Innovative building materials – reduction of pollutants with TioCem®

1    Luftqualität in Großstädten
In vielen deutschen und europäischen Großstädten ist die Luftqualität ein massives Problem. Neben dem viel diskutierten Feinstaub sind es vor allem Stickstoffoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen (VOC), die die Luftqualität massiv beeinträchtigen. Für den Menschen ist die Aufnahme von Stickstoffdioxid über die Atmung – und damit eine mögliche Schädigung der Atemwege – von besonderer gesundheitlicher Relevanz. Bei langfristiger Exposition gegenüber NO2-Außenluftkonzentrationen mit 10 bis 80 μg/m3 treten laut [1] Atemwegserkrankungen wie Husten, Bronchitis und Lungenfunktionsbeeinträchtigungen häufiger auf. Hiervon sind besonders Menschen betroffen, die an verkehrsreichen Straßen leben. Zudem sind in bodennahen Schichten Stickstoffoxide zusammen mit den VOCs die Vorläufersubstanzen von Ozon, welches ebenfalls als gesundheitsschädlich gilt.

Nach der Grenzwertregelung für die Belastung durch NO2 – der Verordnung über Immissionswerte für Schadstoffe in der Luft – 22. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) vom 11. September 2002 bzw. Luftqualitätsrichtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 – müssen ab 1. Januar 2010 ein Jahresmittelwert von 40 µg/m3 sowie ein 1-Stunden-Mittelwert von 200 µg/m3 eingehalten werden. Bis zum Jahr 2010 wurden die Immissionsgrenzwerte mit einer Toleranzspanne versehen, die von Jahr zu Jahr abgesenkt wird. Im Jahr 2009 betragen die Grenzwerte demnach für den Jahresmittelwert 42 µg/m3 und 210 µg/m3 für den 1-Stunden-Mittelwert.

2    Lösungsansätze zum Schadstoffabbau
Aus heutiger Sicht ist die Einhaltung dieser Werte selbst bei der Annahme, dass alle Fahrzeuge dem EURO-4-Standard entsprächen, in der Nähe verkehrsreicher Straßen nicht möglich. Es müssen also zusätzliche Maßnahmen erfolgen. Bisher gehören zu den von den Städten ergriffenen Schritten die Verbesserung des Verkehrsflusses, die Förderung des öffentlichen Nahverkehrs sowie Fahrverbote für Kraftfahrzeuge einzelner Schadstoffgruppen in den Umweltzonen der Innenstädte. Zu diesen Anordnungen gibt es jetzt eine sinnvolle Ergänzung, denn mithilfe von TioCem® kann man den Schadstoffabbau auf katalytischem Wege begünstigen.

Viele Verbindungen, so auch Luftschadstoffe, werden durch Lichteinstrahlung, insbesondere energiereiche UV-Strahlung, zersetzt. Dieser natürliche Vorgang der Photolyse läuft in der Regel sehr langsam ab. Durch Photokatalysatoren lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich beschleunigen. Auf der Oberfläche der Photokatalysatoren bilden sich hochreaktive Verbindungen, die organische und anorganische Schadstoffe oxidieren können [2] – so z.  B. auch Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in der Luft.

Den wissenschaftlichen Nachweis der wirksamen Reduzierung der Stickstoffoxidbelastung unter praxisnahen Bedingungen hat unter anderem das von der EU geförderte PICADA-Projekt (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment) erbracht [3].

Ein Versuchsaufbau umfasste dabei die Nachbildung dreier pa­rallel verlaufender Straßenzüge im Maßstab 1:5. Die Länge betrug 18 m bei einer Breite von 2 m und einer Höhe von 5 m. Die Randbebauung stellten handelsübliche Cargo-Container dar. Die Wände der mittleren Straßenschlucht waren mit einem photokatalytisch aktiven Zementmörtel überzogen. Als Schadstoff dienten die Abgase eines Verbrennungsmotors. Entlang der Straßenschluchten wurden die Schadstoffe über ein Rohrleitungssystem gleichmäßig verteilt. Nach der Auswertung der umfangreichen Messwerte ergab sich durch den Einsatz des photokatalytisch aktiven Zementmörtels eine Reduzierung des NOx um 40 bis 80  %.

