in ARA ist in Bear-beitung.

curing increases the resistance ofthe concrete surface to erosion.Due to the formation of protectivelayers, erosion of uncleaned con-crete surfaces is a nonlinear pro-cess that decreases with time.Therefore, the experimentallydetermined erosion rates can beexpected to be lower for longercleaning intervals. In the plannedintervals of 25 years for the reha-bilitation of the structures, con-crete erosion is not expected tolead to decreased durability.The erosion rate in a WTP is influ-enced by cement type, w/c ratioand water hardness. Based on theexperimental results, the impor-tance of the different parameterscan be specified, the water hard-ness being the most dominantone (Fig. 7).

ConclusionsErosion of the concrete surface innitrification basins of WTPs is cau-sed by the dissolution of hydrati-on products due to a biologicallytriggered acid attack. The rate oferosion is mainly reduced bywater hardness and the relatedcalcite precipitation with the con-crete composition having a smal-ler impact. Since the pH value inconcrete is only influenced in thezone of attack, there is no increas-ed danger of corrosion of thereinforcement, provided the ero-sion does not penetrate belowthe depth of cover. The erosionrates indicate that the durabilityof the structures is not endange-red. A Swisscode (SIA) guidelinewith recommendations for con-crete in WTPs is in preparation.

Autoren/Authors

Andreas LeemannDr. sc. nat, dipl. Geol. ETHEmpa, Abteilung Beton/BauchemieCH-8600 Dübendorfandreas.leemann@empa.ch

Cathleen Hoffmanndipl. Bauing. TUEmpa, Abteilung Beton/BauchemieCH-8600 Dübendorfcathleen.hoffmann@empa.ch

Danksagung/AcknowledgementsDas Projekt wurde von der cemsuissegefördert.The project was supported by cem-suisse.

Fig. 7

Einfluss von Zementart, w/z undWasserhärte basierend auf den expe-rimentellen Daten.Influence of cement type, w/c andwater hardness based on the experi-mental results.

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EinleitungUm die Zunahme des alpenqueren-den Verkehrs zu bewältigen, rea-lisiert die Alptransit Gotthard AGeine Flachbahn. Als Herzstück die-ser Transversale wird der 57 kmlange Gotthard-Basistunnel infünf Teilabschnitten aufgefahren(Fig. 1). Das Teilstück Sedrun alsmittlerer Abschnitt des Tunnelswird durch einen 1 km langen Zu-gangsstollen und zwei anschlies-sende, parallele, 800 m tiefeSchächte erschlossen [1,2]. Sämtli-che Materiallieferungen erfolgendurch einen dieser Schächte.Die Gesteinskörnung für den Be-ton wird aus dem Ausbruchsma-terial des Vortriebs über Tag auf-bereitet und wieder zum Schacht-

fuss transportiert, wo sich auchdie Betonanlage befindet. HoheAnforderungen an die Dauerhaf-tigkeit prägen das Projekt ebensowie grosse Herausforderungen anlogistische Lösungen. In diesemUmfeld gilt es ein Betonsystem zubetreiben, das sowohl die Anfor-derungen des Bauherrn als auchjene des Verarbeiters zu erfüllenvermag. Der Unternehmer konn-te in Zusammenarbeit mit denLieferanten den bereits gut funk-tionierenden Gewölbebeton opti-mieren und damit noch besser aufdie Bedürfnisse der Baustelleabstimmen.

Betonanlage und Trans-portsystemDie Platzverhältnisse in der Ka-verne, wo sich die Betonanlagebefindet, sind beschränkt und dieAnforderungen an den maxima-len Betonausstoss der Anlagedurch das Bauprogramm defi-niert. Das Verladen des Betonsauf die Transportzüge (Fig. 2) darfalso nur wenig Zeit in Anspruchnehmen, da sonst die Ausstoss-menge der Anlage massiv redu-ziert würde. Mit den RoCon-Shuttles (Fig. 3) wurde eine spe-zielle Lösung für diese Baustelleneu entwickelt. Der tägliche Be-ton-Ausstoss variierte 2009 umdie 600 bis 800 m3 mit Spitzen vonüber 900 m3.

Anforderungen desBauherrn an den Festbeton Bereits vor der Ausschreibung derBauarbeiten mussten potenzielleAnbieterteams – jeweils ein Ze-ment- und ein Zusatzmittelliefe-rant – in einem gross angelegtenPräqualifikationsverfahren nach-weisen, dass sich mit ihren Pro-dukten die vorgegebenen Beton-eigenschaften erreichen liessen.Die vorgeschlagenen Betonmi-schungen wurden in einem auf-

Introduction In order to cope with the increasein transalpine traffic, AlptransitGotthard AG is constructing aminimum-gradient rail link. Asthe centrepiece of this transalpi-ne link, the 57 km long Gotthardbase tunnel is being driven in fivepartial sections (Fig. 1). TheSedrun section, as the central sec-tion of the tunnel, is accessed bymeans of a 1 km long access tun-nel and two connecting, parallel,800 m deep shafts [1, 2]. All deli-veries of materials take placethrough one of these shafts.The aggregate for the concrete isprepared above ground from thematerial excavated during thedriving of the tunnel and trans-

Optimierung des Betonsystems der Alptransit-Baustelle SedrunOptimisation of the concrete production at the Alptransitconstruction site of Sedrun

Conradin Hürlimann

Fig. 1

Übersicht Gotthard Basistunnel (© Alptransit Gotthard AG).Overview of Gotthard base tunnel (© Alptransit Gotthard AG).

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ported again to the foot of theshaft, where the concrete produc-tion plant is also located. The pro-ject involves high requirements interms of durability as well as majorchallenges in terms of logistical so-lutions. Against this background,the aim is to operate a concretesystem that manages to fulfilboth the requirements of theowner and those of the contrac-tor. In cooperation with the sup-pliers, the contractor has beenable to optimise the already well-functioning lining concrete andthus tailor it even more closely tothe requirements on the construc-tion site.

Concrete production plantand transport systemThe space situation in the cavernin which the concrete productionplant is located is restricted andthe requirements in terms of themaximum output of concretefrom the plant are defined by theconstruction schedule. Thus theloading of the concrete onto thetransport trains (Fig. 2) may onlytake up a small amount of time,otherwise the output quantity ofthe plant would be massively re-duced. A special solution has beendeveloped for this constructionsite with the RoCon shuttles (Fig.3). The daily output of concretevaried in 2009 between 600 and800 m3, reaching sometimes evenmore than 900 m3.

Owner’s requirementswith regard to the harde-ned concrete Even before the request for ten-ders for the construction work,potential teams of bidders – con-sisting in each case of a cementsupplier and an additives supplier– had to prove, in a large-scalepre-qualification procedure, thatthe specified concrete propertiesare achieved using their products.The proposed concrete mixeswere tested thoroughly in anextensive testing process [3].The requirements for the harde-ned concrete in the Gotthardbase tunnel are intended to gua-rantee a durability of at least 100years. Specifically, this means:

wändigen Prüfverfahren getestet[3].Die Anforderungen an den Fest-beton im Gotthard-Basistunnelsind ausgelegt, um eine Dauer-haftigkeit von mindestens 100Jahren zu gewährleisten. Diesheisst konkret:– zuverlässige mechanische Ei-

genschaften (Druckfestigkeit,E-Modul)

– kontrolliertes Schwindverhalten– erhöhte Sulfatbeständigkeit– hohe Wasserundurchlässigkeit– hoher Widerstand gegen Al-

kali-Aggregat-ReaktionDie Arbeitsgemeinschaft entschiedsich für den Einsatz eines CEM III/B32,5 N für alle Betonsorten. Damit

– reliable mechanical properties(compressive strength, modu-lus of elasticity)

– controlled shrinkage behaviour– increased resistance to sulphates– high impermeability to water – high resistance to alkali-aggre-

gate reaction.The consortium decided on theuse of a CEM III/B 32.5 N for allconcrete types. This means thatthe high durability of the concre-te for the tunnel lining is reliablyachieved and that the temperatu-res remain low on hydration. Forlogistical reasons, no second ce-ment can be used in large quanti-ties at the concrete productionplant.

Fig. 2

Ladevorgang unter beengten Verhältnissen (© Sika Schweiz AG).Loading procedure in confined conditions (© Sika Schweiz AG).

Fig. 3

RoCon-Shuttle beim Ladevorgang unter Tag (© Arge Transco).RoCon shuttle during loading underground (© consortium Transco).

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lässt sich die hohe Dauerhaftig-keit des Gewölbebetons sichererreichen, und die Temperaturenbei der Hydratation bleiben ge-ring. Aus logistischen Gründenkann auf der Betonanlage keinzweiter Zement in grossen Men-gen verwendet werden.

Anforderungen des Unter-nehmers an den Gewölbe-beton Für die Herstellung des Betons,Beladung des Zugs, Transport zurSchalung und Einbringen müssen2,5 bis 3 Stunden eingerechnetwerden. Um mögliche Störungenzu berücksichtigen und um eineproblemlose Reinigung desBetonzugs vor jedem Befüllen zuerreichen, wird eine Offenzeitvon vier Stunden verlangt.Der Beton soll beim Einbringennoch ein Ausbreitmass von min-destens 500 mm aufweisen. Da-mit er stabil bleibt, wird er miteinem Ausbreitmass von 600 bis650 mm hergestellt und in denZug verladen.Das ambitionierte Bauprogrammdes Unternehmers verlangt, dassin den Bereichen der Einspurröh-ren jede Schalung (Fig. 4) innert24 Stunden einmal umgesetztwerden kann. Um zeitgerechtausschalen zu können, fordertder Unternehmer 10 Stundennach Ende des Einbringens desBetons eine Festigkeit von minde-stens 5 N/mm2.Der Wasserzementwert (w/z) unddie Betontemperatur beeinflussenden Konsistenzverlauf und dieEntwicklung der Frühfestigkeitgegenläufig. Eine Senkung desw/z oder eine Erhöhung der Aus-gangstemperatur vermindert dieOffenzeit und beschleunigt dieFestigkeitsentwicklung und um-gekehrt. Die Gegebenheiten aufder Baustelle verursachen Schwan-kungen der Frischbetontempera-tur zwischen 18 und 24 °C beigleichzeitig ändernder Sieblinie,Petrografie (insbesondere Glim-mergehalt) und Feuchtegehaltder Gesteinskörnung. Die Beton-rezeptur muss deshalb insbeson-dere eine Robustheit gegenüberdiesen Schwankungen aufweisen,um sowohl die Anforderungen an

Betonmischungen Bestehend OptimiertConcrete design mixes Existing Optimised

Zement CEM III/B 32,5 N [kg/m3] 375 275Cement CEM I 42,5 N [kg/m3] 100Flugasche

Hydrolent [kg/m3] 70 70Fly ashZusatzmittel Sika ViscoCrete-AT 304 [%] 1,2 1,5Additives SikaPump-AT 31 [%] 0,3

SikaTard-AT 11 [%] 0,0–0,2Gesteinskörnung Total [kg/m3] 1750 1750Aggregate Sand 0/4 [%] 22 22

Kies/Gravel 4/8 [%] 10 10Kies/Gravel 8/16 [%] 41 41Kies/Gravel 16/32 [%] 27 27

w/z w/c [–] ~ 0,53 ~ 0,52w/b [–] ~ 0,45 ~ 0,44Ausbreitmass bei Herstellung [mm]

580–630 600–650Flow consistency on mixing [mm]Verarbeitbarkeit Ausbreitmass > 500 mm [h]

3,5 4,0Workability flow consistency > 500 mm [h]Ausschalfrist Ab Betonherstellung [h]

~ 16 ~ 12,5Stripping time from mixing [h]

Fig. 5

Betonmischungen mit Anforderungen nach SIA 162 (1989): B40/30, w/b ≤ 0,50,dmax = 32 mm, Wasserleitfähigkeit ≤ 10g/m2h bei d = 20 cm, Widerstands-fähigkeit gegen chemischen Angriff XA2 (mit Sulfat).Concrete design mixes with requirements according to SIA 162 (1989): B40/30,w/b ≤ 0.50, dmax = 32 mm, permeability ≤ 10g/m2h at d = 20 cm, resistanceagainst chemical attack XA2 (with sulphates).

Fig. 4

Gewölbeschalwagen. Montage der Stirnschalung (© Arge Transco).Lining formwork car. Installation of the bulkhead formwork (© consortiumTransco).

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Contractor’s requirementswith regard to the tunnellining concrete Between 2.5 to 3 hours must beallowed for the production of theconcrete, loading of the train,transport to the formwork andplacement. In order to take intoaccount possible interruptionsand to achieve a problem-freecleaning of the concrete trainbefore each filling, an open timeof four hours is required.The concrete should still display aflow consistency of ≥ 500 mm onplacement. In order that the con-crete should remain stable, it ismixed and loaded into the trainwith a flow consistency of 600–650 mm.The contractor’s ambitious con-struction schedule demands thateach formwork (Fig. 4) can berelocated once within 24 hours inthe area of the single-track tun-nels. In order to allow the form-work to be struck on schedule, thecontractor demands a strength ofat least 5 N/mm2 ten hours follow-ing the end of placement of theconcrete.The water/cement ratio and con-crete temperature have a contraryinfluence on the consistency andthe development of early strength.A reduction in the water/cementratio or an increase in the initialtemperature reduces the opentime and accelerates the develop-ment of strength and vice versa.The conditions on the constructi-on site cause fluctuations in thefresh concrete temperature bet-ween 18 and 24°C, with simulta-neous changes in the particle sizedistribution curve, petrography

Verarbeitbarkeit als auch jene andie Frühfestigkeiten zu erfüllen.Die ursprüngliche Rezeptur (Fig.5) bewährte sich eigentlich sehrgut. Die Frühfestigkeitsentwick-lung ist jedoch für die kommen-den Etappen in den Einspurröh-ren zu langsam.

Feldversuche auf derBaustelleUm aussagekräftige Versuchsre-sultate zu erhalten, wurde derBeton auf der Anlage unter Tagproduziert und im RoCon gela-gert. Mit fortschreitender Anzahlvon Feldversuchen erwies sich dieAussagekraft der vorgängigenLaborversuche in diesem speziel-len Fall als sehr gering. So zeigtenzum Beispiel Beschleuniger, dieim Labor keinen Einfluss auf dieOffenzeit hatten, beim Baustel-lenversuch mit derselben Beton-mischung ein markant schnelleresAnsteifen des Betons [4].

Lösungsvarianten für dieOptimierungZuerst wurde der Wechsel aufeinen CEM III/B 42,5 N untersucht.Die Frühfestigkeiten verbessertensich markant. Die gleichbleibendeOffenzeit musste jedoch miteinem stärker verzögernden Fliess-mittel erkauft werden, was denGewinn an Festigkeiten etwasschmälerte.Der Wechsel des Zements bargjedoch zu grosse Risiken: Obschondie Optimierung nur für eine ein-zige Rezeptur notwendig war,hätten sämtliche Betonrezepturender Anlage auf einen Schlag um-gestellt werden müssen. Daherwurde versucht, die erwünschte

(in particular the mica content)and moisture content of theaggregate. Therefore, the concre-te mix design must, in particular,display robustness with respect tothese fluctuations in order to ful-fil both the requirements in termsof both workability and earlystrength.The mix design (Fig. 5) has actual-ly proved to be very successful.However, the development ofearly strength is too slow for thesubsequent stages in the single-track tunnel tubes.

Field testing at the con-struction siteIn order to obtain meaningfultest results, the concrete was pro-duced underground at the plantand stored in the RoCon. As thenumber of field tests increased,the importance of the precedentlaboratory tests was shown to besurprisingly low in this particularcase. For example, acceleratorswhich had no influence on theopen time in the laboratory led toa strikingly faster loss of workabi-lity of the concrete in tests on siteusing the same concrete mix [4].

Solution variants for opti-misationFirst, the change to a CEM III/B42.5 N was investigated. The earlystrengths improved markedly.However, keeping the open timethe same required the use of amore strongly retardant superplas-ticizer, which somewhat reducedthe increase in strength.However, changing the cementinvolved excessively high risks. Allthe concrete mix designs at theplant would immediately have tobe changed, even though the op-timisation is only necessary for asingle formulation. For this reasonthe attempt was made to achievethe desired increase in strengthusing the existing CEM III/B 32.5 Nwith different additives. The ori-ginal superplasticizer provedthroughout the trials to be theoptimal one for the combinationof the cement with the problema-tic aggregate.A further variant was added dur-ing the trial phase: The partial

BauherrschaftAlptransit Gotthard AGProjektverfasserIngenieurgemeinschaft Gotthard-Basistunnel Süd c/o Lombardi AG,Minusio; Amberg Engineering AG,Regensdorf; Pöyry AG ZürichAusführungArge Transco - Sedrun: Implenia BauAG, Aarau; Frutiger AG, Thun;Bilfinger Berger AG, Reichenburg undMünchen (D); Pizzarotti SA, Bellinzo-na und Parma (I)BetonsystemHolcim (Schweiz) AG, Zürich;Sika Schweiz AG, Zürich

OwnerAlptransit Gotthard AGProject authorsIngenieurgemeinschaft Gotthard-Basistunnel Süd c/o Lombardi AG,Minusio; Amberg Engineering AG,Regensdorf; Pöyry AG ZurichExecutionConsortium Transco - Sedrun:Implenia Bau AG, Aarau; Frutiger AG,Thun; Bilfinger Berger AG, Reichen-burg and Munich (D); Pizzarotti SA,Bellinzona and Parma (I)Concrete systemHolcim (Schweiz) AG, Zurich;Sika Schweiz AG, Zurich

120

Festigkeitssteigerung mit dembestehenden CEM III/B 32,5 N mitanderen Zusatzmitteln zu errei-chen. Das ursprünglich eingesetz-te Fliessmittel erwies sich über dieganze Dauer der Versuche alsoptimal für die Kombination desZements mit der problematischenGesteinkörnung.Während der Versuchsphase kameine weitere Variante hinzu: Derteilweise Ersatz des CEM III/B 32,5N durch einen CEM I 42,5 N, umu.a. die Frühfestigkeiten zu stei-gern. Verschiedene Mischungenmit dieser Grundidee wurdengeprüft. Diese Variante weist fol-gende Vorteile auf:– Dosierung des CEM I 42,5 N nur

bei dieser Betonsorte notwen-dig. Alle andern Rezepturenkönnen unverändert beibehal-ten werden.

