15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 97 Dekarbonisierung im Spezialtiefbau - Pyrolysekohle als Bestandteil innovativer Bindemittelsysteme Martin Riedrich, M. Sc. PORR Spezialtiefbau GmbH, Leinfelden-Echterdingen Dipl.-Geol. Dr. Holger Maurer Geosystems Spezialbaustoffe, Rohrdorf Zusammenfassung Der Spezialtief bau steht unter massivem Dekarbonisierungsdruck - hohe Zementintensität, energieaufwendige Prozesse und knappe Materialbudgets. Entsprechend rückt die Substitution klassischer Bindemittelsysteme und die gezielte CO₂- Reduktion entlang der gesamten Wertschöpfungskette in den Fokus. Zement verursacht im Spezialtief bau einen erheblichen CO₂-Impact, da die rohstoffbedingte Mineralogie während des Klinkerbrennens prozessbedingt große Mengen an CO₂ freisetzt. Die Entwicklung klinkerarmer Zemente (CEM II-CEM VI) reduziert das CO₂-Äquivalent bereits von 665 auf bis zu 350 kg CO₂/ t. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde klar: Die Beimischung von Pyrolysekohle in die Bindemittelsuspension für das Düsenstrahlverfahren verbessert die ökologische Gesamtbilanz nochmals deutlich - ohne nennenswerte Einschränkungen bei der Verarbeitung. Die Frühfestigkeit geht moderat zurück, der Wasserbedarf steigt, und die Suspensionsstabilität wird spürbar erhöht, bleibt jedoch weiterhin voll kompatibel mit den Anforderungen des Düsenstrahlverfahrens. Die Feldversuche untermauerten die vollständige baustofftechnische Einsatzfähigkeit unter Realbedingungen. Ergänzende chemische und geotechnische Untersuchungen bestätigten die Umweltverträglichkeit gemäß EBV/ LAGA. [1] Damit ermöglicht Pyrolysekohle eine deutliche Absenkung des CO₂-Fußabdrucks des Bindemittels und zugleich eine dauerhafte CO₂-Speicherung im Untergrund- ein unmittelbar wirksamer Ansatz zur Dekarbonisierung im Spezialtief bau. Tab. 1: CO 2 Ausstoß verschiedener Zementsorten Zementtyp-(nach-EN 197-1)- Hauptbestandteile- CO₂-Ausstoß-[kg/ t]- CEM I (Portlandzement)- 95 - 100 % Klinker- 665- CEM II/ A-B- 80 - 94 % Klinker +-Hüttensand/ Flugasche- 540- CEM III- 35 - 64 % Klinker +-Hüttensand + Zusatzstoffe 350- Zement in der Bauindustrie Im Spezialtief bau werden erhebliche Zementmengen verbraucht, insbesondere in Form von Suspensionen für Mikropfähle, Rückverankerungen oder das Düsenstrahlverfahren. Viele dieser Anwendungen sichern primär den temporären Bauzustand, verbleiben jedoch langfristig im Untergrund - etwa Unterfangungen oder Dichtsäulen. Daraus entsteht ein Zielkonflikt: Formal bestehen keine strengen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit, faktisch liegt das Material aber über Jahrzehnte bis Jahrhunderte im Boden. Vor diesem Hintergrund rückt die Optimierung der Bindemittel selbst zunehmend in den Fokus. Insbesondere die Zementindustrie hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten erhebliche Fortschritte erzielt, um den CO₂- Fußabdruck ihrer Produkte zu reduzieren. Während der klassische Portlandzement (CEM I) noch bis zu 665 kg CO₂ pro Tonne Zement freisetzt, konnte dieser Wert durch moderne klinkerreduzierte Zemente und neuartige Bindemittelsysteme deutlich gesenkt werden. Auch die mechanischen Eigenschaften der im Düsenstrahlverfahren hergestellten Körper zeigen, dass grundsätzlich geeignete Festigkeitsniveaus