Projekt 09452/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Wiederverwertung von Hochbaurestmassen als Zuschlag in zementgebundenen Systemen in der Betonsteinproduktion

Projektdurchführung

Stiftung Institut für Werkstofftechnik
Badgasteiner Str. 3
28359 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Nach den Leitgedanken des Umweltschutzes sowie den Vorgaben des Kreislaufwirtschafts-/Abfallgesetzes ist es notwendig, gerade im Bereich des Bauwesens nach hochwertigen Einsatzmöglich-keiten für gebrauchte Baustoffe zu suchen. Ziel des Vorhabens war es, mit einem größtmöglichen Anteil an Recycling-(RC-)Zuschlägen einen Betonstein zu entwickeln, der in seinem Eigenschaftsbild einem herkömmlichen Betonstein möglichst nahe kommt. Der Einsatz insbesondere poröser Recycling-Zuschläge in zementgebundenen Systemen erfordert für eine Optimierung der Qualitätseigenschaften des Betons die grundlegende Kenntnis über die festigkeitsbestimmenden Vorgänge während des Erstar-rungs- und Erhärtungsprozesses. Speziell in Betonen erdfeuchter Konsistenz (Betonsteine) werden diese im Grenzbereich Zuschlag / Zementmatrix in mikrokristallinen Größenordnungen ablaufenden Reaktio-nen und ihre Abhängigkeit von Materialauswahl, Mischzeit oder Wasseraufnahme noch nicht vollständig verstanden. Mit der Zielsetzung, Hochbaurestmassen, z.B. in Betonsteinen, auf hohem technischen Ni-veau zu verwerten, wurde ein wissenschaftlich kaum bearbeitetes Gebiet betreten, so dass neue beton-technologische Erkenntnisse und Produkte zu erwarten waren. Es war ein erster Schritt, durch den hochwertigen Einsatz von Bauschutt neue Absatzmöglichkeiten zu erschließen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Ausbildung der Grenzfläche Zuschlag/Zementmatrix muss in Betonen erdfeuchter Konsistenz beson-dere Beachtung finden, da es hier aufgrund unzureichender Kontakte des Zuschlags mit dem hochvisko-sen Zementleim zu Festigkeitseinbußen kommen kann. Mit den Methoden der Licht- und Elektronenmik-roskopie, auch durch den Einsatz der Kryo-Präparation wurden die Stadien des Aushärtens des Zemen-tes insbesondere an der Grenzfläche zum porösen Zuschlagkorn untersucht. Unter Einbezug der so ge-wonnenen Erkenntnisse erfolgten die Entwicklung und Optimierung von Verfahren unter größtmöglicher Verwendung von Hochbaurestmassen für einen hochwertigen Einsatz in neuen, unbewehrten Baustoffen auf Zementbasis erdfeuchter Konsistenz (Betonsteine). Die Frisch- und Festbeton-Proben wurden zu-nächst nach den betontechnologischen Vorgaben z.B. auf Konsistenz, Druckfestigkeit und Rohdichte (später auch auf Frostbeständigkeit) untersucht. Ausgewählte Serien von Prüfkörpern, die ein charakte-ristisches Verhalten zeigten, wurden mit Hilfe mikroskopischer Methoden auf ihre kleinräumigen Eigen-schaften hin untersucht. Ein Einsatz von Betonsteinen auf einer Versuchsfläche war in Vorbereitung, war aber noch nicht realisiert.