– Bedarf an CEM I 42,5 N ist sogering, dass nur ein Silo derBetonanlage damit bestücktwerden muss.

– Für die Mischung werden nurZusatzmittel verwendet, die

substitution of the CEM III/B 32.5 Nwith a CEM I 42.5 N. The aim herewas to increase early strength.Different mixes were tested follo-wing this basic idea. This varianthas the following advantages:– Addition of the CEM I 42.5 N is

only necessary with this con-crete type. All other mix de-signs can be retained withoutany change.

– The quantity of CEM I 42.5 Nrequired is so low that onlyone silo at the concrete pro-duction plant would be neces-sary for this.

– Only additives which are alrea-dy available at the concreteproduction plant and whichhave been tried and tested onsite are used for the mix.

– The mix offers some flexibilityin reacting to temperature in-fluences. For example, at lowtemperatures, if the earlystrengths are not achieved,more CEM I 42.5 N can beadded.

– The outstanding properties ofthe hardened concretes interms of durability, which wereachieved using the pure CEMIII/B 32.5 N, are only minimallyreduced.

This solution fulfils all the requi-rements in terms of workabilityand strength development (Fig. 6).The decision was therefore madein favour of this last variant. Sincethe construction managementteam approved this mix, it isbeing used successfully (Fig. 7).

bereits auf der Betonanlagevorhanden sind und die sichauf der Baustelle bewährthaben.

– Die Mischung bietet eine ge-wisse Flexibilität, auf Tempera-tureinflüsse zu reagieren. Sokann bei tiefen Temperaturen,sollten die Frühfestigkeitennicht erreicht werden, mehrCEM I 42,5 N zugegeben wer-den.

– Die hervorragenden Eigen-schaften des Festbetons bezüg-lich Dauerhaftigkeit, die mitdem reinen CEM III/B 32,5 Nerreicht wurden, reduzierensich nur minimal.

Mit dieser Lösungsidee könnendie Anforderungen an die Verar-beitbarkeit und die Festigkeits-entwicklung erfüllt werden (Fig.6). Die Entscheidung fiel daherzugunsten dieser letzten Varianteund erhielt die Bewilligung derBauleitung. Seither wird dieseMischung mit Erfolg eingesetzt(Fig. 7).

Autor/Author

Conradin Hürlimanndipl. Bauing ETHProduktingenieur TunnelbauSika Schweiz AGCH-8048 Zürichhuerlimann.conradin@ch.sika.com

Referenzen/References[1] P. Teuscher, P. Zbinden; Die Alp-transit-Projekte am Lötschberg undam Gotthard, Betonbau in derSchweiz, SIA für fib-CH, 2002.[2] D. Marti, R. Meier, A. Theiler;Gotthard-Basistunnel – TeilabschnittSedrun, tunnel 4/2004, S. 22 ff.[3] B. Gugelmann; Optimierung derBetonproduktion auf der AlpTransit-Baustelle Bodio, SIA für fib-CH, 2006.[4] J. Schlumpf; Beschleunigter Kon-struktionsbeton, Betonbau in derSchweiz, SIA für fib-CH, 2006.

Fig. 6

Frühfestigkeitsentwicklung optimierter und bestehender Rezepturen mitAnforderungen des Unternehmers (> 5 N/mm2 nach 14 h, roter Bereich).Development of early strength of existing and optimised mix design withcontractor’s requirements (> 5 N/mm2 after 14 h, red zone).

fc [N/mm2]

14

12

10

8

6

4

2

0

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [h]

optimiert, Würfeloptimised, cube

bestehend, Würfelexisting, cube

optimiert, Bauteiloptimised, structure

bestehend, Bauteilexisting, structure

Fig. 7

Fertig betonierte Gewölbeblöcke(Vorläufer) (© Arge Transco).Finished concreted lining sections(front carriage) (© consortiumTransco).

121

EinleitungDie AlpTransit Gotthard AG, einehundertprozentige Tochtergesell-schaft der Schweizerischen Bun-desbahnen, erstellt eine zukunfts-orientierte Flachbahn durch dieAlpen. Herzstück der neuen Bahn-verbindung ist der Basistunnel amGotthard. Der mit 57 km längsteEisenbahntunnel der Welt wirdvoraussichtlich Ende 2017 in Be-trieb genommen. Das Tunnel-, Stollen- und Schacht-system weist eine Gesamtlängevon mehr als 150 km auf. Ende2009 sind davon fast 142 km aus-gebrochen, dies sind mehr als93%. Auch die Arbeiten des In-nenausbaus kommen gut voran.Mit mehr als 100 km sind rund90% Sohle betoniert, vom Ge-wölbe sind es immerhin auchschon fast 60%.Insgesamt werden am Gotthard-Basistunnel rund 25 Mio. TonnenAusbruchmaterial anfallen. Diesentspricht der Länge eines Güter-zugs von Zürich nach New York(rund 6350 km). Für die Her-

IntroductionThe AlpTransit Gotthard AG, afully-owned subsidiary of theSwiss Federal Railways (SBB), isconstructing a future-orientedlow-gradient railway line throughthe Alps. The centrepiece of thenew rail link is the Gotthard BaseTunnel through the GotthardMassif. With a length of 57 km itwill be the longest railway tunnelof the world and its completionand bringing into service is plan-ned for the end of 2017. This pio-neer work of the 21st century willlead to a marked improvement inthe travel and transportation pos-sibilities in the heart of Europe.The system of tunnel, galleriesand shafts has a total length ofmore than 150 km. Per end of2009 almost 142 km have beenexcavated, i.e. over 93%. The in-terior works are also progressingwell. With more than 100 km,around 90% of the tunnel floorhas been concreted, and the tun-nel lining is not very far behindwith almost 60%.

stellung des Spritzbetons für dieAusbruchsicherung und des Be-tons für den Innenausbau werdenbis zum Abschluss der Rohbauar-beiten total mehr als 7 Mio. Ton-nen aufbereitete Gesteinskörnun-gen benötigt werden.

Verwendung von Aus-bruchmaterial für BetonAls in den frühen 90er-Jahren desletzten Jahrhunderts die Projektefür die alpenquerenden Basistun-nel am Gotthard und Lötschbergkonkrete Formen annahmen,mussten viele technische Aspekte,zu denen damals nur wenige oderkeine gesicherten Erkenntnissevorlagen, geklärt werden. Im Zu-sammenhang mit der Betonher-stellung waren dies vor allem dieWiederverwendbarkeit von Aus-bruchmaterial, der Einfluss derhohen Gebirgstemperaturen aufdie Qualität und die gewünschte100-jährige Dauerhaftigkeit desBetons und Spritzbetons sowiedas Thema der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR).

Hochwertiger Beton aus Tunnelausbruch am Gotthard-BasistunnelHigh grade concrete for the Gotthard Base Tunnel usingtunnel spoil material

Rupert H. Lieb

Fig. 1

Das Ausbruchmaterial würde einen Güterzug von Zürich bis New York füllen.The excavated material would correspond to a packed freight train from Zurich to New York.

122

Altogether, for the Gotthard BaseTunnel around 25 million tons ofmaterial have to be excavated.This corresponds to the length ofa freight train from Zurich to NewYork (about 6,350 km). For theinstallation of the primary spray-ed concrete outer lining and theconcrete for the secondary innerlining up the completion of theconstruction works, in total morethan 7 million tons of processedaggregates will be necessary.

Use of tunnel spoil materi-al for concreteWhen in the early 1990s the pro-jects for the alpine-traversingGotthard and Lötschberg basetunnels assumed definite forms,many technical aspects had to beclarified, for which at that timethere was little proven technicalknowledge. In connection withthe concrete production, this con-cerned mainly the re-use of spoilmaterial, the influence of the highrock temperatures on the materi-al quality and the required 100-year durability of the concreteand sprayed concrete, as well asthe question of alkali-aggregatereaction (AAR).The recycling of the excavatedspoil material was a necessity onsite, to be able to fulfil justifiedenvironmental demands, but alsobecause of the impossibility of al-

Die Wiederverwertung des Aus-bruchmaterials auf den Baustellenwar eine Notwendigkeit, um be-rechtigte Umweltanliegen erfül-len zu können, aber auch wegender Unmöglichkeit einer durchge-henden Fremdversorgung für Ge-steinskörnungen zur Herstellungvon Beton und Spritzbeton. Dervollständige Abtransport und dieanderweitige Verwendung bzw.Ablagerung von nicht verwende-tem Ausbruchmaterial wäre auchaus logistischen Gründen (fehlen-de Transportmöglichkeiten) min-destens in einzelnen Teilabschnit-ten unmöglich gewesen.Mit einer Dissertation an der ETHZürich wurde die grundsätzlicheEignung von aufbereitetem Aus-bruchmaterial (insbesondere Ma-terial von Tunnelbohrmaschinen)zur Herstellung von Beton undvor allem Spritzbeton mit hohenAnforderungen nachgewiesen[1]. Basierend auf Aufbereitungs-versuchen für den Gotthard-Basis-tunnel wurde ein Prüfplan für dieGesteinskörnungen aus Tunnel-ausbruchmaterial entwickelt. Die-ser enthält sowohl Prüfungen amRohmaterial wie auch solche anden aufbereiteten Gesteinskör-nungen.Die zeitlichen Abhängigkeiten be-züglich Materialanfall und -be-darf einerseits und die einzuhal-tenden Mindestanforderungen

ways ensuring a third-party supplyof aggregate to produce the con-crete and sprayed concrete. Com-plete removal and re-use else-where or the disposal of unusedspoil material would also havebeen impossible for logistic rea-sons (no transport possibilities) atleast in some sections.With a dissertation completed atthe Federal Institute of Techno-logy (ETH) in Zurich, the basic fea-sibility of using processed spoilmaterial (especially TBM material)to manufacture concrete andabove all sprayed concrete tohigh specifications was demon-strated [1]. Based on concreteproduction tests specially devisedfor the Gotthard Base Tunnel, atesting plan for obtaining aggre-gates from tunnel spoil materialwas developed. This involvedtesting both the raw materialsand the processed aggregates.The time-dependence with re-gard to, on the one hand, spoilmaterial becoming available andthe specifications and, on theother, meeting the minimum re-quirements regarding the me-chanical and petrographic pro-perties of the spoil material, limit-ed the possibility of self-supply. Inthe case of the Gotthard BaseTunnel, especially in the initialphase, one had to work withbought material, because notenough processed material wasavailable. New technical frontierswere crossed in order to processas much material as possible. Thusin the subsection Sedrun a micaseparation plant to reduce themica content in the sand (particlesize range 0–1 mm) was set up.The method proved to be quitesatisfactory and the mica contentcould be limited, with a minimumuse of flotation, to less than 20mica particles % (i.e. parts perhundred).

Special requirements pla-ced on the production The overburden for the GotthardBase Tunnel is up to 2,300 m andthus one has to reckon with rocktemperatures of up to about50 °C. Further, since the distancesbetween the concrete production

Fig. 2

Materialbilanz Gotthard-Basistunnel.Materials balance in the Gotthard Base Tunnel.

MaterialanfallAmount of material

Klassifikationclassification

Geeignet für Betongesteins-körnungen 9,0 Mio. t

Suitable for concrete aggregate9.0 mil. t

Gotthard-Basistunnel25 Mio. t

Gotthard base tunnel25 mil. t

Gesteinskörnungen für Beton Concrete aggregate 29,0%

2,5%

2,5%

2,0%

19,6%

30,0%

14,0%

0,4%

Abgabe an DritteSupply to third party

AufbereitungsverlusteLosses during processing

SchlämmeSludge

Eigenbedarf für DammschüttungenOwn usage for embankments

Ablagerung und RekultivierungLandfill and recultivation

Schüttmaterial für DritteFill material for third party

ReaktordeponieReactor repository

Ungeeignet für Betongesteins-körnungen 15,9 Mio. t

Unsuitable for concrete aggre-gate, 15.9 mil. t

Schlämme aus Vortrieb 0,1 Mio. tSludge from tunnel drives, 0.1 mil. t

VerwendungUtilization

123

der mechanischen und petrografi-schen Eigenschaften des Ausbruch-materials anderseits beschränkendie Selbstversorgungsmöglichkeit.Am Gotthard-Basistunnel musstevor allem in der Anfangsphaseteilweise mit zugekauftem Mate-rial gearbeitet werden, da nochnicht genügend aufbereitbareszur Verfügung stand. Um mög-lichst viel Material aufzubereiten,wurde technisches Neuland be-treten. So wurde im TeilabschnittSedrun eine Glimmerflotations-anlage zur Reduktion des Glim-mergehalts im Sand (Korngruppe0–1 mm) eingesetzt. Das Verfah-ren hat sich bewährt und derGlimmeranteil konnte auch mitminimalem Einsatz von Flotati-onsmittel auf unter 20 Stk.-%beschränkt werden (d.h. von 100Teilchen sind weniger als 20Teilchen Glimmerteilchen).

Spezielle Anforderungenan die HerstellungDie Überlagerung am Gotthard-Basistunnel beträgt bis 2300 m;daher muss mit Felstemperaturenvon bis zu ca. 50 °C gerechnetwerden. Da zudem die Distanzenzwischen Betonproduktion undEinbauort im Tunnel bis zu 30 kmbetragen, sind die Anforderun-gen an die eingesetzten Betoneund Spritzbetone als ausserge-wöhnlich zu bezeichnen. Um die-sen Umständen gerecht zu wer-den, wurde ein Zulassungssystemfür Betonrezepturen entwickeltund öffentlich ausgeschrieben.Dieses umfasste die drei StufenEignungsprüfung, Vorversucheunter Laborbedingungen sowieHauptprüfung unter Baustellen-bedingungen. Mit dem Prüfsys-tem wurde das Ziel verfolgt underreicht, die Risiken für die Bau-herrschaft betreffend Dauerhaf-tigkeit des Bauwerks und Mitver-antwortung als Lieferant von Ge-steinskörnungen zu vermindern.Da am Gotthard-Basistunnel unter-schiedliche petrografische Ver-hältnisse anzutreffen sind, wur-den drei Prüfabschnitte Erstfeld/Amsteg, Sedrun und Faido/Bodiodefiniert. Mit den von den inter-essierten Anbietern entwickeltenBetonrezepturen wurden mit den

plant and where it is needed inthe tunnel may be up to 30 km,the demands on the specifiedconcrete and sprayed concretetypes were exceptionally high. Tosatisfy these conditions a techni-cal approval system for the con-crete mix designs was developedand a call for tenders was publish-ed. This covered the three-levelsuitability testing, preliminarytesting under laboratory conditi-ons as well as the main testingunder site conditions. With thistesting system the goal was pur-sued and achieved, whereby therisks for the owner concerningthe structure’s durability and theshared responsibility as supplierof the aggregate are reduced.Since varying petrographic condi-tions are encountered in theGotthard Base Tunnel, three test-ing sections, namely Erstfeld/Am-steg, Sedrun and Faido/Bodio weredefined. The concrete mix designsdeveloped by the interested bid-ders were produced for the spray-ed concrete and the concretewith the typical aggregates ofeach test section. These weretested with a view to workabilityas also to quality and durability.The tested mix designs comprisethe cement content, chemical andmineral admixtures (additives)and approved by means of publi-cation in the Swiss Official Ga-zette of Commerce.The following tests were devisedand carried out for the technicalapproval:– Open time (workability time):

Important in warm, damp cli-matic conditions for under-ground transport distances ofup to nearly 30 km (more than3 hours between mixing pro-cess and placing the concrete)

– Technical specifications: Com-pressive strength, early strength,impermeability, resistance tochemical attack

– Taking into account durability:Limiting the water-cement ratio;limiting value for the axialexpansion in sulphate tests;minimum cement content

In Switzerland, the problem ofalkali-aggregate reaction (AAR)has been widely discussed since

für jeden Prüfabschnitt typischenGesteinskörnungen Spritzbetoneund Betone erzeugt. Diese wur-den sowohl hinsichtlich Verarbeit-barkeit wie auch bezüglich Qua-lität und Dauerhaftigkeit geprüft.Die geprüften Rezepturen umfas-sen die Dosierung von Zement,Zusatzstoffen und Zusatzmittelnund wurden mit Publikation imSchweizerischen Handelsblattzugelassen.Folgende Prüfungen wurden fürdie Zulassung formuliert unddurchgeführt:– Offenzeit (Verarbeitungszeit):

