Projekt 34784/01

Umweltfreundliche Bahnschwellen mit Calciumsulfoaluminat-(CSA-)Zementen

ProjekttrÀger

VDZ Technology gGmbH
Toulouser Allee 71
40476 DĂŒsseldorf
Telefon: 02114578430

Zielsetzung

Bahnschwellen werden als Betonfertigteile in einem Herstellprozess mit hoher Taktung produziert. Der Deutsche Bahn Standard (DBS) 918143 legt fĂŒr die Herstellung von Schwellen die Verwendung von CEM I 52,5 N fest. Dieser wird benötigt, um hohe FrĂŒhfestigkeiten nach 24 Stunden zu erzielen. Jedoch entstehen bei der Herstellung von 1 t Portlandzement in Deutschland im Durchschnitt ohne Verbrennung von AbfĂ€llen bei der Klinkerherstellung (Netto) 0,665 t CO2 bzw. 0,875 t CO2 (Brutto). Diese Emissionen wirken sich auf die Ökobilanz von Bahnschwellen aus.
Die Hersteller von Bahnschwellen streben an, die Ökobilanz ihrer Produkte zu verbessern. Im Projekt werden die Hersteller von Bahnschwellen durch den Projektpartner PCM RAIL.ONE AG vertreten. Diese Verbesserung sollte mit einer weitgehend gleichbleibenden Produktionsgeschwindigkeit einhergehen. Folglich mĂŒssten Zemente verwendet werden, die ökobilanzielle Vorteile mit einer schnellen Festigkeitsentwicklung und hoher Dauerhaftigkeit verbinden. HierfĂŒr bieten sich Zemente auf Calciumsulfoaluminatbasis (CSA-Zemente) an. Deren Eignung fĂŒr die Herstellung von Betonfertigteilen sollte in diesem Forschungsvorhaben am Beispiel „Bahnschwellen“ untersucht werden.

Arbeitsschritte

Im Forschungsvorhaben wurde untersucht, ob die technischen Anforderungen an Bahnschwellenbetone mit CSA-Zementen realisiert werden können. Auch mussten einige grundlegende AnknĂŒpfungen an Regelwerke (z.B. E-Modul, Kriechen und Schwinden gemĂ€ĂŸ EC2) ĂŒberprĂŒft und sichergestellt werden.
Eine wesentliche Anforderung fĂŒr die Herstellung von Bahnschwellen sind die zu erzielenden Festigkeiten in frĂŒhem Alter (24 h) und nach 28 Tagen. Auch an die Frischbetoneigenschaften und die Temperaturentwicklung wĂ€hrend des ErhĂ€rtens werden anspruchsvolle Anforderungen gestellt. Diese Eigenschaften wurden in der ersten Projektphase unter Verwendung von CSA-Zementen bzw. einer Kombination aus CSA-Zementen und Portlandzementklinker basierten Zementen untersucht.
In der zweiten Projektphase wurde die Dauerhaftigkeit der Betone mit CSA-Zementen bzw. einer Kombination aus CSA-Zementen und Portlandzementklinker basierten Zementen, sowie das Kriechen und Schwinden der Betone untersucht. Abgeschlossen wurde die zweite Projektphase durch Praxisversuche beim Projektpartner PCM RAIL.ONE AG sowie eine Ökobilanzierung der entwickelten Betone.

Ergebnisse

Die untersuchten Betone mit CSA – Zementen weisen in Ihren mechanischen Eigenschaften vergleichbare Werte auf wie der Referenzbeton mit CEM I. Die Anforderungen aus DBS 918 143 konnten, insbesondere von dem Beton mit einer Kombination aus CSA – Zement und CEM II/A-S eingehalten werden.
Die Dauerhaftigkeitseigenschaften der Betone mit CSA – Zementen sind nicht in allen FĂ€llen mit dem Referenzbeton mit CEM I vergleichbar. Keiner der geprĂŒften Betone zeigt eine innere SchĂ€digung im Frostversuch (CIF – Verfahren). Der Frost-Tausalz-Widerstand der Betone mit CSA-Zementen ist jedoch geringer als der des Referenzbetons. Der Grenzwert der Abwitterung wurde vom Beton mit CEM II/A-S + CSA eingehalten. Die Karbonatisierungsraten der Betone mit CSA-Zementen sind mit 1,5 bis 2,6 mm/√a höher als beim Referenzbeton mit CEM I (w/z = 0,409), liegen aber in einer GrĂ¶ĂŸenordnung, wie sie CEM I – Betone mit einem Wasserzementwert von w/z ≈ 0,50 bis 0,55 aufweisen. Der Chlorideindringwiderstand der Betone mit CSA-Zementen ist etwas höher als beim Referenzbeton. Im 60 °C-Betonversuch mit Alkalizufuhr lagen die Dehnungen der Betone mit CEM 52,5 N und CEM II/A-S + CSA unter dem Grenzwert des DBS 918 143.
Die Herstellung von vorgespannten Betonschwellen mit CEM II/A-S + CSA konnte im Praxisversuch unter gleichen Bedingungen erfolgen wie mit Portlandzement (CEM I). Die Kennwerte lagen alle innerhalb der nach DBS 918 143 geforderten Kennwerte.
Das Treibhausgaspotenzial (GWP) wurde sowohl fĂŒr einen mÂł Beton als auch fĂŒr eine Bahnschwelle berechnet. Im Vergleich zur Verwendung von Portlandzement ergibt sich ein Einsparpotenzial von rd. 25 %, bezogen auf einen mÂł Beton, bzw. 15 %, bezogen auf eine Bahnschwelle.

Öffentlichkeitsarbeit

- Die Mitglieder des VDZ wurden in den VDZ-Mitteilungen Nr. 172 im Mai 2020 ĂŒber das Forschungsvorhaben informiert.
- Das Projekt wird bei der 21. Internationalen Baustofftagung in Weimar (IBAUSIL, 13. - 15.9.2023) einer breiten Fachöffentlichkeit vorgestellt. Vortragen wird aller Voraussicht nach Frau Klische von der Firma Dyckerhoff.

Fazit

Sowohl im Labormaßstab als auch in Werksversuchen im Schwellenwerk konnte gezeigt werden, dass Bahnschwellenbetone auch mit einer Kombination aus CSA – Zementen und CEM II – Zementen anstelle des heute ĂŒblichen Portlandzementes hergestellt werden können. Die technischen Anforderungen des Regelwerks wurden eingehalten.
Bei Verwendung der untersuchten Kombination aus CSA und CEM II – Zement ergibt sich gegenĂŒber der Verwendung von Portlandzement ein Einsparpotenzial von rd. 25 %, bezogen auf einen mÂł Beton, bzw. 15 %, bezogen auf eine Bahnschwelle.

Übersicht

Fördersumme

280.816,00 €

Förderzeitraum

01.01.2020 - 30.06.2022

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik