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für Anwender
Bauabfälle
Halbtechnische Herstellung von Recycling-Granulaten aus Mauerwerkbruch-Ton-Mischungen
und ihre Anwendung in Leichtbeton
Alexander Schnell, Katrin Rübner, Manuel Vöge und Horst-Michael Ludwig
1. Einleitung und Motivation...329
2. Zusammenfassung ...330
3. Auswahl und Charakterisierung der Ausgangsmaterialien ...330
4. Herstellung von Recycling-Granulaten im Labor und im halbtechnischen Maßstab ...332
5. Eigenschaften der hergestellten Recycling-Granulate ...335
6. Applikationsversuche im Leichtbeton ...337
7. Fazit und Ausblick ...340
8. Quellen ...341
1. Einleitung und Motivation
Vor dem Hintergrund aktueller politischer Zielsetzungen und gesellschaftlicher Her- ausforderungen zu Ressourcenschonung und Kreislaufwirtschaft nimmt das Recycling einen immer größer werdenden Stellenwert ein, gerade auch für Baustoffe und andere mineralische Reststoffe. Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als fünfzig Millio- nen Tonnen Bauschutt an, der hauptsächlich aus Beton- und Mauerwerkbruch besteht.
Dabei nehmen die Verwertungs- und Recyclingquoten bei den bereits etablierten her- kömmlichen Einsatzgebieten für aufbereitete Bau- und Abbruchabfälle mit zunehmender Heterogenität des Materials ab [1, 19]. Ein höherwertiges Recycling mineralischer Bau- und Abbruchabfälle erfolgt heute in Deutschland lediglich im Rahmen von Pilotprojekten.
So können die groben Körnungen des Betonbruchs als rezyklierte Gesteinskörnung im Beton eingesetzt werden. Besonders eingeschränkte Verwertungsmöglichkeiten liegen für Mauerwerkbruch vor, einem Gemisch aus Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Mörtel, Natursteinen und anderen mineralischen Bestandteilen [10]. Die Ursache hierfür ist neben der heterogenen Zusammensetzung des Materials auch dessen feine Kornver- teilung, die durch den bei der mechanischen Aufbereitung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von dreißig bis über vierzig Prozent bedingt ist.
Bauabfälle
Es wird deutlich, dass Defizite in der Verwertung besonders bei heterogenen feinkör- nigen Gemischen bestehen. Es müssen Ansätze gefunden werden, um ein möglichst hochwertiges Recycling zu ermöglichen. Für eine höherwertige Verwertung ist eine mög- lichst gute Trennung der einzelnen Materialfraktionen ein bewährter Ansatz. Während Metalle mittels Band- und Wirbelstromabscheidern und leichte Fremdbestandteile über Windsichtung und Dichtesortierung ausgetragen werden können, ist eine Trennung der Materialien Ziegel, Mörtel und Beton derzeit technologisch nur schwer oder, insbesondere für die feinen Fraktionen, gar nicht technologisch umsetzbar.
Ein stoffliches Recycling dieser heterogen zusammengesetzten Abfälle unter Nutzung ihrer chemisch-mineralogischen Zusammensetzung ohne eine vorherige Trennung in die einzelnen Materialfraktionen bietet sich als Alternative an. Ergebnisse zur Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch in einem thermischen Prozess ähnlich der Blähtonherstellung wurden bereits mehrfach veröffentlicht [10–13, 15–18]. Gegenstand dieses Beitrags sind aktuelle Ergebnisse aus dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) geförderten Verbundforschungsprojekt Recycling-Leichtgranulate.
2. Zusammenfassung
Das Projektziel bestand in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichter Gesteinskörnung für Beton und Mörtel aus ziegelhaltigen Bau- und Abbruchabfällen durch thermische Porosierung. Hierzu erfolgte nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess eine thermische Stabilisierung der Recycling-Granulate (RCG). Nach Labor- versuchen wurden RCG im halbtechnischen Maßstab hergestellt. Als Ausgangsmaterial dienten Mauerwerkbruch bzw. Gemische aus Mauerwerkbruch und Ton. Dabei wurde die gesamte Prozesskette vom Granulieren der Ausgangsmehle bis zur thermischen Behandlung im Drehrohrofen in einem Produktionsschritt dargestellt. Die erzeugten RCG sind mit Rohdichten zwischen 780 und 1.800 kg/m³ leichte Gesteinskörnungen.