Wichtig in feucht-warmem Kli-ma bei untertägigen Trans-portdistanzen bis zu fast 30 km(mehr als 3 Stunden zwischenMischvorgang und Verarbei-tung)

– Technische Anforderungen:Druckfestigkeit, Frühfestigkeit,Wasserdichtigkeit, Widerstandgegen chemischen Angriff

– Berücksichtigung der Dauer-haftigkeit: Begrenzung desWasserzementwerts; Grenz-wert für die Längenänderungbei Sulfatprüfungen; minima-ler Zementgehalt

In der Schweiz wurde seit derzweiten Hälfte der 90er-Jahre dieThematik der Alkali-Aggregat-Reaktion breiter diskutiert. Sie isteine chemische Reaktion zwi-schen reaktiven Gesteinskörnun-gen und freien Alkalien des Po-renwassers im Mörtel oder Beton.Dabei entsteht als neues Produktein expansives Gel, das zu Rissenund im schlimmsten Fall zur Zer-störung des Betons führt. Ge-stützt auf mehrere Prüfkampag-nen an Gesteinsmaterialien ausdem Bereich des Gotthard-Basis-tunnels und Inspektionen in diver-sen Untertagbauwerken, wurdeeine AAR-Massnahmenplanungfür den Gotthard-Basistunnel ent-wickelt. Dieses AAR-Konzept, dasdie bestehenden Materialbewirt-schaftungskonzepte sowie dasbereits bestehende Beton-Prüf-system berücksichtigen musste,sieht folgende Punkte vor:– Regelmässige Überprüfung der

potenziellen Reaktivität desRohmaterials und der darausaufbereiteten Gesteinskörnun-

124

1996 or thereabouts. It is primari-ly a chemical reaction betweenreactive aggregates and freealkaline impurities in the porewater of mortar or concrete. Thisproduces a new product, an ex-pansive gel, which can lead tocracks and in the worst case tosevere damage of the concrete.

gen mit Mikrobar-Prüfung. Aus-schluss des stark reaktivenRohmaterials von der Aufbe-reitung.

– Überprüfung des AAR-Wider-stands der Betonrezepturenprimär durch stoffliche Nach-weise und sekundär durch Per-formanceprüfungen.

– Konstruktive Massnahmen zumSchutz des Betons vor Wasser-kontakt

Während des Baus werden lau-fend Frisch- und Festbetonprü-fungen ausgeführt, die in losbe-zogenen in Kontrollplänen fest-gelegt sind. Dabei sind nicht nur

Under the leadership of AlpTran-sit Gotthard AG, and supportedby a number of experimental in-vestigations on rock materialsfrom the region of the GotthardBase Tunnel together with inspec-tions in various undergroundstructures, for the planning ofremedial measures to counteractAAR in the tunnel were develop-ed. This AAR concept, which hadto take into consideration theexisting material managementconcepts as well as the existingconcrete testing system, coversthe following points:– Regular checking of the poten-

tial reactivity of the raw mate-rial and the aggregate process-ed from it using MicrobarTesting. Exclusion of stronglyreactive raw material beforeprocessing.

– Testing the AAR resistance ofthe concrete mix design prima-rily by means of material analy-sis and secondarily by means ofPerformance Testing

– Constructional measures to pro-tect the concrete from contactwith water

During execution, regular testingboth on the green concrete andon the hardened concrete is car-ried out. These tests comply withthe Swisscode SIA 262/1 and arespecified for each construction lotin the control plans. In this way,not only the criteria to be fulfilledbut also the frequencies oftesting are defined. The follo-wing tests are carried out:– Green concrete tests: concrete

yield, consistency, water con-tent and water cement ratio

– Hardened concrete tests: earlystrength, cube strength, waterconductivity, chemical resis-tance (proof of resistance tosulphate attack for exposureclass XA2)

Fig. 3 summarizes graphically theresults of hardened concrete testsin the subsection Sedrun over aperiod of 6 months.

Experience gainedToday, for the Gotthard BaseTunnel, concrete mix designs arestill used that are based on thetested and approved concrete mix

Referenzen/References[1] C. Thalmann; Beurteilung undMöglichkeiten der Wiederverwen-dung von Ausbruchmaterial aus demmaschinellen Tunnelvortrieb zuBetonzuschlagstoffen, ETH Diss. Nr.11721, 1996

Fig. 3

Ergebnisse der Festbetonprüfungen im Teilabschnitt Sedrunüber 6 Monate.Results of hardened concrete tests in the section Sedrunover a period of 6 months.

Anz

ahl P

rüfu

ngen

Num

ber

of t

ests

PrüfhäufigkeitTesting frequency

Anzahl SollSpecified number

Anzahl IstActual number

fcw,min

fcw,m

DruckfestigkeitCompressive strength

0WasserleitfähigkeitWater conductivity

SulatwiderstandSulphate resistance

100200300400500600700

Resu

ltate

[N

/mm

2 ]Re

sults

[N

/mm

2 ]

Prüfresultate 28-Tage-DruckfestigkeitTest results 28 days compressive strength

0,0

Apr

09

Mai

09

Jun

09

Jul 0

9

Aug

09

Sep

09

10,020,030,040,050,060,070,0

Soll/nom. value ø (5) ≤12 g/m2hSoll/nom. value EZ* ≤10 g/m2h

*EZ = Einzelwert/single value

Resu

ltate

[g/

m2 h

]Re

sults

[g/

m2 h

]

WasserleitfähigkeitWater conductivity

0

Apr

09

Mai

09

Jun

09

Jul 0

9

Aug

09

Sep

09

5

10

15

Soll/nom. value ø (5) ≤ 0,7‰Soll/nom. value EZ* ≤ 0,5‰

Deh

nung

[‰

]Ex

pans

ion

stra

in [

‰]

SulfatwiderstandSulphate resistance

–1,00

Jan

09

Feb

09

Mrz

09

Apr

09

Mai

09

Jun

09

–0,500,000,501,00

125

die Erfüllungskriterien, sondernauch die Prüfhäufigkeiten defi-niert. Folgende Prüfungen wer-den durchgeführt:– Frischbetonkontrollen: Ergiebig-

keit, Konsistenz, Wassergehaltund Wasserzementwert

– Festbetonprüfungen: Frühfes-tigkeit, Würfeldruckfestigkeit,Wasserleitfähigkeit, chemi-scher Widerstand (Nachweisgegen Sulfatangriff, Exposi-tionsklasse XA2)

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Zu-sammenstellung der Ergebnissevon Festbetonprüfungen im Teil-abschnitt Sedrun über einen Zeit-raum von sechs Monaten.

ErfahrungenAm Gotthard-Basistunnel werdenheute noch Betonrezepturen ver-wendet, die auf den geprüftenund zugelassenen Betonrezeptu-ren basieren. Anpassungen anden Rezepturen waren jedocherforderlich, unter anderem weilGesetzesvorschriften geänderthaben oder Produkte in ihrer

designs. Adjustments to the mixdesigns were necessary, however,among other things because codeprovisions have changed or pro-ducts in their original form are nolonger produced today.At the end of 2009 more than 40 km of single-track tunnel, aftertechnical verifications or appro-val, are now ready for installationin the railway’s technical infra-structure. The concrete qualitycorresponds in every way to thespecifications. Up till now, therewas not one single case in whichany requirement placed on theconcrete in the completed struc-ture was not fulfilled. Thus thechosen concept may be consider-ed to have been successful.The application of the concept toother projects would appear tobe worthwhile in cases where, asfor the Gotthard Base Tunnel,there is only limited reliable infor-mation available, or even none atall, with regard to the technicalquestions arising.

ursprünglichen Form heute nichtmehr hergestellt werden.Per Ende 2009 sind mehr als 40 kmEinspurtunnel nach technischenPrüfungen oder Abnahmen be-reit für den Einbau der bahntech-nischen Installationen. Die Beton-qualität entspricht durchwegsden Anforderungen. Bisher gabes keinen einzigen Fall, bei demam fertiggestellten Bauwerk eineAnforderung an den Beton nichterfüllt war. Das gewählte Kon-zept hat sich bewährt.Eine Übertragung des Konzeptsauf andere Projekte erscheintdort sinnvoll, wo wie beim Gott-hard-Basistunnel nur wenige oderkeine gesicherten Kenntnisse zutechnischen Fragestellungen vor-liegen.

Autor/Author

Rupert H. LiebDr. sc. techn., dipl. Ing. TU GrazLeiter BaumanagementAlpTransit Gotthard AGCH-6003 Luzernrupert.lieb@alptransit.ch

Fig. 4

Zwischenlager mit ausgebrochenem Material.Interim storage of excavated material.

