Temperaturkontrollierter Beton

Betonkühlsysteme von KTI-Plersch Kältetechnik GmbH zur Erzeugung von insgesamt 2,6 Mio. Kubikmeter gekühlten Beton. Diese kamen zum Beispiel beim Bau des Dubai International Airports zum Einsatz. (Bild: KTI-Plersch Kältetechnik GmbH)

* Der Autor Michael Walleter ist Head of Sales bei KTI-Plersch Kältetechnik GmbH.

Beim Bau von Flughäfen, Staudämmen, aber auch Tunneln, Brücken und anderen Infrastrukturprojekten kommen massive Bauteile aus Beton zum Einsatz, die noch lange nach dem Einbau rissbildende Spannungen entwickeln können. „Gebaut wird immer“, so sagt es ein bekanntes Sprichwort. Doch für stabile Bauwerke braucht es besonders bei Mega-Projekten wie dem mittlerweile 1400 Hektar grossen Dubai International Airport in Saudi Arabien vor allem eines: Beton. Gleichzeitig ist es in der Vergangenheit bei mangelhafter Planung und fehlender Expertise häufig zu nachträglich auftretenden Problemen mit der Festigkeit des verbauten Betons gekommen, da der Beton nicht ausreichend temperiert wurde. Risse, die hydratationsbedingt durch Temperaturdifferenzen innerhalb des Bauteils bei der Aushärtung entstehen, müssen nachträglich gekittet werden und sorgen unter Umständen für gefährliche Schwachstellen in der Statik, ergo für potenzielle Bruchstellen. Gerade in klimatisch anspruchsvollen Regionen wie dem Nahen Osten, Südostasien oder Afrika, wo extreme Temperaturen herrschen, ist eine umfassende Senkung der Betontemperatur noch beim Mischen erforderlich. Doch auch in kalten oder wechselhaften Regionen muss der Beton temperiert und damit beheizt werden: Eine zu kalte Charge kann sonst gefrieren und so zu Strukturschäden im Bauteil führen.

Darüber hinaus haben sich in den letzten Jahrzehnten die Anforderungen auf Baustellen an den Umgang mit Beton verschärft. Gesetzgeber in vielen Ländern stellen höhere Ansprüche an Festigkeit, Beständigkeit und Haltbarkeit des Betons, was sich auch in den geforderten Grenzwerten der Betontemperatur niederschlägt. Zudem verlangen öffentliche wie private Auftraggeber zur Vermeidung von nachträglichen Problemen mit der Qualität des Betons oftmals noch strengere Temperaturgrenzen für den Frischbeton, die beispielsweise in Ländern der arabischen Halbinsel trotz gesetzlicher Vorgabe von 30  °C je nach Projekt nur 25 °C und weniger betragen darf – und das bei bis zu 50 °C Aussentemperatur im Sommer. Nicht zuletzt kommen oftmals neuartige High-Performance-Zemente zum Einsatz, die deutlich höhere Temperaturen beim Aushärten entwickeln als Standard-Zemente. Auch die Frage nach der Energieeffizienz, die erst mit steigenden Strompreisen und knapper werdendem Öl aufgetreten ist, stellt eine neue Herausforderung dar. Hierzu bedarf es Anlagen, die zwar einerseits eine signifikante Beeinflussung der Temperatur erreichen, aber auch andererseits Alternativen zu energieintensiven Methoden, wie beispielsweise dem Einsatz von Stickstoff, ermöglichen. Nicht zuletzt spielt gerade in urbanen Räumen der herrschende Platzmangel eine wachsende Rolle. Die Systeme zur Betonkühlung und -heizung sollen so kompakt wie möglich gehalten sein, sodass auch bei kleinen Baustellen eine funktionierende Betontemperierung realisierbar ist.