3    Der photokatalytische Zement
Nach Jahren der wissenschaftlichen Forschung sind photokatalytisch aktive Produkte inzwischen deutlich über das Laborstadium hinaus. HeidelbergCement bietet z.  B. unter dem Namen TioCem® einen Zement mit hoher photokatalytischer Aktivität an.

Die photokatalytische Aktivität der Oberflächen kann mittels der Entfärbung einer organischen Farbe („Rhodamin-B ­bleaching“) nachgewiesen und quantifiziert werden [4]. Wie bei allen anderen angewandten Verfahren geht es dabei nur um die Bestimmung der photooxidativen Effektivität. Als Modellsubstanz wird Rhodamin-B auf Probekörper aus einem Mörtel, entsprechend EN 196 Teil 1, aufgebracht. Die Farbintensität der Probekörper wird mit einem Chromameter vor dem Auftrag der Farbe, nach dem Eintrocknen der Farbe sowie nach einer definierten Lagerung unter einer Lichtquelle (ULTRA-Vitalux-Strahler) wiederholt gemessen. Zur Beurteilung der Entfärbung wird der Farbabstand E* im L*a*b*-Farbsystem im Vergleich zur Ausgangsprobe berechnet. Setzt man den Farbabstand E* der unter den ULTRA-Vitalux-Strahlern gelagerten Probekörper in Relation zum E* der unbestrahlten Probe, bekommt man ein Maß für die Aktivität der Oberfläche (Bild 1). Dieser Versuchsaufbau liefert jedoch nur auf sehr glatten Oberflächen reproduzierbare Ergebnisse.

Eine weitere Messmethode zum Nachweis der photokatalytischen Aktivität ist ein Versuchsaufbau, bei dem ein Luft-Schadstoff-Gemisch in einer Kammer über einen Probekörper fließt und die Schadstoffbelastung mit und ohne Lichteinwirkung gemessen wird. Beim Schadstoff kann es sich um NO, NO2 oder ein Gemisch aus beiden handeln (Bild 2). Die Messverfahren sind im Grundsatz in der ISO 22917-1 [5] und der UNI11247 [6] beschrieben. Prüfinstitute, Universitäten und Firmen setzen diese jedoch sehr unterschiedlich um. Eine Vergleichbarkeit der Ergebnissee ist daher zurzeit nur bedingt gegeben.

Wie stark durch den Einsatz von TioCem® die Stickstoffoxidkonzentration in der Luft verringert werden kann, wird im Leimener HeidelbergCement Technology Center in einem eigens entwickelten Messstand (Bild 3) ermittelt. In diesem können eine Vielzahl von Parametern wie Strömungsgeschwindigkeit und Lichtintensität sowie die NO und NO2 Konzentration der Aufgabeluft, variiert werden. Dies ermöglicht die Simulation unterschiedlicher Umweltbedingungen. Die Bilder 4 und 5 zeigen beispielhaft, inwieweit die Abbauraten auf einem Pflasterstein mit TioCem® im Vorsatz durch diese Umweltbedingungen beeinflusst werden. Der Abbau des Schadstoffes NOx im Luftstrom kann sowohl in % als auch in mg/m2h dargestellt werden. So verdeutlicht Bild 4, dass bei einer Schadstoffkonzentration von z.  B. 1000 ppb eine 70  %ige Reduktion erzielt wird, was gleichzusetzen ist mit einer abgebauten Menge von 2,5 mg/m2h. Bei einer höheren Schadstoffbelastung von z.  B. 3000 ppb steigt die Menge an abgebautem NOx auf ca. 4,5 mg/m2h, die Reduktionsrate sinkt hingegen auf ca. 55  % der Aufgabemenge.

Bild 5 verdeutlicht die eindeutige Abhängigkeit der photokatalytischen Aktivität und der UV-A Strahlungsintensität. Bereits bei UV-A Strahlungsintensitäten, die weit unter den in den unterschiedlichen Messmethoden beschriebenen Intensitäten liegen, wird ein signifikanter Abbau des Luftschadstoffes erzielt. Der Abbau der Luftschadstoffe setzt sozusagen mit dem Sonnenaufgang ein.