In den Applikationsuntersuchungen erfolgte eine vollständige Verwertung des gesamten beim Brennprozess entstehenden Materials, von den Körnungen kleiner 2 mm für leichte Steinergänzungsmörtel (Leichtmörtel) bis zu den Körnungen 2 bis 8 mm für Leichtbe- ton. Die RCG und die damit erzeugten Betone wurden umfangreich charakterisiert.
Die Leichtbetone mit RCG wurden abschließend in Applikationsversuchen eingesetzt.
3. Auswahl und Charakterisierung der Ausgangsmaterialien
Als Ausgangsmaterialien dienten Mauerwerkbrüche der Körnung 0 bis 32 mm (MW A, MW B und MW C) aus dem laufenden Abbruchmaterialrecycling der Heidemann Recyc- ling Thüringen GmbH & Co. KG. Die Probenahme für die Bewertung der Reststoffqualität erfolgte jeweils direkt im Werk. Neben den Ausgangsmaterialien aus Mauerwerkbruch wurden auch Tone in die Versuche einbezogen, um Untersuchungen zum Blähverhalten dieser Tone und von Gemischen aus Ton und Mauerwerkbruch durchführen zu können.
Dazu dienten die verschiedenen Tonausgangsstoffe Ton H, Ton P, Ton Pnatur und Ton L.
Bauabfälle
Alle Materialien wurden physikalisch, chemisch und umweltanalytisch charakterisiert.
Die Ergebnisse bestätigten die grundsätzliche Eignung der Ausgangsmaterialien für die Herstellung von thermisch geblähten Leichtgranulaten. Die Mauerwerkbrüche MW A, B und C enthielten etwa 23 Ma.-% ziegelhaltige Bestandteile und 72 Ma.-% Beton- und Gesteinskörnungskomponenten. Die Wasseraufnahme der MW-Proben betrug durchschnittlich 7,5 %, ihre Rohdichte 2.110 kg/m³ und ihre Reindichte 2.660 kg/m³.
Die Korngrößenverteilung der aus den Ausgangsmaterialien hergestellten Mehle wurde lasergranulometrisch bestimmt. Alle zur Granulatherstellung verwendeten Mehle zeigten einen multimodalen Verlauf der Korngrößenverteilungsfunktion, was in Verbindung mit einer hinreichend geringen Korngröße (etwa kleiner 125 µm) für eine gute Granu- lierbarkeit spricht.
Die chemische Zusammensetzung der Mauerwerkbrüche ist im Dreistoffdiagramm für blähfähige Stoffe in Bild 1 aufgetragen. Dargestellt sind die Gehalte an Al2O3, SiO2 und Flussmittel, das die Summe aus den Anteilen von CaO, MgO, Fe2O3, Na2O und K2O ist.
Die untersuchten Tonrohstoffe sind zusätzlich eingetragen. Die untersuchten Mauer- werkbrüche und Tone liegen innerhalb der von Riley [14], Wilson [21] und White [20]
definierten blähfähigen Bereiche. Das heißt, sie erreichen einen pyroplastischen Zustand im Temperaturbereich des Drehrohrofens, so dass sie porosiert werden können. Sie sind somit für die Herstellung geblähter Leichtgranulate geeignet.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 70 80 90 100 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Al2O3 M.-%
Flussmittel M.-%
SiO 2 M.-%
40 50 60
MW A MW B
MW C MW C < 120
Ton H Ton L
Ton P Ton Pnatur
Bild 1:
Chemische Zusammensetzung verschiedener Mauerwerk- brüche (MW) verschiedener Tone, blähfähige Bereiche nach Riley (rot), Wilson (blau) und White (grün)
Quellen:
Riley, C.: Relation of chemical properties to the bloating of clays. J. Am. Ceram. Soc.
34, 1951, S. 121–128
White, W. A.: Lightweight aggregate from Illinois shales. Illinois State Geological Survey Circ, 290, 1960
Wilson, H.: Lightweight aggregates for the construction industry. J. Can. Ceram. Soc.