126

EinleitungBeton ist heute einer der wichtigs-ten Baustoffe überhaupt. Die Ver-wendungsmöglichkeiten schei-nen unbegrenzt, sei es im Hoch-und Industriebau, Wasser-, Tief-und Tunnelbau oder Brücken- undVerkehrswegbau. Jährlich werdenweltweit fünf Milliarden Kubik-meter Beton produziert [1]. Einnachhaltiger Umgang mit diesemBaustoff ist deshalb unerlässlich.Und zwar auf ökologischer, ge-sellschaftlicher und ökonomischerEbene. Dies wird heute jedoch er-schwert durch Vorurteile gegen-über diesem Baustoff sowie we-gen der vorherrschenden Rollen-verteilung zwischen Architekten/Planenden und der Bauindustrie.Im Bemühen um ein nachhaltigesBauen verstrickt man sich in deraktuellen Diskussion in wider-sprüchlichen Zielen – überzeugen-de Konzepte für ein nachhaltigesBauen mit Beton fehlen. In die-sem Beitrag wird vorgeschlagen,die Anforderungen einer nach-haltigen Nutzung des Bauwerksals Richtschnur für die Entwick-lung eines nachhaltigen BaustoffsBeton zu verwenden – unter Aus-nützung aller technischen Mög-lichkeiten und Berücksichtigungder Bedürfnisse der Nutzer.

Vorurteile verhindernnachhaltiges BauenFragt man Studierende der Bau-wissenschaften nach nachhaltigenBaustoffen, so nennen sie Holz,Lehm und Natursteine. Auf Nach-frage erfährt man, dass «Nachhal-tigkeit» vielerlei Bedeutung habenkann. Sie umfasst die Vorstellungder Unerschöpflichkeit, z.B. vonnachwachsenden Rohstoffen,ebenso wie ein Empfinden vonNähe zur Natur verbunden mitmöglichst wenig (technischer) Be-oder Verarbeitung. Technische Pro-zesse werden mit Umweltbelas-tungen im Lebensweg der Bau-

stoffe verbunden. Beton schnei-det in dieser Betrachtung schlechtab. Er besteht aus nicht nach-wachsenden Rohstoffen und istein von Menschen gemachter –«unnatürlicher» – Stein. Gleich-zeitig ist er Sinnbild der wachsen-den Siedlung und Zersiedlung,die die Natur verdrängt – Stich-wort: Zubetonierung der Land-schaft.Derartige Vorstellungen verhin-dern einen sachbezogenen undlösungsorientierten Zugang zurnachhaltigen Entwicklung. Siegründen auf zwei Vorurteilen.Zum einen sind nachwachsendeRohstoffe nicht unerschöpflich.Sie sind begrenzt durch dasVorhandensein von fruchtbarerFläche, Wasser und der für dasWachstum notwendigen Zeit.Angesichts der rasch wachsendenWeltbevölkerung sind diese dreiRessourcen äusserst knapp [2].Zum Zweiten wächst die Siedlungnicht aufgrund der Verfügbarkeitvon Beton, sondern infolge einerwachsenden Bevölkerungszahl,des zunehmenden Wohlstandsund der niedrigen Energiepreise.Beton hat sich als gut verfügbarerBaustoff erwiesen, der das rascheWachstum der Siedlung ermög-licht und er wird eine wichtigeRolle bei ihrer Erneuerung spie-len. Anstatt aber Beton als not-wendiges Übel zu begreifen, soll-ten die Bauwissenschaften fra-gen, wie man die Vorteile diesesBaustoffs als Chancen für einenachhaltige Entwicklung nutzenkann. Im Zentrum steht dabei dieQualität der heutigen und zu-künftigen Nutzung des Bauwerksbezogen auf eine nachhaltigeSiedlungsentwicklung, auf dasWohlergehen der Nutzer undeinen möglichst effizienten Ein-satz von wirtschaftlichen und na-türlichen Ressourcen währenddes gesamten Lebenswegs. DieserFrage nach den möglichen Vorzü-

IntroductionConcrete is one of the most im-portant construction materials to-day. Applications in constructionseem to be unlimited, rangingfrom residential and office build-ings to industrial constructionand infrastructures. Over five bil-lion cubic metres of concrete areproduced around the world everyyear [1]. A sustainable manage-ment of concrete, therefore, isessential with regard to all threedimensions of sustainability: envi-ronment, society and economics.Yet, this important developmentis hindered by prejudice againstconcrete as well as the prevailingdivision of labour (and role allo-cation) between the constructionindustries and architects/plan-ners. Current efforts in sustaina-ble construction with concretestruggle with contradictory goalsand there is a lack of convincingconcepts and visions. In this arti-cle, we suggest taking the requi-rements of a sustainable use ofbuildings as a guideline for deve-loping ”sustainable concrete” –taking advantage of current inno-vations in building technologiesand considering the users’ needs.

Prejudice impedes sustain-able constructionIf you ask students in civil andstructural engineering to namesustainable construction materi-als, they will most likely give tim-ber, clay and natural stone as ans-wers. On enquiry you will learnabout various meanings of theterm sustainability including inex-haustibility often associated withrenewable resources as well assolidarity with nature linked to arejection of technically processedmaterials. Technical processes areassociated with emissions and theexploitation of resources in thematerial’s life cycle. Concrete canhardly bear comparison with this

Kann man mit Beton nachhaltig bauen?Can we construct sustainably with concrete?

Susanne Kytzia, Aldo Rota, Felix Wenk, Ulrich Stüssi, Simon Lier

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notion of sustainable constructionmaterials, as it is made of non-renewable resources and is atechnically processed – ”non-na-tural” – stone. In addition, con-crete has become a symbol forgrowing residential areas and thedestruction of natural landscapes.In the German language the term«Zubetonieren» (to cover overwith concrete) is a slang expres-sion for this unpopular develop-ment. Such ideas hinder a problem-ori-ented and productive approachto sustainable construction. Theyare based on two prejudices. Onthe one hand, renewable resour-ces are not inexhaustible. Theirproduction is limited by availabili-ty of fertile land, water and thetime necessary for biomass pro-duction. In view of the world’sgrowing population these threeresources are precious and scarce[2]. On the other hand, residentialareas do not grow because con-crete is available but due to agrowing population, increasingwealth and low prices for fossilfuels. The availability of concretehas enabled the development ofthe residential areas and will be

gen von Beton im nachhaltigenBauen wird in einem Forschungs-projekt der cemsuisse nachgegan-gen [3]. Als Ergebnis liefert es eineerste Auslegeordnung von Fragenan die Bauwissenschaften, die zueinem nachhaltigen Bauen mitBeton beitragen sollen.

Sind die Rollen richtigverteilt?Die Autoren der Studie hinterfra-gen bestehende Denkmuster, vorallem die Arbeitsteilung zwischenBaustoffindustrie und Architekten/Planenden. Im heute gängigenVerständnis stellt die Baustoffin-dustrie einen Baustoff her, derden Anforderungen des Architek-ten/Planenden genügt. Erweiternsich diese Anforderungen in Rich-tung Nachhaltigkeit, folgt dieBauindustrie – z.B. durch Liefe-rung von Recyclingbeton wie imGebäude-Label Minergie-Eco ge-fordert [4]. Die Betonindustrie istalso um die Nachhaltigkeit vonBeton besorgt – um die Nachhal-tigkeit der Bauwerke hingegenkümmern sich die Architekten/Pla-nenden. Dieses Denkmuster spie-gelt sich in den meisten Instru-menten zur nachhaltigen Planungwider [5,6,7,8]. Bei der Material-wahl fragt man kaum, mit wel-chen Baustoffen die gewünschtenGebäudeeigenschaften in Bezugauf die soziale und wirtschaftli-che Dimension der Nachhaltigkeiterreicht werden können, sondernberücksichtigt fast ausschliesslichdie Umweltbelastungen. Seltendiskutiert werden die vielfältigenMöglichkeiten, den Einsatz vonBeton für verschiedenste Anfor-derungen und Nutzungsbedin-gungen zu optimieren. In den ak-tuellen konstruktiven Konzeptenwird Beton unbewehrt, bewehrt,vorgespannt, stahl- oder kunst-stofffaserverstärkt oder im Ver-bund eingesetzt. Die moderneBetontechnologie bietet vielseiti-ge architektonische Gestaltungs-möglichkeiten: Sichtbeton, pig-mentierter Beton, neuerdingsauch semitransparenter Beton so-wie eine Vielfalt von Schalungs-bildern. Diese Möglichkeiten wer-den aber von der Baustoffindus-trie kaum aktiv in die Diskussion

crucial for their renewal in thecoming decades. Yet, instead ofregarding concrete as a necessaryevil, engineers and scientistsshould find out how sustainableconstruction could take advan-tage of the merits that concreteundoubtedly has in construction.This discussion should focus onthe quality of current and futureuse of the built environment withregard to sustainable urban deve-lopment, wellbeing of users andefficiency in the use of naturaland economic resources duringthe material’s entire life cycle. Acurrent research project fundedby the Association of the SwissCement Industry (cemsuisse) isinvestigating the benefits of con-crete in sustainable construction[3]. The aim is to provide an over-view of the research field and for-mulate research questions to beanswered by the constructionsciences as a contribution to sus-tainable construction.

