Insbesondere im Nahbereich von Verkehrsanlagen ist eine vergleichsweise hohe Umweltbelastung durch Emissionen kraftstoffbetriebener Fahrzeuge zu erwarten. Motorentechnische Maßnahmen oder der Einsatz von Abgasreinigungsanlagen bei Kraft- und Schienenfahrzeugen können zumindest bei konventioneller Antriebstechnik die Schadstoffemissionen nicht vollständig verhindern. Hier können „passive“ Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung von innovativen Baustoffen im Bereich der Verkehrsanlagen, die Schadstoffe katalytisch reduzieren und somit die Luftqualität weiter verbessern, sinnvoll sein. Die Anwendung eines solchen Baustoffs im Bereich des Zentralen Omnibusbahnhofs (ZOB) in Detmold und die ingenieurwissenschaftliche Begleitung durch die Hochschule Ostwestfalen-Lippe zur Überprüfung der Wirksamkeit wird nachfolgend beschrieben.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1. Einführung – Projektmotivation

Insbesondere im Nahbereich von Verkehrsanlagen ist eine vergleichsweise hohe Umweltbelastung durch Emissionen kraftstoffbetriebener Fahrzeuge zu erwarten. Motorentechnische Maßnahmen oder der Einsatz von Abgasreinigungsanlagen bei Kraft- und Schienenfahrzeugen können zumindest bei konventioneller Antriebstechnik die Schadstoffemissionen nicht vollständig verhindern. Hier können „passive“ Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung von innovativen Baustoffen im Bereich der Verkehrsanlagen, die Schadstoffe katalytisch reduzieren und somit die Luftqualität weiter verbessern, sinnvoll sein. Die Anwendung eines solchen Baustoffs im Bereich des Zentralen Omnibusbahnhofs (ZOB) in Detmold und die ingenieurwissenschaftliche Begleitung durch die Hochschule Ostwestfalen-Lippe zur Überprüfung der Wirksamkeit wird nachfolgend beschrieben.

2. Baumaßnahme

Den Zentralen Omnibusbahnhof in Detmold fahren als Knotenpunkt zwischen dem ÖPNV und dem Zugverkehr täglich etwa 800 Regional- und Stadtbusse an. Aus dem vermehrten Ausstoß von Abgasen beim Anfahren und dem Betrieb der Busse im Stand entsteht eine erhöhte Belastung insbesondere durch Stickoxide, die bereits in relativ geringer Konzentration stark gesundheitsgefährdend sein kann. Daher sollte beim Neubau des ZOB durch den Einbau eines photokatalytisch wirksamen Betons auf einer Fläche von ca. 7.000 m² eine Reduktion der Schadstoffbelastung erzielt und somit die Luftqualität verbessert werden.

Nach einer Bauzeit von rund 12 Monaten wurde am 23. Juli 2013 der Zentrale Omnibusbahnhof (ZOB) in Betrieb genommen. Der in unmittelbarer Nähe zum Bahnhof liegende ZOB wurde mit einem Kostenvolumen von rund 2,6 Mio. Euro grundhaft erneuert, wobei neben dem Aspekt des Umwelt- und Gesundheitsschutzes auch die Gestaltung, Funktionalität und Dauerhaftigkeit der Verkehrsflächen eine wichtige Rolle spielten. Der insgesamt acht Bussteige und die zugehörige Umfahrt (Abbildung 1) umfassende ZOB wurde in den Fußgänger- und Wartebereichen (ca. 5.000 m²) aus Betonpflastersteinen mit photokatalytisch aktivem Vorsatzbeton hergestellt. Die befahrenen Verkehrsflächen (ca. 2.000 m²) wurden entsprechend der hohen Verkehrsbelastung nach den RStO [1] dimensioniert (Bauklasse I) und nach den ZTV Beton-StB [2] und TL Beton-StB [3] ausgeführt. Die 24 cm dicken Ortbetonplatten wurden in der für Betonfahrbahndecken üblichen Druckfestigkeitsklasse C30/37 in einschichtiger Bauweise auf einer 10 cm dicken Asphalttragschicht im Handeinbau hergestellt. Zur Sicherstellung der Verkehrssicherheit bzw. Griffigkeit wurde die Oberfläche mit einem Besenstrich quer texturiert.

Der mit einem photokatalytisch aktiven Spezialzement hergestellte Beton wurde von der Transportbeton-Gesellschaft Garant mbh & Co. KG im Werk Lage-Heiden hergestellt und mit dem Fahrmischer zur Einbaustelle geliefert. Die Betonarbeiten wurden von der Firma Bestra Beton- & Straßenbau GmbH, Coppenbrügge ausgeführt.

Die Mehrkosten, die sich für die von der Stadt Detmold angestrebte Lösung gegenüber einer „klassischen“ Bauweise für das Gesamtprojekt ergaben, beliefen sich auf rund 3,3 %.

Für die Herstellung der Verkehrs- beziehungsweise Pflasterflächen wurde der Beton mit Titandioxid (TiO₂) angereichertem Zement hergestellt. Für die Betonfahrbahnen wurde der Spezialzement TioCem^® CEM II/A-S 42,5 R (tx), aus dem Werk Ennigerloh der HeidelbergCement AG [8] eingesetzt. Für die Pflasterflächen wurde das sogenannte AirClean-VS-5^® Pflaster [9] der Karl Vogt Betonwerk Porta Westfalica GmbH & Co. KG, Porta Westfalica, verwendet.

Abbildung 1: ZOB Detmold - Schematische Darstellung der Untersuchungsflächen und Messeinrichtung

3. Photokatalytisch aktiver Beton

Durch die Verwendung von speziellem nano-kristallinen Titandioxid (TiO₂) im Zement wird ein photokatalytisch aktiver Beton hergestellt. Solche Betone können im Bereich von Dach- und Fassaden- wie auch im Bereich von Verkehrsflächen eingesetzt werden. Dabei kann das TiO₂ als Beschichtung an der Oberfläche auf dem Baustoff oder durch Beimengung in den Baustoff als sogenannte „In-Masse-Verarbeitung“ angewendet werden.

Die Photokatalyse ist ein natürlicher Prozess, bei dem ein Katalysator die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Lichteinwirkung erhöht. Auf der Oberfläche des Katalysators bilden sich unter Einwirkung von Lichtstrahlung stark reaktive Radikale, die in der Lage sind, mit organischen und anorganischen Substanzen zu reagieren. Die photokatalytische Reaktion ist beliebig oft wiederholbar, ohne dass sich der Photokatalysator verbraucht. Durch die Verwendung von TioCem im Beton werden photokatalytisch aktive Betonoberflächen geschaffen, die einen wesentlichen Beitrag zur Luftreinhaltung in Städten und urbanen Siedlungen leisten können. Beim photokatalytischen Prozess werden an der Betonoberfläche schädliche Stickoxide (NO_x) der Luft in unschädliches Nitrat (NO₃) umgewandelt. Das in sehr geringen Mengen entstandene Nitrat mineralisiert an der Betonoberfläche und wird mit dem nächsten Regen abgewaschen und kontrolliert in der Kanalisation abgeleitet. In Abbildung 2 ist der Vorgang schematisch dargestellt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Photokatalyse (Pressestelle HS-OWL in Anlehnung an HeidelbergCement ZKG International, Ausgabe 1/2009 [7])

TioCem ist ein Portlandhüttenzement (CEM II/A-S 42,5 R) nach DIN EN 197-1 [4] mit photokatalytischen Eigenschaften, der auch den Anforderungen an einen Zement für Fahrbahndecken aus Beton nach den TL Beton-StB genügt. Durch die Verwendung von speziellem nano-kristallinen Titandioxid als Katalysator werden die photokatalytischen Eigenschaften hergestellt.

Nach bisherigen Erkenntnissen können photokatalytisch aktive Betonoberflächen dazu beitragen, Immissionsspitzen zu „kappen“, was in der Praxis bedeutet, die Anzahl der Überschreitungen des StickstoffdioxidEinstundenmittelwertes über 200 µg/m³ bzw. die Überschreitungshäufigkeit des Stickstoffdioxid-Kurzzeitgrenzwertes zu reduzieren.

Außerdem leisten photokatalytisch aktive Betonoberflächen einen aktiven Beitrag zur Reduktion des Sommersmogs, da Stickoxide im Sommer Vorläufersubstanzen zur Bildung des gesundheitsschädlichen Ozons (O₃) in bodennahen Schichten sind.

An Prüfkörpern des beim ZOB verwendeten Straßenbetons mit TioCem wurde in Labormessungen im Reaktor des HeidelbergCement Technology Centers (HTC) nach UNI 11247:2007 [5] eine NO_x-Abbaurate von 35,6 % gemessen, was nach den TXActive-Qualitätsanforderungen mit dem Aktivitätsindex „sehr hoch“ bewertet wird. TXActiv ist ein Qualitätszeichen für die photokatalytische Aktivität von Baustoffen und steht für eine dauerhafte, photokatalytische Funktionalität der Endprodukte aus Beton.

4. Methodik der Untersuchung

Der Nachweis der Wirksamkeit photokatalytisch aktiver Flächen wurde bisher im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte anhand vergleichsweise aufwendiger Mess- und Analyseverfahren geführt. Er wurde entweder durch vergleichende Vorher-/Nachher-Messungen der Schadstoffkonzentration in der Luft oder durch den Einsatz besonderer Messzellen in-situ oder im Labor erbracht. Nach Tischer, 2011 [6], haben Probeflächen in Japan, Italien und Deutschland bereits gezeigt, dass durch den Einbau entsprechender Pflasterflächen Stickoxidreduktionen bis in Größenordnungen von ca. 50 % langzeitig zu erwarten sind. Die dabei gewonnen Erkenntnisse erlauben nunmehr eine ingenieurwissenschaftliche Betrachtung und Beurteilung im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsvorhabens.

Die Methodik der Untersuchung ist innovativ und gleichzeitig einfach. Dabei soll der Nitratgehalt des abfließenden Oberflächenwasser von zwei zu vergleichenden Betonflächen untersucht werden. Eine der beiden Betonflächen ist ohne photokatalytische Oberfläche ausgerüstet und dient somit als Referenzfläche. Erstmalig soll mit dieser ingenieurwissenschaftlichen Methode die Wirksamkeit photokatalytisch aktiver Verkehrsflächen an Ort und Stelle auch unter Betriebsbedingungen erfasst werden.

5. Versuchsaufbau

Im Zuge der erforderlichen Bau- und Sanierungsmaßnahmen wurden zwei Busfahrspuren und die zugehörigen Bussteige des ZOB als Prüfflächen mit jeweils einer kontrollierten Fassung von abfließendem Oberflächenwasser ausgebildet. Die Referenzflächen haben jeweils eine Größe von rd. 180 m² und wurden so ausgewählt, dass sie einer etwa gleich starken Frequentierung durch Busverkehr unterliegen. Dabei wurde eine Prüffläche zum Vergleich als Referenzfläche mit konventionellem Beton und die zweite mit photokatalytisch aktivem Beton hergestellt. Die Lage der Untersuchungsflächen zeigt Abbildung 1. Die von den Prüfflächen abfließenden Wassermengen wurden in besonders hierfür ausgerüsteten Schächten gesammelt. Dabei wurde das Sammelsystem aus jeweils fünf nachgeschalteten Behältern so ausgerüstet, dass der erste Spülstoß getrennt erfasst werden konnte. Insgesamt wurden in jedem Behälter bis zu 30 Liter Wasser je Untersuchungszeitpunkt und Prüffläche gesammelt und daran anschließend analytisch der Nitratgehalt bestimmt. Die nachfolgende Abbildung 3 zeigt einen Schnitt durch die Sammelschächte in den Bussteigen.

Abbildung 3: Schnitt durch die großen Sammelschächte in den Bussteigen

Neben den beiden großen Prüfflächen wurden zusätzlich zwei nebeneinander liegende kleinere Versuchsflächen mit Prüfflächenabmessungen von ca. 60 cm x 60 cm angelegt. Eine dieser Flächen bestand aus photokatalytisch aktiven Betonpflastersteinen bzw. Betonprüflingen, die andere aus Normalbeton. Die Flächen wurden erhöht und mit einem leichten Winkel auf dem Dach eines Containers aufgestellt, um Stör- bzw. Querkontaminationen z.B. durch Hundekot oder -urin zu vermeiden und die Möglichkeit eines vollständigen Abflusses des Regenwassers zu ermöglichen. Das abfließende Regenwasser wurde auch hier in nachgeschalteten Behältern getrennt gesammelt, um Konzentrationsspitzen erfassen zu können. Die folgende Abbildung 4 zeigt die Anordnung der kleinen Versuchsflächen.

Abbildung 4: Anordnung der kleinen Versuchsflächen

Für eine ingenieurmäßige vergleichende Betrachtung der Wirksamkeit der photokatalytischen Reaktion wurde die Nitratkonzentration als entsprechender Indikator zugrunde gelegt. Parallel dazu wurden die meteorologisch relevanten Daten, die sich unmittelbar auf die photokatalytische Reaktionsintensität auswirken, erfasst. Die kontinuierliche Luft- und Globalstrahlungsüberwachung wurde durch einen Klein-Messcontainer (MI-AB-2000) der Firma MCZ Umwelttechnik, Bad Nauheim, gewährleistet. Die Stickoxidgehalte der Luft sollten über den Messzeitraum von 1 Jahr im Bereich der Prüfflächen erfasst werden. Die einjährige Laufzeit der Messungen an den Referenzflächen ergab sich aus der Vorgabe, möglichst verschiedene klimatische Bedingungen auch jahreszeitlich zu erfassen. Die nachfolgende Abbildung 5 zeigt exemplarisch den überlagerten Verlauf der gemessenen NO_x-Konzentration und der Globalstrahlung im Oktober 2013.

Die Abbildung 5 zeigt relativ deutlich, dass bei zunehmender Globalstrahlung die NO_x-Konzentration in der Luft abnimmt. Dies kann einerseits durch sich überlagernde Ausgleichsreaktionen in der Luft und anderseits durch die Photokatalyse an der Oberfläche der Verkehrsflächen geschehen.