22, 1953, S. 44–48
Zur Bewertung der Umweltverträglichkeit der Mauerwerkbrüche MW A, B und C wurden die Arsen-, Schwermetall- und Salzgehalte im Feststoff und im wässrigen Eluat (Schüttelversuch mit Wasser/Feststoff = 10 l/1 kg) nach DIBt-Richtlinien [2] analy- siert. In Bild 2 sind die relativen Gehalte der Proben bezogen auf die derzeit geltenden Grenzwerte, die jeweils hundert Prozent gesetzt wurden, dargestellt. Alle geforderten Grenzwerte nach LAGA M 20 [8, 9] werden unterschritten.
Bauabfälle
Bild 2: Prozentuale Arsen-, Schwermetall- und Salzgehalte der Mauerwerkbrüche im Feststoff und wässrigen Eluat bezogen auf den jeweiligen Grenzwert, der 100 % gesetzt wurde
nach Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Grundsätze zur Bewertung der Auswirkungen von Bauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile I bis III. Berlin, 2009/2011
LAGA-Mitteilung M 20: Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Abfällen – Technische Regeln. Länder- arbeitsgemeinschaft Abfall, November 1997
LAGA-Mitteilung M 20: Eckpunkte (EP) der LAGA für eine Verordnung über die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken. Länderarbeitsgemeinschaft Abfall, August 2004
4. Herstellung von Recycling-Granulaten im Labor und im halbtechnischen Maßstab
Nach der mittels Chargen- bzw. Durchlaufkugelmühlen realisierten Mahlung als erster Prozessstufe wurden die Rohmehle in den weiteren Prozessschritten Mischen, Gra- nulieren und Brennen zu RCG verarbeitet. Die Recycling-Granulate der Körnungen 0,5 bis 1 mm, 1 bis 2 mm, 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm wurden im Labormaßstab im Technikum der Bauhaus-Universität Weimar hergestellt. Die feinen Körnungen kleiner 2 mm dienten zur Entwicklung von Leichtmörteln, die groben Körnungen größer 2 mm fanden in den Leichtbetonen Verwendung. Im halbtechnischen Prozess wurden große RCG-Mengen (insgesamt etwa 2 Tonnen) der Körnungen 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm für den Einsatz in Leichtbetonelementen hergestellt.
Die Rohmehle aus Mauerwerkbruch wurden im Labormaßstab im Intensivmischer (5-Liter-Mischer) unter Zugabe von Wasser und ohne zusätzliche Bindemittel zu Grüngranulaten verarbeitet. Eine weitere Versuchsreihe ergab, dass sich auch ein 150-Liter-Intensivmischer zur Granulierung eignet. Bei den halbtechnischen Versuchen
80
60
40
20
Gehalt vom Grenzwert
%
Cr As Pb Cd 100
Cu Ni V Zn Hg As Pb Cd Cr Cu Ni Zn Cl SO4 LF pH 0
MW A MW B MW C
Feststoff Eluat
Bauabfälle
wurde schließlich ein Intensivmischer mit 250 Liter Volumen eingesetzt. Die Unter- suchung der Blähfähigkeit erfolgte durch Brennversuche im Labordrehrohrofen.
Für die Herstellung von RCG aus reinem Mauerwerkbruch war die Verwendung von Siliciumcarbid (SiC) als Blähmittel notwendig. Eine Zugabemenge von 1 bis 3 Ma.-% erwies sich als ausreichend. Ver- suchsreihen mit MW C und den Tonen P, L und H ergaben, dass RCG mit hinrei- chend geringer Rohdichte auch aus Ton- Mauerwerkbruch-Gemischen ganz ohne Zugabe des relativ kostenintensiven SiC hergestellt werden können.
Die in Bild 3 dargestellten Ergebnisse zei- gen, dass bei 50-prozentiger Substitution des Mauerwerkbruchs durch Ton L oder Ton P Rohdichten um die 1.000 kg/m³ hergestellt werden können, ohne SiC zu- zugeben. Die lichtmikroskopischen Auf- nahmen von gebrannten Granulaten in Bild 4 verdeutlichen diesen Sachverhalt.
Rohdichte g/cm3
0,5 1,0 2,5
Tonanteil %
0 50 100
0,0 1,5
Ton H m. SiC Ton H o. SiC Ton L m. SiC Ton L o. SiC
Ton P o. SiC Vergleichswert Grenzwert DIN EN 13055 2,0
Bild 3: Einfluss des Tonanteils auf die Roh- dichte der Recycling-Granulate
0,5 mm
0,5 mm 0,25 mm
0,5 mm 50 % Ton P
25 % Ton P
Bild 4: Recycling-Granulate aus Mauerwerkbruch C mit 25 und 50 Ma.-% Ton P nach dem Brennen im Labordrehrohrofen
Bauabfälle
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde für die halbtechnischen Granulier- und Brennversuche eine Rezeptur ohne SiC gewählt. Zum Einsatz kamen gemahlener Mauerwerkbruch MW C und Ton P im Mischungsverhältnis eins zu eins. Die halb- technischen Versuche wurden durch die IBU-tec advanced materials AG durchgeführt [7]. Hierbei erfolgte die Auswahl der technologischen Parameter für das Granulieren und Brennen auf der Grundlage der Laboruntersuchungen und der Erfahrungen auf dem Gebiet der Kalzinierung und thermischen Verfahrenstechnik. Kern des in Bild 5 dargestellten Gesamtprozesses bildete neben dem Intensivmischer ein gasbeheizter Drehrohrofen mit 12 m Länge und 1 m Innendurchmesser. Die Dosierung der beiden Rohmehle erfolgte über eine BigBag- und Verwiegestation. Das Material wurde pneu- matisch in einen Vorlagebehälter gefördert und dann in den Mischer gegeben. Eine Banddosierung beschickte anschließend den Drehrohrofen mit den Grüngranulaten.
Die gebrannten RCG liefen nach dem Ofenauslass durch einen Kühler und wurden abschließend auf der Siebstation in die Zielkorngruppen 2 bis 4 und 4 bis 8 mm sowie das Überkorn größer 8 mm und Unterkorn kleiner 2 mm separiert.
Ton Bauschutt
Rezeptwaage Pneumatik
Förderer
Kalkstein
Telleraustrag
Feuchte Granulate
AusschussansätzeBecherwerk Bandwaage Vorlagebehälter Wasser
Rohgas CO, CO2, O2
Vorlagebehälter
Eirich Mischer
Frischluft Frischluft Kamin
Abgasgebläse Staubfilter
Vorwärmer
Filterstaub
Pyrometer (Tmat)
Überlauf Ofeneinlauf
Grobabsiebung > 35 mm Mehrdeck
Sieb
Unterkorn
< 2 mm
Produkt 4–8 mm Produkt 2–4 mm Überkorn
> 8 mm GDO 1 x 12 m
Reingas CO, CO2, O2 Δp
Tbefore
pkiln inlet
Tmat inlet
Tkiln
inlet TSZ2TSZ1
Tkiln outlet Brenner Kühler
Bild 5: Fließschema des halbtechnischen Gesamtprozesses nach der Rohmehlherstellung
Quelle: Ergebnisbericht IBU-tec Advanced Materials AG, Weimar 2016
Die halbtechnische Granulierung von MW C mit Ton P war im Intensivmischer mit 250 Liter umsetzbar. Die erforderliche Granulierfeuchte lag wie im Labor bei etwa 18 Prozent bezogen auf die Masse der feuchten Granulate. Aufgrund des Granulationsprinzips im Intensivmischer wiesen die erzeugten feuchten Granulate in ihrer Korngrößenverteilung
Bauabfälle
eine verhältnismäßig große Bandbreite von 0,5 bis 10 mm auf. Die Grüngranulate wurden technologisch bedingt ohne vorherige Absiebung der Feinkornanteile in den Drehrohrofen dosiert. Der Blähprozess wurde während des Versuchs mehrfach angepasst. Vor allem der Feinkornanteil kleiner 1 bis 2 mm erwies sich im Ofen als problematisch, da es zu Verklebungen kam. Durch Absenkung der Ofentemperatur auf 1.050 °C konnte der Prozess jedoch stabilisiert werden. In der Summe wurden etwa 2 Tonnen RCG der Fraktionen 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm und 0,7 Tonnen Unterkorn kleiner 2 mm hergestellt.