Die photokatalytische Aktivität hängt aber auch von der Oberflächenbeschaffenheit ab. So kann beispielsweise bei Pflastersteinen durch die Art der Oberflächenveredelung eine Erhöhung der Oberfläche und somit auch der Zementsteinoberfläche im Verhältnis zur Abmessung des Pflastersteins erreicht werden. Ein kugelgestrahlter Pflasterstein baut daher im Vergleich zu einem unbehandelten Pflasterstein auf seiner Oberfläche mehr Luftschadstoff ab (Tabelle 1).
Der Einfluss vieler Parameter infolge wechselnder Wetterverhältnisse und Fahrzeugbelastungen macht die Bewertung der Reduzierung in einer praktischen Anwendung sehr schwierig. Im Labor können einige Parameter ausgeblendet werden, um zu belegen, dass der Gehalt an NOx in der Luft, die mit einer photokatalytisch aktiven Betonoberfläche in Berührung kommt, signifikant verringert wird.

Ein Versuch, dies mit einer verringerten Anzahl an Parametern auch in einem Freifeldversuch nachzuweisen, erfolgte in Stockholm im Juli 2008. Dazu wurden in der Innenstadt zwei identische Prüfkammern aus Licht- und UV-A-durchlässigem Material platziert. In einer der beiden Prüfkammern wurde eine Fläche mit einem Kalk-Zement-Putz auf Basis TioCem® appliziert. Die normale Umgebungsluft wurde durch die Prüfkammer hindurch zum NOx-Analysegerät geleitet. Ohne zusätzliche künstliche Beleuchtung verringerten sich die Gehalte an NO2 in der Prüfkammer mit TioCem® um ca. 40 bis 70  %
im Tagesmittel.

4    Anwendung in der Praxis
Im November vergangenen Jahres wurde der erste „umwelt-aktive Dachstein“ Climalife vorgestellt. Die Oberfläche dieses Betondachsteins besteht aus einer TioCem®-Beschichtung (Bild 6). Ein externes Prüfzertifikat bescheinigt dieser Dachsteinoberfläche eine Abbaurate von 1,6 mg NO/m2h. Die Prüfung, bei der ein Gemisch aus Raumluft und NO als Analysesubstanz eingeleitet wird, erfolgte gemäß der ISO 22917-1. NO2 wird im gleichen Umfang abgebaut. Dies belegen eigene Versuche. Bis heute tragen bereits mehr als 200 000 m2 Dachfläche aktiv zur Reinigung der Luft bei.

Das Eindecken eines durchschnittlichen Einfamilienhauses
(ca. 200 m2 Dachfläche) mit dem Climalife-Dachstein eliminiert über die photokatalytische Oberfläche den NOx-Ausstoß von drei Gasheizungsanlagen. Bedenkt man, dass in Deutschland jährlich etwa 30 Mio. m2 Dachfläche mit Dachsteinen aus Beton eingedeckt werden, kann man die Möglichkeiten der Luftverbesserung abschätzen, die sich durch dieses innovative Produkt auftun.

Doch TioCem® eignet sich nicht nur für die Herstellung von Dachsteinen. Prinzipiell kann jedes Betonprodukt so hergestellt werden, dass es die Stickstoffoxide in der Umgebung verringert, denn die Photokatalysatorpartikel haben keinen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften des Zementes oder Betons. Besonders lohnenswert ist der Einsatz in der Nähe viel befahrener Straßen. Dort kann TioCem® in Form von Betonpflastersteinen, Fahrbahndecken oder Lärmschutzwänden für höhere Luftqualität sorgen. Aber auch an öffentlichen Plätzen, wo sich viele Menschen aufhalten, etwa an Bahnhöfen oder Schulen, ist der Einsatz sinnvoll.

Betonprodukte mit weißem TioCem® hatten kürzlich ihr Debüt in England. In zwei Showgärten – George Harrison Memorial Garden (Bild 7) und einem dem englischen olympischen Segelteam gewidmeten Garten „Sail for Gold“ der Chelsea Flower Show – wurde weißer TioCem® für Betonelemente in Kombination mit Marmor verarbeitet.