Betonkühlung durch Eis – Platteneis als energieeffiziente Option
In Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen und dem konkreten Bauvorhaben können dabei die möglichen Lösungen zur Temperierung des Betons sehr unterschiedlich ausfallen. In einem exemplarischen Fall soll ein Tunnel bei gemässigtem Klima in der DACH-Region gebaut werden. Aufgrund gesetzlicher Bestimmungen muss der Beton besonders dicht gegenüber Sickerwasser sein, damit es zu keinem Eindringen von Feuchtigkeit und damit langfristigen Schäden kommt („Weisse-Wanne-Beton“). Das hydratationsbedingte Entstehen von Rissen muss somit unbedingt vermieden werden. Dies bedeutet jedoch erhöhte Anforderungen an die Temperatur der Beton-Mischung: Maximal 20  °C sind für den einzubringenden Baustoff erlaubt. Dazu ist trotz des milden Klimas vor allem im Sommer der Einsatz einer effizienten Kühlvorrichtung nötig. Um diese Grenze nicht zu überschreiten und gleichzeitig ausreichend Beton bereitstellen zu können, werden für die Vorkühlung mehr als 50 t Eis pro Tag benötigt. Da bei diesem Projekt vonseiten des Auftraggebers grosser Wert auf Energieeffizienz gelegt wurde, fiel die Wahl auf die energieeffiziente Erzeugung von Platteneis anstelle von Scherbeneis. Platteneisanlagen sind je nach Umgebungsbedingung mit einem Verbrauch von circa 30-45 % weniger Energie pro Tonne Eis sparsamer als vergleichbare Scherbeneisanlagen.

Aggregatkühlung mit Luft als Alternative zu Eis
In tropischen Regionen wiederum, in denen Temperaturen um die 45 °C oder mehr herrschen können, kommen noch weitere Herausforderungen hinzu. So sollen in einem weiteren Beispiel täglich 1000 m3 in einem Werk für Transportbeton produziert werden, der bei allen Arten von grossen Bauwerken als Fundament verwendet wird. Um hier die regional vorgegebene Zieltemperatur von 23,5 °C zu erreichen, könnte man wie im europäischen Fall auf den Einsatz von Platteneis zurückgreifen, die wenn gewünscht gleichzeitig auch Kaltwasser erzeugen können. Jedoch wäre in diesem Fall selbst mit Einsatz von über 78 kg Eis und 36 l Kaltwasser pro Kubikmeter Beton nur eine Frischbetontemperatur von 28°C erreicht worden. Dies war auf Grund des Wasser-Zement-Verhältnisses nicht möglich und die Festigkeit des Betons hätte nicht mehr gewährleistet werden können. Daher  ist nun die Zuschlagstoffkühlung als Ergänzung zu Eis und Kaltwasser eingesetzt worden. Der für das Anmischen des Betons ebenfalls notwendige Kies wird dabei in entsprechend grossen Silos mithilfe von durch Düsen eingeblasener Kaltluft vor dem Mischvorgang herabgekühlt. Dabei wird die Aussenluft angesaugt und gereinigt, damit sich die Wärmetauscher nicht zusetzen und somit eine konstante Kühlleistung gewährleistet werden kann. Auf diese Weise wird die mechanische Wartung der Anlage auf ein Minimum reduziert. Die Luft gelangt schliesslich über ein mehrstufiges Kühlsystem mit Wärmetauscherpaketen von unten in das Siloinnere zum Kies, wodurch die Temperatur der Zuschlagstoffe in diesem Beispielfall auf circa 20 °C gesenkt wird. In anderen Fällen dient die Zuschlagstoffkühlung auch als vollständige Alternative zur Kühlung durch Eis. Im Ergebnis bleibt die Kombination von gekühltem Kies und Kaltwasser energetisch deutlich unter der Variante mit Eis, da die Abkühlung von Wasser ebenso wie von Luft weniger energieintensiv ist als die Herstellung von Eis. Aufgrund der Zusammensetzung von Beton (40 bis 60 % Kies) wirkt sich die Kühlung dieses Zuschlagstoffes ausserdem erheblich auf die Mischtemperatur aus und macht sie somit sehr effektiv.

Staudammbau als Königsdisziplin
In einem dritten und letzten Beispiel soll schliesslich eine der größten Herausforderungen bei der Kühlung und Heizung von Beton illustriert werden: der Staudammbau. Das Szenario spielt diesmal in einer weit im Süden gelegenen Region des amerikanischen Kontinents, in der sowohl niedrige Temperaturen im Winter als auch höhere Temperaturen im Sommer auftreten. Kennzeichnend für jedes Staudamm-Projekt sind die komplexen Anforderungen an den temperaturkontrollierten Beton, welche vor allem aus den Dimensionen der massiven Beton-Bauteile resultieren. So findet beim Aushärten ab einer gewissen Distanz zwischen Bauteilkern und Oberfläche praktisch kein Wärmeaustausch mehr zwischen Kern und Umgebung statt. Infolgedessen steigt auch die Wärme- und Volumenentwicklung im Inneren durch Hydratation, was die Struktur negativ beeinflusst – sei es das Nicht-Erreichen der gewünschten Druckfestigkeit oder eine verstärkte Bildung von Rissen durch thermische Ausdehnungen. Daher muss in diesem Fall beim Anmischen darauf geachtet werden, eine Anfangstemperatur von gerade mal 10 °C nicht zu überschreiten. Gleichzeitig dürfen die kalten Temperaturen im Winter nicht dazu führen, dass die Betonmischung unter einen Wert von 10 °C fällt, da ansonsten die Gefahr der Bildung von Lunkern besteht, also Löchern mit gefrorenem Wasser im Beton. Diese stellen eine erhebliche Beeinträchtigung der Festigkeit und Struktur des Betons dar.

Hier bietet sich nun aufgrund der klimatischen Bedingungen eine Kombination aus Anlagen zur Betonkühlung und -heizung an. Als Grundlage dient dabei erneut eine Platteneisanlage, die in diesem Fall gegenüber Scherbeneis den Vorteil hat, dass für die täglich benötigten 110 t Eis nur eine anstatt zwei Anlagen erforderlich sind. Zudem kann die Platteneisanlage ebenfalls die Versorgung mit Kaltwasser sicherstellen, sodass keine separate Kaltwasseranlage nötig ist, um die täglichen 200 m3 Wasser zur Kühlung der Betonmischung zu liefern. Allein durch diese Massnahmen sinkt der Energieverbrauch um circa 185 kW und die benötigte Menge an Kältemittel um über 50 %.

Trend in Richtung kompakter und energieeffizienter Anlagen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von Kaltwasser und -luft dem Einsatz von Eis in energetischer Hinsicht vorzuziehen ist. Betrachtet man die bereits heute vorhandenen Einsparmöglichkeiten hinsichtlich des Energieverbrauchs und die sich global weiterentwickelnde Bewegung hin zu effizienten Industrieanlagen und -verbrauchern, wird auch die Energieeffizienz bei der Kühlung und Beheizung von Beton eine immer stärkere Rolle spielen. Im Heizungssegment stehen dabei vor allem regenerative Brennstoffe im Vordergrund, wie etwa Holzpellets, Hackschnitzel oder auch Biogase. Ein weiterer Trend ist beim Platzbedarf der Anlagen-Set-Ups für Betonkühlung und -heizung auszumachen. Wie bei dem Beispiel in Südamerika kann durch den Verzicht auf einzelne Anlagen Platz gespart werden, was sich bei städtischen und allgemein beengten Baustellen bezahlt macht. Hier besteht die Lösung vor allem in modularen Anlagen, die beispielsweise fest installiert in 20 oder 40 Fuss-Containern gestapelt werden können, sodass in der Breite weniger Raum erforderlich ist. Damit kann in dicht besiedelten Gebieten, wo Raum teuer ist, Platz gespart werden, während sich in abgelegenen Regionen die Transportkosten verringern.

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