erreicht werden. Herausforderungen ergeben sich jedoch im Bereich der Frühfestigkeit. Mit sinkendem Klinkeranteil nimmt die Erhärtungsrate typischerweise ab, [2] was in der Baupraxis zu relevanten Einschränkungen führt. Besonders kritisch ist die Festigkeit nach den ersten etwa 12 Stunden, da in diesem Zeitraum das rückströmende Suspensionsmaterial („Rückfluss“) entsorgt werden muss. Wird die erforderliche Frühfestigkeit nicht erreicht, verlängern sich Standzeiten, es entstehen zusätzliche Logistik- und Entsorgungskosten, und die Wirtschaftlichkeit der Ausführung wird maßgeblich beeinträchtigt. Baustofftechnik Im Rahmen der laufenden Bestrebungen zur CO₂- Reduktion im Spezialtief bau wurde der Einsatz von Pyrolysekohle (Biochar) als Zusatzkomponente in zementären Bindemittelsystemen im Baustofflabor systematisch 98 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Dekarbonisierung im Spezialtiefbau - Pyrolysekohle als Bestandteil innovativer Bindemittelsysteme untersucht. Ziel war es, das Potenzial der Kohlezugabe hinsichtlich technischer Leistungsfähigkeit, Verarbeitbarkeit und möglicher CO₂-Minderung im Düsenstrahlmischverfahren zu bewerten. Eingesetzt wurde eine von der Carbuna AG gesiebte Pyrolysekohle, die die relevanten baustofftechnischen Anforderungen hinsichtlich Kornband, Wassergehalt und chemischer Parameter erfüllt. Pyrolyse ist ein thermochemischer Konversionsprozess, bei dem organische Biomasse unter definiertem Sauerstoffausschluss auf etwa 400 - 800 °C erhitzt wird. Die biogenen Bestandteile zerfallen dabei in drei Produktfraktionen: ein fester Kohlenstoffträger (Pflanzenkohle), flüchtige Gase und kondensierbare Pyrolyseöle. Die Pflanzenkohle bildet eine stark karbonisierte Kohlenstoffmatrix mit hoher Porosität, großer spezifischer Oberfläche und sehr stabilen, wasserarmen Strukturen. Das Ergebnis ist eine hochporöse und dauerhafte Kohlefraktion, die sich aufgrund ihrer physikalischen Struktur und chemischen Stabilität für baustofftechnische Systeme eignet. Aufgrund dieser Langlebigkeit kann der gebundene Kohlenstoff über lange Zeiträume im Boden verbleiben und wirkt als dauerhafte Kohlenstoffsenke. Die Eigenschaften - wie Oberflächenaktivität, Reaktivität, Aschegehalt und Korngrößenverteilung - hängen stark von der eingesetzten Biomasse sowie den Prozessparametern ab. Die zur Untersuchung verwendete Pyrolysekohle wurde aus regionaler, überwiegend holzbasierter Biomasse gewonnen. Für das Material CPK 0,2 wurde im Vorfeld eine Erstprüfung gemäß EN 12878: 2011 [3] durchgeführt. Im baustofftechnischen Labor wurden verschiedene Bindemittelrezepturen mit Pyrolysekohleanteilen von 5 % und 10 % (bezogen auf die Bindemittelmasse) entwickelt und getestet. Parallel dazu wurden Nullserien ohne Kohlezugabe erzeugt, um eine belastbare Referenzbasis sicherzustellen. Die Rezepturen basieren auf über Jahrzehnte bewährten DSV-Bindemittelsystemen und setzen sich aus Zement (DIN EN 197) [4], gemahlener Hochofenschlacke (DIN EN 15167) [5], Flugasche (DIN EN 450) [6] sowie Kalksteinmehl (DIN EN 12620) [7] zusammen. Für die Suspensionsversuche wurden jeweils 2,5 l Suspension im Ultraturraxmischer (5.000 U/ min, 5 min Mischzeit) mit einem W/ B-Wert von 1,0 hergestellt. Anschließend wurden Fließgrenze (Kugelharfe), Marshzeit, Suspensionsdichte und das Wasserabsetzverhalten nach 24 Stunden bestimmt. Die Suspensionen wurden anschließend in Prismenformen abgegossen und im Feuchtekasten gelagert. Die rheologischen Prüfungen lieferten die für das Düsenstrahlverfahren relevanten Kennwerte für Pump- und Verarbeitbarkeit. In der Erhärtungsphase wurden einaxiale Druckfestigkeiten nach 1, 7, 28, 56 und 90 Tagen bestimmt, um die Festigkeitsentwicklung unter variierenden Kohleanteilen differenziert abzubilden. In einem zweiten Schritt wurden Mörtelversuche mit der Pyrolysekohle durchgeführt, um das baustofftechnische System in einem bodenmörtelähnlichen Gefüge zu untersuchen. Dazu wird wie bei den Suspensionsversuchen auch zunächst eine Suspension mit einem W/ B-Wert von 1,0 hergestellt, diese anschließend mit Bentonit stabilisiert und mit Normsand versetzt. An dem flüssigen Mörtel wurden Dichte und Wasserabsetzmaß bestimmt. Nach der Erhärtung wurde die einaxiale Druckfestigkeit an 1: 1-Zylinderproben nach 1, 7 und 28 Tagen bestimmt. Ergänzend wurden lichtmikroskopische Gefügeanalysen zur räumlichen Verteilung der Kohlepartikel im Zementstein durchgeführt. Dadurch konnten potenzielle Einflüsse auf Mikrostruktur, Porenraum und Hydratationsgefüge eingeordnet werden. Chemische Analysen lieferten zusätzliche Informationen zu Zusammensetzung, Reaktivität und möglichen Wechselwirkungen zwischen Pyrolysekohle und den hydratisierten Phasen des zementären Systems. Abb. 1 Reine Pflanzkohle und mit Pflanzkohle versetzte Zementsuspension Ergebnisse Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Pyrolysekohle die rheologischen Eigenschaften der Suspensionen sowie die Hydratationsprozesse und Festigkeitsentwicklung 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 99 Dekarbonisierung im Spezialtiefbau - Pyrolysekohle als Bestandteil innovativer Bindemittelsysteme in unterschiedlichem Maße beeinflusst. Hinsichtlich der einaxialen Druckfestigkeit ist im Suspensionsversuch ein nahezu identischer Verlauf der Erhärtung beim Nullversuch und mit 5 % Pyrolysekohle zu erkennen. Mit 10 % Pflanzenkohle wird die Festigkeitsentwicklung vor allem nach 1 und 7 Tagen etwas abgeschwächt, liegt jedoch insgesamt auf ausreichend hohem Niveau. Beim Mörtelversuch, der die Bodenmörtelsäule simulieren soll, ist die Festigkeitsentwicklungen mit und ohne Pyrolysekohle im Anfangsstadium des Erhärtungsverlaufs noch näher beisammen. Die Endfestigkeit ist mit 10 % Pflanzenkohle jedoch circa 15 % geringer. Ein Grund für die niedrigere Festigkeit ist, dass die Kohle keinen Beitrag zur Stützwirkung des Korngefüges leistet und zudem durch die hohe Wasseraufnahme den effektiven W/ B-Wert erhöht. Hierzu sind in Abb. 2 und Abb. 3 die Entwicklung der einaxialen Druckfestigkeit dargestellt. Abb. 2: Entwicklung der einaxialen Druckfestigkeit nach DIN EN 196 im Suspensionsversuch Abb. 3: Entwicklung der einaxialen Druckfestigkeit in Anlehnung an EN ISO 17892-7 (Mörtelversuch) Bei den Versuchen zum Wasserabsetzmaß zeigt sich deutlich der höhere Wasseranspruch einer Suspension mit Pyrolysekohle. Durch die hohe Oberfläche der Pflanzenkohle wird deutlich mehr Wasser gebunden als in einer Bindemittelsuspension ohne Kohle. Der erhöhte Wasseranspruch führt bei den Messungen zur Fließgrenze und zur