Eine von Italcementi ausgeführte Anwendung von Pflastersteinen mit TX-Active® in Italien führte zu einer Verringerung der NOx-8-Stunden-Mittelwerte in der Via Borgo Palazzo in Bergamo um 26 bis 56  % [7]. Ein weiteres Großprojekt wurde in Paris durch Ciment Calcia realisiert. In der Rue Jean Bleuzen in Vanves wurde eine Betonstraße mit TX-Active® gebaut. In der Folge wurde die Luftqualität durch ein externes Labor (Laboratoire Régional de l’Quest Parisien) überwacht. Erste Ergebnisse liegen bereits vor, der Schlussbericht wird in 2009 erwartet.

5    TX Active® – geprüfte Qualität
TX Active® ist ein Qualitätslabel (Bild 8) für die photokatalytische Aktivität von Baustoffen, das europaweit eingesetzt wird. Zusammen mit dem Lizenzgeber Italcementi S.p.A. wurden, sowohl für den Zement als auch für die damit produzierten Endprodukte, strenge Qualitätsstandards definiert.

TioCem® ist ein Zement nach DIN EN 197. Die werkseigene Produktionskostrolle des Zementes wurde um die Prüfung der Rhodamin-B-Entfärbung gemäß UNI11259 „Determinazione dell’attività fotocatalitica di leganti idraulici Methodo delle Rodammina“ ergänzt. Die aus TioCem® gefertigten Produkte werden regelmäßig hinsichtlich ihrer photokatalytischen Aktivität im HeidelbergCement Technology Center überwacht. Dazu wird die Abbaurate des NOx im Laborprüfverfahren unter den in UNI11247 definierten Bedingungen bestimmt.

Die Verarbeitungs- und Dauerhaftigkeitseigenschaften des Zementes entsprechen denen eines handelsüblichen Normalzementes (Tabelle 2, Bilder 9 und 10). TioCem® wird wie jeder andere Zement verarbeitet; es sind keine speziellen Maßnahmen erforderlich. Die in Tabelle 3 aufgelisteten Ergebnisse der Frost-TausalzWiderstandsfähigkeitsprüfung einer Versuchsproduktion von gefügedichten Pflastersteinen mit TioCem® im Vorsatzbeton zeigen, dass diese die Anforderung der DIN EN 1338 erfüllen. Auch der Abriebwiderstand von Gehwegplatten aus Normalzement CEM I 42,5 R und TioCem® ist absolut gleichwertig ­(Tabelle 4). Die geprüften Platten aus TioCem® sind nach DIN EN 1339 in die höchste Abriebwiderstandsklasse 4 einzuordnen.

6    Aussicht
Wird eine Verkehrsfläche von der Größe eines Fußballfeldes
(ca. 7500 m2) mit photokatalytisch aktiven Steinen der in Tabelle 1 angegebenen Qualität im Jahr durchschnittlich anfallenden 2000 Sonnenstunden (> 1000 µW/cm2) ausgesetzt, baut diese den Schadstoffausstoß von über 190 000 Pkw-Kilometer ab. Das gilt, legt man dabei einen NOx-Ausstoß der Schadstoff­klasse EURO  4 und ein Verhältnis von Otto- zu Dieselmotoren von 1:1 zu Grunde. Der berechnete Wert wird in der Praxis bei Weitem überschritten, da die Photokatalyse nicht nur bei direkter Sonneneinstrahlung, sondern in verringertem Maße auch bei bewölktem Himmel sowie bei Dämmerung abläuft (Bild 5).

Nimmt man die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zusammen, wird deutlich: Bei einem nicht nur sporadischen Einsatz zur Sanierung, Instandsetzung und zum Neubau von Straßen, Gehwegen, Fassaden und Gebäuden kann das Oberflächen-Atmosphäre-Verhältnis schrittweise erhöht werden. Die neuartige funktionale Nutzung von zementgebundenen Baustoffen und Bauprodukten trägt dazu bei, die Lebensqualität in unseren Städten in Zukunft deutlich zu verbessern.