Ergebnisse und Diskussion

Im Hinblick auf eine möglichst praxisnahe Entwicklung war das Projekt so konzipiert, dass die Herstellung der Betonsteine ausschließlich auf der Produktionsanlage der Firma Manzke in Lüneburg erfolgte.
Die erste Versuchsserie beschäftigte sich mit der Charakterisierung der verschiedenen Ausgangsmaterialien. An mineralischem Bauschutt wurden Splitte der Abbruchmaterialien Ziegel, Beton, Porenbeton und Kalksandstein eingesetzt. Die stationäre RC-Anlage der Firma Manzke zeichnet sich dadurch aus, dass dort RC-Zuschläge in großer Reinheit gewonnen werden können. Beim Beton wurde Produktionsbruch aus der Betonsteinfertigung eingesetzt.
Erwartungsgemäß konnte nach der ersten Serie festgestellt werden, dass nur mit einem Betonbruch allein bzw. unter Zumischung von Ziegelbruch ein RC-Stein mit hohen Druckfestigkeiten zu produzieren war. Insbesondere die mikroskopische Begleitung machte allerdings deutlich, dass nicht nur die Ausgangsmaterialien allein für die Eigenschaften des Endproduktes eine wichtige Rolle spielen. Vielmehr war auch der Wasserhaushalt des Gesamtsystems aus RC-Zuschlägen, Zement und Wasser von erheblicher Bedeutung, der entscheidend durch die Wasseraufnahme und -abgabe der porösen RC-Zuschläge beeinflusst wird. Gleichzeitig ist die Mischzeit von Bedeutung. Hierbei muss ein Kompromiss gefunden werden, der sich an der Benetzbarkeit der Materialien einerseits und an wirtschaftlichen Überlegungen andererseits orientieren muss. Die mikroskopischen Untersuchungen konzentrierten sich u. a. auf den Grenzbereich (Saum) zwischen Zement und RC-Zuschlag. Ein Mangel an Wasser führt zu einer unvoll-ständigen Hydratation, ein Überangebot im Grenzbereich hat zur Folge, dass sich um die Zuschläge Wassersäume bilden, in denen die Zementhydratphasen nur grob kristallisieren. Ein Idealzustand wird erreicht, wenn sich die Hydratphasen nanometerfein dicht an das RC-Zuschlagkorn anschließen bzw. in dessen poröse Oberfläche einwandern. Die Erzeugung möglichst optimaler Grenzbereiche wiederum war stark von den Vornässbedingungen und der Mischzeit abhängig.
Ausgehend von Erfahrungen der Firma Manzke im Hinblick auch auf die eingesetzte CO2-Nachhärtung wurde als Bindemittel ein Hochofenzement CEM III A 42,5 eingesetzt.
Versuche zur Festigkeitssteigerung durch Zugabe von Hüttensand 0/2 als Sandersatz brachten keinen Erfolg. Kornzertrümmerungen beeinflussten die Mischungskonsistenz erheblich. Auch der Einsatz von Silicastaub in Form einer Suspension führte nicht zu Verbesserungen. Es gelang nicht, die Suspension homogen in der Mischung zu verteilen. Auch aus wirtschaftlichen Überlegungen wurde gegen Ende der Versuchsserien ein Teil des Zementes durch Steinkohlenflugasche ersetzt.
Als Quintessenz aus den zahlreichen Projektversuchen wurde ein Betonstein generiert, der nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von 59 N/mm2 aufwies. Der Stein bestand im Kernbeton in der Sandfraktion aus Natursand und im Splittbereich aus einem Gemisch von RC-Zuschlägen mit 10% Ziegel- und 90% Betonbruch; den Vorsatz bildete Normalbeton. Das Bindemittel bestand aus 280 kg/cbm Zement und 60 kg/cbm Steinkohlenflugasche. Die Wasseraufnahme und die Mischdauer betrugen je 5 Minuten. Der Stein wies nach 56 Tagen eine Druckfestigkeit von 71 N/mm2 auf. Die Frost-Tauwechselprüfung in An-lehnung an die Normen DIN 4226 und 52104, Teil B, wurde bestanden.
Diskussion: Das Projekt hat gezeigt, dass es möglich ist, mit RC-Zuschlägen einen Betonstein zu produzieren, der in seinem Eigenschaftsbild - und hier insbesondere in seiner Druckfestigkeit - einem herkömmlichen Betonstein aus Naturzuschlägen sehr nahe kommt. Weiterhin konnte die nutzbringende Unterstützung der Produktentwicklung durch die Baustoffmikroskopie wiederum unter Beweis gestellt werden.
Interesse an dem RC-Stein wird insbesondere von öffentlichen Auftraggebern bekundet, die mit dem Einsatz für öffentliche Flächen wie z. B. Fußgängerzonen, Parkplätze etc. ihre Vorbildfunktion im Sinne einer praktizierten Kreislaufwirtschaft unter Beweis stellen wollen.
Für eine weitergehende Produktentwicklung sehen die Projektteilnehmer sowohl limitierende Projekterkenntnisse als auch weitere Optimierungsmöglichkeiten. Hinsichtlich der RC-Zuschläge scheint eine Erhöhung des Ziegelsplittanteils möglich, ohne das Eigenschaftsbild wesentlich zu verschlechtern. Bei Verwendung eines gemischten Betonsplitts z. B. aus einer Baustoffaufbereitungsanlage sind jedoch Festigkeitseinbußen zu erwarten.
Der Einsatz von gemischtem Bauschutt oder minderfester Zuschläge erscheint aussichtslos, wenn das hohe Anforderungsprofil beibehalten werden soll. Auch die Verwendung von RC-Sand wird kaum zu vergleichbar guten Ergebnissen führen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse des Vorhabens wurden in Form eines Posters auf dem RC-Symposium der Baustoffrecycling-Verbände im November 2001 in Berlin gezeigt. Der Bericht wurde auch auf den Websites der MPA Bremen und der RWB unter www.mpa-bremen.de und www.rwb-bremen.de veröffentlicht. Weitere Veröffentlichungen auch in Fachzeitschriften sind vorgesehen.


Fazit

Durch den Einsatz von hochwertigem Bauschutt in Form von Ziegel- und Betonsplitt und Einhaltung bestimmter Produktionsbedingungen unter der Kontrolle der analytischen Baustoffmikroskopie konnte ein Betonpflasterstein entwickelt werden, der in seinem Eigenschaftsbild mit einem herkömmlichen Betonstein vergleichbar ist.