Die gesammelten Wasserproben wurden nach Probengewinnung eingefroren und in mehreren Chargen für die Messung der Nitratkonzentration an das Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie, Schmallenberg, übergeben.

Abbildung 5: Ausschnitt der Klimamessung, Überlagerung der Globalstrahlung und der NO_x-Konzentration in der Luft

6. Messverfahren

Der Wirksamkeitsnachweis wurde anhand der Nitratkonzentration der abfließenden Oberflächenwässer geführt. Hierzu wurden die abfließenden Oberflächenwässer in speziellen Sammelschächten aufgefangen und anschließend auf ihre Nitratkonzentration untersucht. Durch vergleichende Messungen an den photokatalytisch aktiven und an den konventionell ausgeführten Flächen wird die Wirksamkeit der Maßnahme beurteilt. Begleitend zu der Wasserfassung wurden Klimadaten wie, NO_x, NO₂, NO, Temperatur, Niederschlag und die Globalstrahlung erfasst. Die Messreihe begann Mitte September 2013.

Die gesammelten Oberflächenwässer wurden bis zur Analyse eingefroren. Die Nitrat-Analytik wurde mittels Ionenchromatographie durchgeführt. Eine möglicherweise notwendige Aufarbeitung der Wasserproben wurde so ausgelegt, dass Nachweis- und Bestimmungsgrenzen eine ausreichend genaue Unterscheidung zwischen photokatalytisch aktiver und konventioneller Fläche ermöglichen sollten.

Nachgeschaltet sollen die Prüflinge der kleinen Flächen zur vergleichenden Abschätzung der Effizienz zwischen photokatalytisch aktiven und inaktiven Flächen unter Laborbedingungen untersucht werden. Diese Untersuchungen besitzen den Vorteil, dass die Effizienzuntersuchungen unter kontrollierten Bedingungen und damit ohne nicht reproduzierbare Einflüsse (z.B. durch weitere Nitrateinträge oder durch vorherrschende atmosphärische Bedingungen) durchgeführt werden können.

7. Zwischenergebnisse

Nach der Untersuchung einer Vielzahl von Wasserproben lässt sich tendenziell feststellen, dass in den Wasserproben der photokatalytisch aktiven Flächen höhere Nitratkonzentrationen vorliegen als in den Wasserproben der konventionellen Prüfflächen. Dies zeigen die nachfolgenden Abbildungen Abbildung 6 und Abbildung 7. Hier sind in einem Diagramm die gemessenen Nitratkonzentrationen für die jeweiligen Prüfflächen über die Zeit aufgetragen. Über den betrachteten Untersuchungszeitraum liegen die Nitratkonzentrationen der Wasserproben der photokatalytisch aktiven Oberflächen über denen der konventionellen Flächen.

Durch den Rückgang der NO_x-Konzentration in der Luft und den Nachweis einer erhöhten Nitratkonzentration im Oberflächenwasser ist ein qualitativer Wirksamkeitsnachweis möglich. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein einfaches Verfahren für einen ingenieurmäßigen Wirksamkeitsnachweis einer photokatalytischen Oberfläche (Verkehrsfläche) zu entwickeln. Nach Abschluss dieser Messreihe sind ergänzend auch Messungen an Betonpflastersteinen und den kleinen Betonflächen in einer Messzelle beim Fraunhofer Institut in Schmallenberg geplant, um die photokatalytische Wirksamkeit unter definierten Randbedingungen zu untersuchen und auszuwerten.

Die Messwertaufnahmen und Analysen dauern derzeit (Stand November 2014) noch an. Dementsprechend sind die Ergebnisse noch fortzuschreiben.

Abbildung 6: Gemessene Nitratkonzentration der Wasserproben an den kleinen Versuchsflächen aus Betonpflastersteinen

Abbildung 7: Gemessene Nitratkonzentration der Wasserproben an den kleinen Versuchsflächen aus Beton

8. Literatur

1. RStO: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen
2. ZTV Beton-StB: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton
3. TL Beton-StB: Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton
4. DIN EN 197-1: Zement – Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement
5. UNI 11247: Diterminazione dell’attività di degradazione di ossidi di azoto in aria de parte di materiali inirganic fotocatalytici
6. Tischer (2011): Betonpflasterstein zum Schadstoffabbau – Illusion oder Realität? 19.12.2011. http://www.hessenumwelttech.de/mm/10_Tischler.pdf
7. Bolte (2009): Innovative building materials – reduction of pollutants with TioCem®. ZKG International, Ausgabe 1/2009
8. HeidelbergCement (2010): Technisches Merkblatt TioCem® CEM II/A-S 42,5 R (tx)
9. Betonwerk Lintel Compentence Center (2014): Produktdatenblatt AirClean® AL