How are roles allocated?The authors of this study questionthe prevailing paradigms in con-struction, especially the currentrole allocation between the con-struction industries and architects/planners. In line with the currentunderstanding, the constructionindustries produce constructionmaterials as required by architectsand planners. If requirementschange or broaden with increas-ing awareness of sustainability,the construction industries willfollow suit – for example by pro-ducing concrete made of recycledaggregates as required by theSwiss standard for environmentalconstruction – Minergie-Eco [4].The construction industries areconcerned to support a sustaina-ble production of concrete. Yet itis the architects/planners who arein charge of the sustainable con-struction of buildings. Most plan-ning tools in sustainable construc-tion reflect this paradigm (seee.g. [5,6,7,8]). In evaluating con-struction materials, architects/planners rarely ask how a materialcould contribute to desired build-ing characteristics with regard tothe social and economic dimension

Referenzen/References[1] B.L. Jensen, M. Glavind; Considerthe Environment – Why and How? In:Dhir R. K., Dyer T. D. and Halliday J.E.(eds.), Sustainable Construction Con-crete. Proceedings of the Internatio-nal Conference held at the Universityof Dundee, Scotland UK on 9-11 Sep-tember 2002. S. 14.[2] M. Calkins; Materials for Sustaina-ble Sites. Wiley & Sons New Jersey,2009. S. 272.[3] Forschungsprojekt der cemsuisseNr. 200801; Vorzüge nachhaltigenBauens mit Beton, vom 1.3.2009 biszum 31.11.2009.[4] Dokumentation zum Minergie-Standard; www.minergie.ch.[5] Empfehlung SIA 112/1; Nachhal-tiges Bauen – Hochbau. Ergänzungenzum Leistungsmodell SIA 112. 2. Auf-lage, Muttenz 2005.[6] US Green Buildings Council; LEED– Green Buildings Rating System forNew Construction and Major Reno-vations. Version 2.1. 2002.[7] BREEAM; The EnvironmentalAssessment Method for Buildingsaround the World. 2009.[8] DGNB; Das Deutsche GütesiegelNachhaltiges Bauen. Aufbau –Anwendung – Kriterien. DeutscheGesellschaft für Nachhaltiges Bauen.2. Auflage 2009.

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um ein nachhaltiges Bauen einge-bracht. Traditionell bestimmenArchitekten/Planende die «Nach-haltigkeit» des Bauwerks – dieBaustoffindustrie liefert die dazugeeigneten Baustoffe.

Denkmuster 1: Die Industrie stellt«nachhaltigen Beton» bereitBleiben wir zunächst in diesemgängigen Denkmuster. Wir gehenhier davon aus, dass ein Baustofftendenziell nachhaltig ist, wennin seinem Lebensweg möglichstwenig Ressourcen verbrauchtwerden (natürliche, soziale undökonomische) und er die für dasBauen erforderliche Qualität ge-währleistet. Wie kann man die Herstellungvon Beton nach diesen Kriterienoptimieren? Man kann die CO2-Emissionen bei der Zementher-stellung reduzieren. Verantwort-lich ist neben der Verbrennungfossiler Energieträger im Zement-ofen vor allem der Ausstoss vonKohlendioxid beim Brennen vongemahlenem Kalkstein zu Klinker.Diese CO2-Emissionen sind «natur-gegeben» und können nur durchdie Reduktion des Klinkeranteilsim Zement gesenkt werden (z.B.durch Kompositzemente). Ausser-dem können Sekundärbrennstof-

of sustainability, but focus on therisk for the natural environmentlinked to production, use andwaste treatment of constructionmaterials such as concrete. Littleattention is given to adaptingand optimizing concrete applica-tions to the needs of the build-ing’s environment and use. Cur-rent concrete applications aremanifold, ranging from reinfor-ced (with different materials),non-reinforced, prestressed tocomposite structures. Modernbuilding technologies providevarious options for design such asfair-faced concrete, pigmentedconcrete and semitransparent con-crete as well as visual design op-tions given by a variety of form-work finishes. These options arerarely promoted in sustainableconstruction. Traditionally, archi-tects/planners are in charge of thesustainable construction of build-ings and the construction indus-tries deliver construction materi-als suitable for this purpose.

Paradigm 1: Construction industrydelivers ”sustainable concrete”Let us stay with the prevailingparadigm and assume that a con-struction material tends to besustainable if its resource efficien-

fe die fossilen Brennstoffe erset-zen. Der zweite wichtige Ansatz-punkt ist das Betonrecycling. Inden meisten Kantonen werdenheute bis zu 90% der anfallendenMengen an Betongranulat inloser Form wieder verwertet. Diesist relativ einfach, denn es wirdheute wesentlich mehr gebaut alsabgebrochen. Ändert sich dies,dann entsteht ein Überschuss anBetongranulat. Daher wird seinvermehrter Einsatz zur Betonpro-duktion propagiert. Ein «nachhaltiger Beton» bestehtalso aus möglichst wenig Klinkerund möglichst viel rezyklierterGesteinskörnung (Betongranulat)– ohne dass dadurch Qualitätoder Anwendungsmöglichkeiteneingeschränkt werden.

Denkmuster 2: Der BaustoffBeton unterstützt das Entwickeln«nachhaltiger Bauwerke»Verlassen wir dieses gängige Denk-muster und wenden wir unseinem neuen Ziel zu: dem Bereit-stellen von nachhaltigen Bauwer-ken. Dies sind Bauwerke, die mitminimalem Ressourcenverbrauch(natürliche, soziale und ökonomi-sche Ressourcen) den maximalenNutzen für die Gesellschaft er-bringen – einschliesslich der nach-

Entwurfsregel des nachhaltigen Designs

Möglichst geringer Materialeinsatz pro Einheitdes geschaffenen Nutzens

Möglichst geringer Energieeinsatz pro Einheitdes geschaffenen Nutzens

Möglichst geringe Lebenszykluskosten proEinheit des geschaffenen Nutzens

Wie wird der Einsatz von Beton heute tendenziellbewertet?

Beton bestimmt je nach Bauweise zwischen 30%und 80% der Masse von Bauwerken im Hochbau.

Beton schneidet aufgrund seines relativ hohen spe-zifischen Gewichts tendenziell schlechter ab als diemeisten anderen Baustoffe.

Die zur Herstellung des Betons aufgewendete Ener-gie hat nur einen geringen Anteil am Gesamtenergie-verbrauch im Lebensweg eines Bauwerks im Hochbau.

In bestehenden Gebäuden älteren Baujahrs ist dieBetriebsenergie entscheidend. Der relative Anteilder grauen Energie der Baustoffe am Gesamtener-gieverbrauch erhöht sich mit zunehmender Energie-effizienz in der Nutzung.

Die Kosten des Betons, seines Einbaus und derInstandhaltung/-setzung von Betonbauteilen habenin der Regel nur einen geringen Anteil an denLebenszykluskosten von Bauwerken im Hochbau.

Die Kapitalkosten sind hier dominant, gefolgt vonden Kosten der Instandhaltung/-setzung von Bau-teilen im Innenausbau und den Betriebskosten.

Welche Verbesserungsmöglichkeiten bestehen?

Als Konsequenz werden neue Betonsorten vorge-schlagen, deren Einsatz zu einer Gewichtsreduk-tion der Bauwerke beiträgt (z.B. Leichtbeton oderHochleistungsbeton).

Folgende Nachteile können sich ergeben: Das Erhöhen der Zementmenge, der vermehrteEinsatz von Bewehrung, eine Senkung der Lebens-dauer oder der Fehlertoleranz im Bauprozess.

Beton bietet die Möglichkeit zur Reduktion derBetriebsenergie durch Nutzung von Betonbauteilenals Wärmespeicher und ihrer thermischen Aktivie-rung.

Folgende Nachteile können sich ergeben: Die Erhöhung der Masse und allfällige Problemebei Instandhaltung, Instandsetzung und Rückbau.

Beton bietet dann Vorteile, wenn sein Einsatz dieLebensdauer der Bauwerke erhöht, denn diesbeeinflusst die Kapitalkosten. Dafür ist die Nut-zungsdauer des Bauwerks wichtiger als die techni-sche Lebensdauer der Bauteile. Entscheidend sindNutzungsflexibilität, Variabilität und die Möglich-keiten zur Erweiterung.