Marshzeit dann auch dort zu höheren Werten, wodurch die Stabilität der Suspension deutlich erhöht wird. Die Aufnahmen am Auflichtmikroskop zeigen an den Suspensionsproben eine homogene Verteilung der Kohlepartikel über den Probenkörper (Abb. 5). Nur an der Oberfläche können sich durch die Oberflächenspannung Kohlepartikel in einer dünnen Schicht ansammeln. Auch in den untersuchten Proben des Bodenmörtels aus dem DSV-Rücklauf und den DSV-Bohrkernen ist eine gleichmäßige Verteilung der Pflanzenkohle zu erkennen. Durch strömungsmechanische Effekte konnten sich in manchen Bereichen plattige Kohlepartikel richtungsabhängig ins Bodengefüge einregeln. Abb. 4: Wasserabsetzmaß in % nach 24 Std Abb. 5: Lichtmikroskopische Aufnahme (Auflicht) einer erhärteten Probe aus einem Bohrkern (Baustellenversuch) Bilddurchmesser ca. 3cm CO 2 -Fußabdruck Durch die Zugabe von Pyrolysekohle lässt sich der CO₂- Eintrag durch das Bindemittel signifikant reduzieren. Die im Projekt eingesetzte Pyrolysekohle der-Carbuna wurde mit einem nachgewiesenen negativen CO₂-Äquivalent (EPD- Zertifikat [8]) von −2,7 t CO₂ pro Tonne in die CO₂- Bilanz des Bindemittels einbezogen.-Das DSV-Bindemittel allein liegt mit einem CO₂-Äquivalent von 420 kg schon deutlich niedriger als ein Normzement mit im Schnitt 600 kg. Mit einem Pyrolysekohlegehalt von 5-Gew-% wird ein CO₂-Äquivalent von 247 kg und mit der Zugabe von 10- Gew % ein Wert von 74 kg erreicht. Mit dem geeigneten Zement als Ausgangsmaterial können mit Pyrolysekohle auch negative CO₂-Werte erreicht werden. Feldversuch- Nachdem die grundsätzliche baustofftechnische Eignung im Labor nachgewiesen werden konnte, wurde gemeinsam mit der Firma PORR Spezialtief bau ein Konzept für den praktischen Baustelleneinsatz entwickelt. Dabei zeigte sich eine breite Unterstützung der Bauherren für das Forschungsprojekt. Die Feldversuche dienten der Überprüfung der Praxistauglichkeit der entwickelten Rezepturen unter realen Einsatzbedingungen.- 100 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Dekarbonisierung im Spezialtiefbau - Pyrolysekohle als Bestandteil innovativer Bindemittelsysteme Die Zugabe der Pflanzenkohle erfolgt über die Mischanlage, welche die Dosierung mehrerer Komponenten ermöglicht. Nach dem Einmischen wird die Suspension zunächst in den Vorratsbehälter überführt und anschließend über die Hochdruckpumpe an das Bohrgerät gefördert (siehe Abb. 6). Abb. 6: Schematische Darstellung Aktuell wird die Pflanzenkohle als zusätzliche Komponente in die Mischanlage eingebracht. Perspektivisch ist jedoch anzustreben, dass das Düsbindemittel bereits werkseitig mit einem definierten Anteil an Pflanzenkohle versetzt wird, um eine reproduzierbare Qualität und eine gleichmäßigere Verteilung sicherzustellen. In den ersten Versuchsreihen wurde die Pflanzenkohle noch händisch aus Sackware zudosiert, was sich im Baustellenbetrieb als arbeitsintensiv und potenziell fehleranfällig erwies. Die in den Feldversuchen eingesetzten Zementsuspensionen mit einer Pflanzenkohlezugabe von bis zu 10 Masse-% zeigten keine signifikanten Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit. Weder die Pumpfähigkeit noch das Suspensionsverhalten im Misch- und Fördersystem wiesen im Vergleich zur Referenzsuspension ohne Pflanzenkohle