Fig. 1

Gängige Entwurfsregeln des nachhaltigen Designs und Einfluss desEinsatzes von Beton sowie Verbesserungsmöglichkeiten.

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cy is high during its entire life cy-cle (with regard to natural, socialand economic resources) and itmeets all relevant requirementsin construction. How can we improve sustainabilityof concrete from this perspective?We can first reduce CO2-emissionsin cement production, which iscaused by burning fossil fuels inthe cement kiln as well as produc-ing clinker from limestone. In thisprocess of calcination CO2 is emit-ted from limestone. This emissionis directly linked to clinker pro-duction and can only be reducedwith decreasing clinker production(e.g. by developing and improvingcomposite cements). In addition,fossil fuels can be substituted bysecondary fuels such as used tyresand waste plastics. Recycling isthe second important approachfor increasing resource efficiency.In Switzerland, almost 90% of allconcrete construction waste is re-cycled – mostly as recycled aggre-gate in infrastructure construction.This is comparatively easy becausecurrently far more buildings arenewly constructed than demolish-ed. This is going to change, even-tually resulting in a surplus ofconcrete waste. In view of thisdevelopment authorities in waste

folgenden Generationen. WelchenBeitrag kann der Baustoff Betonhier leisten? Fig. 1 beschreibt dreigängige Entwurfsregeln des nach-haltigen Designs und zeigt, wel-chen Einfluss der Einsatz vonBeton hat bzw. wie man ihn ver-bessern könnte. Hier wird deut-lich, dass wir heute kein schlüssi-ges Konzept für ein nachhaltigesBauen mit Beton haben und unsin widersprüchlichen Zielen ver-stricken. Betonbauten sollen einer-seits leichter werden und ander-seits Betonbauteile als Wärme-speicher nutzen. Sie sollen zumeinen durch thermische Aktivie-rung von Bauteilen Betriebs-energie sparen und möglichstleicht sein. Zum anderen sollendiese Bauwerke aber flexibelnutz- und erweiterbar sein undden Ansprüchen der Nutzer überGenerationen gerecht werden.Dies alles vor dem Hintergrundder Forderung nach einem nach-haltigen Baustoff Beton mit mög-lichst wenig Klinker und mög-lichst viel rezyklierter Gesteins-körnung.

Bauwissenschaften müssenWidersprüche auflösenDie Bauwissenschaften stehen vorder Herausforderung, diese Wider-

management and experts in sus-tainable construction promotethe use of recycled aggregate forconcrete production. From this perspective, producing”sustainable concrete” means mi-nimizing the clinker content andmaximizing the content of recy-cling aggregate without imped-ing the quality of concrete and itsapplications.

Paradigm 2: Concrete helps todesign ”sustainable buildings”Let us leave the traditional para-digm and turn to a new goal: theproduction of sustainable build-ings. These are buildings that mi-nimize the consumption of natu-ral, social and economic resour-ces, while providing as many be-nefits for society as possible, in-cluding benefits for future gene-rations. How can concrete contribute tothis new goal? Fig. 1 shows threepopular design rules in sustaina-ble construction and discusses theinfluence of concrete applicationand its potential for optimization.It becomes obvious, that untilnow we lack a convincing conceptfor sustainable concrete construc-tion and we struggle with contra-dictory goals. Architects/planners

Design rules in sustainable construction

Minimize material demand per service unit

Minimize energy demand per service unit withemphasis on fossil fuels

Minimize life-cycle costs per service unit

Assessment of concrete applications in buildings

Concrete dominates the material demand of build-ings with a major share in the total mass rangingfrom 30% to 80%, depending on the type of con-struction.

In principle, concrete’s comparatively high density isa great disadvantage when this design rule isapplied.

Energy requirements for concrete production onlyhave a minor share in the overall energy demand ina building‘s life cycle.

In existing buildings the technical standards for ope-rational energy are crucial. With increasing energyefficiency in practice, the relative importance ofenergy demands in construction will eventually grow.

Life-cycle costs of concrete structures and compo-nents usually only have a minor share in the sum ofa building’s overall life cycle costs.

Capital costs are a dominant category followed bycosts of maintenance and renewal of interior fit-tings, building equipment and appliances as well asother operational costs.

Options for improvements

New concrete products are being developed toreduce the weight of components made of con-crete such as lightweight or high-performanceconcrete.

Possible disadvantages are increase in the contentof cement and reinforcement materials, and areduction of durability and fault tolerance in con-struction processes.

Concrete structures can help to reduce operationalenergy demands if they are thermally activated orused as heat reservoirs.

Possible disadvantages are increase in mass andproblems in maintenance, structural modificationsand demolition.

Concrete helps to reduce life-cycle costs if itsapplication contributes to increasing a building’sservice life, which is relevant for capital costs.However, durability of construction materials isonly one aspect in a building‘s service life. Flexi-bility and expandability are even more importantand are only indirectly affected by the choice ofbuilding materials.

Fig. 1

Design rules in sustainable construction and influence of concreteapplication as well as its potential for optimization.

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are supposed to reduce the weightof concrete buildings while usingconcrete compounds as heat re-servoirs. They should try to ther-mally activate concrete com-pounds to reduce the operationalenergy consumption required forheating and cooling. Yet, thebuildings are supposed to be fle-xible and expandable for futureuse. And, all these requirementsshould be met with concrete con-taining as little clinker and as muchrecycled aggregate as possible.

Construction sciencesshould resolve the prevail-ing contradictionsConstruction sciences have tomeet the challenge of resolvingthe contradictions in sustainableconstruction using concrete, ifthey intend to promote sustaina-ble construction in general. With this aim, it is most importantto focus on the requirements of asustainable use of buildings andto take advantage of currentinnovations in building – and con-crete – technologies. Current re-search and development shouldfocus on the following questions:– How can suitable tools and con-

cepts in the life-cycle manage-

sprüche aufzulösen, wenn sie dasnachhaltige Bauen voran bringenwollen. Als entscheidend er-scheint den Autoren dieser Studiedie konsequente Orientierung anden Anforderungen einer nach-haltigen Nutzung des Bauwerksunter Ausnützung aller techni-schen Möglichkeiten. Im Zentrumstehen die folgenden Fragen:– Wie kann man durch geeigne-

te Instrumente und Konzeptedes Life-Cycle-Managementsdie Verwendung von Beton imnachhaltigen Design von Bau-werken unterstützen und dieAuswirkungen möglicher Nach-teile minimieren?

– In welchen Bauteilen/Bauwer-ken zeichnet sich Beton ver-gleichsweise positiv aus inBezug auf ökologische, sozialeund ökonomische Kriterien?Bei welchen Bauteilen/Bauwer-ken sind andere Baustoffe vor-zuziehen?

– Welche Erkenntnisse liefernein besseres Verständnis undWissen über die Verwendungvon Beton im heutigen Ge-bäudebestand für eine nach-haltige Bestandsentwicklung?

Ein wichtiger Ansatz ist die langetechnische Lebensdauer von Bau-

Fig. 2

Beton ist ein wesentlicher Teil unserer gebauten Umwelt.Concrete forms an important part of our built environment.

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ment of buildings and infra-structures promote the advan-tages of concrete in sustaina-ble construction and minimizeits shortcomings?

– In what types of components,buildings and structures is theapplication of concrete favour-able with regard to all threedimensions of sustainability(environment, society and eco-nomics)? In what types of com-ponents, buildings and structu-res does it fail to stand up tocomparison with alternativeconstruction materials?

– What can be learnt from a bet-ter understanding and know-ledge of concrete applications inthe built environment, whichwas constructed after and hasbeen in use since the SecondWorld War, for sustainablerenewal as well as new con-struction?

Durability is one important assetof concrete in sustainable construc-tion. Yet it will only be valued ifwe succeed in combining it with along service life of the buildingsand infrastructures – affected asthey are by architectural conceptsas well as real estate and infra-structure management.

teilen aus Beton. Es muss jedoch(wieder) gelingen, diesen Vorzugvon Beton zur Geltung zu bringen– durch bessere Konzepte in derGestaltung wie auch im Manage-ment.

Autoren/Authors

Susanne KytziaProf. Dr., lic. oec. HSGskytzia@hsr.ch

Aldo RotaProf. Dr. sc. techn., dipl. Ing. ETHarota@hsr.ch

Felix WenkProf., dipl. Ing. ETHfwenk@hsr.ch

Ulrich StüssiBSc FHO in Bauingenieurwesenustuessi@hsr.ch

Simon Lierlic. oec. publ.slier@hsr.ch

Institut für Bau und Umwelt an derHochschule für Technik RapperswilCH-8640 Rapperswil