erkennbare Abweichungen auf. Fazit-und-Ausblick- Die bisherigen Untersuchungen zeigen deutlich, dass der Einsatz von Pflanzenkohle als Zusatzstoff in zementgebundenen Suspensionen ein technisch und ökologisch vielversprechender Ansatz zur Reduktion der CO₂-Emissionen im Spezialtief bau ist. Durch den teilweisen Ersatz des klinkerhaltigen Bindemittels kann der CO₂-intensive Anteil des Zements signifikant verringert werden, ohne dass dabei negative Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit oder die baupraktische Umsetzung festgestellt wurden. Gleichzeitig ermöglicht die in der Pflanzenkohle dauerhaft gebundene Kohlenstoffmenge eine zusätzliche Senkung der Netto-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus des Materials. Die Ergebnisse verdeutlichen darüber hinaus, dass das Verfahren ein hohes Skalierungspotenzial besitzt und grundsätzlich für großtechnische Anwendungen geeignet ist. Insbesondere vor dem Hintergrund steigender CO₂- Kosten und der zunehmenden regulatorischen Anforderungen bietet die Substitution von Klinker durch Pflanzenkohle zudem ein wirtschaftliches Potenzial. Insgesamt leisten die vorgestellten Untersuchungen einen Beitrag zur Entwicklung CO₂-reduzierter bis perspektivisch CO₂-neutraler Bindemittelsysteme, die den technischen Anforderungen des Spezialtief baus entsprechen und gleichzeitig den Zielen einer ressourcenschonenden und klimasensitiven Bauweise näherkommen. Damit eröffnet die Integration von Pflanzenkohle in zementgebundene Systeme einen relevanten Ansatzpunkt, um ökologische Optimierungsstrategien mit den praktischen Erfordernissen der Baupraxis zu verbinden. Literaturverzeichnis [1] N. n. S. u. V. (. Bundesministerium für Umwelt, Ersatzbaustoffverordnung (EBV) - Verordnung über das Inverkehrbringen und die stoffliche Verwendung von Ersatzbaustoffen, Berlin: BMUV, 2023. [2] V. D. Z. e. V. (VDZ), Zementmerkblatt B1 - Zusammensetzung und Eigenschaften von Zementen nach DIN EN 197-1, Düsseldorf, 2019. [3] E. C. f. S. (CEN), EN 12878: 2011-03 - Pigments for the colouring of building materials based on cement and/ or lime - Requirements and test methods, Brüssel: CEN, 2011. [4] D. I. f. N. (DIN), DIN EN 197-1: 2011-11 Zement - Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien für Normalzement., Berlin: Beuth Verlag, 2011. [5] D. I. f. N. (DIN), DIN EN 15167-1: 2007-05 Gemahlener Hüttensand für die Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel - Teil 1: Definitionen, Anforderungen und Konformitätskriterien, Berlin: Beuth Verlag, 2007. [6] D. I. f. N. (DIN), DIN EN 450-1: 2013-02 - Flugasche für Beton - Teil 1: Definitionen, Anforderungen und Konformitätskriterien, Berlin: Beuth Verlag, 2013. [7] D. I. f. N. (DIN), DIN EN 12620: 2019-03 - Gesteinskörnungen für Beton - Anforderungen und Prüfverfahren, Berlin: Beuth Verlag, 2019. [8] D. I. f. N. (DIN), DIN EN ISO 14025: Umweltkennzeichnungen und -deklarationen - Typ III Umweltdeklarationen - Grundsätze und Verfahren, Berlin: Beuth Verlag, 2011. [9] D. I. f. N. (DIN), DIN EN 196-1: 2016-11 Prüfverfahren für Zement - Teil 1: Bestimmung der Festigkeit., Berlin: Beuth Verlag, 2016. [10] D. I. f. N. (DIN), DIN 18196: 2019-11 - Baugrund - Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke, Berlin: Beuth Verlag, 2019.