5. Eigenschaften der hergestellten Recycling-Granulate
Für den Einsatz der RCG als leichte Gesteinskörnungen in Mörtel und Beton sind Leichtgranulate mit Rohdichten kleiner 2.000 kg/m³ und Kornfestigkeiten größer 1 MPa geeignet. Die Charakterisierung der im Labor aus Mauerwerkbruch und halbtechnisch aus Mauerwerkbruch und Ton P hergestellten RCG ergab, dass diese erforderlichen Kriterien eingehalten wurden. Die RCG der Körnungen 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm wiesen Kornrohdichten zwischen 1.210 kg/m³ und 1.810 kg/m³ auf. Die Granulate der Korngruppen 0,5 bis 1 mm und 1 bis 2 mm lagen zwischen 790 kg/m³ und 1.520 kg/m³.
Für die Beton- und Mörteltechnologie sind neben der Kornrohdichte vor allem die Porosität und die Wasseraufnahme der leichten Gesteinskörnungen entscheidende Kennwerte. Die Abhängigkeit der Gesamtporosität und der Wasseraufnahme der RCG von der Kornrohdichte ist in Bild 7 und 8 dargestellt. Wie zu erwarten, wird die Gesamtporosität der RCG ähnlich wie die der Vergleichsblähtone mit zunehmender Kornrohdichte kleiner. Die Porositäten liegen zwischen 35 und 70 %. Die 24 h-Wasser- aufnahme der Recycling-Granulate variiert zwischen 10 und 18 %. Ähnlich wie auch bei den Blähtonen ergibt sich kein systematischer Zusammenhang zur Kornrohdichte.
Dieses Verhalten ist auf den heterogenen Porenraum der Recycling-Granulate und Blähtone zurückzuführen. Bild 9 zeigt elektronenmikroskopischen Aufnahmen von frischen Bruchflächen der Körnungen. Sowohl die RCG als auch der Blähton sind durch 10 bis 100 µm große unregelmäßige Makroporen und dazwischen einem Festkörpergerüst, Bild 6: Halbtechnisches Brennen von Recycling-Granulaten im gasbeheizten Drehrohrofen
Bauabfälle
das von einer Vielzahl kleiner Poren unter 1 µm durchsetzt ist, gekennzeichnet.
Gleichzeitig liegen partiell geschmolzene Oberflächenareale vor. Außerdem weisen die Körnungen meist eine Randschicht auf, die im Vergleich zum Korninneren deutlich poröser ist.
An den halbtechnisch hergestellten RCG erfolgte eine Bewertung der Umweltverträg- lichkeit entsprechend dem oben für die Ausgangsstoffe beschriebenen Vorgehen. Die Ergebnisse sind in Bild 10 dargestellt. Alle Messwerte liegen unterhalb der geforderten Grenzwerte, so dass für einen Einsatz der Recycling-Granulate als leichte Gesteinskör- nung für Beton keine Bedenken bestehen.
1.000 80
60
40
20
Gesamtporosität
%
500 0
RCG 0,5–2 mm
1.500 2.000 Kornrohdichte kg/m3
BT 0,5–2 mm RCG 2–8 mm BT 2–8 mm
1.000 40
30
20
10
Wasseraufnahme
%
500 0
RCG 0,5–2 mm
1.500 2.000 Kornrohdichte kg/m3
BT 0,5–2 mm RCG 2–8 mm BT 2–8 mm
Bild 7: Gesamtporosität der Recycling- Granulate (RCG) feiner und grober Körnung in Abhängigkeit von der Kornrohdichte, Vergleichsmaterial Blähton (BT)
Bild 8: Wasseraufnahme der Recycling- Granulate (RCG) feiner und grober Körnung in Abhängigkeit von der Kornrohdichte, Vergleichsmaterial Blähton (BT)
Bild 9: ESEM-Aufnahmen frischer Bruchflächen von Recycling-Leichtgranulaten aus Labor (RCG-L) und halbtechnischer Herstellung (RCG-HT) im Vergleich zu Blähton (BT)
RCG-L RCG-HT BT
Bauabfälle 100
80
60
40 20
Gehalt vom Grenzwert
%
Cr
As Pb Cd Cu Ni V Zn Hg As Pb Cd Cr Cu Ni Zn Cl SO4 LF pH
Feststoff Eluat
RCG-HT 2–4 RCG-HT 4–8 0
Bild 10: Prozentuale Schwermetall- und Salzgehalte der Recycling-Leichtgranulate aus halb- technischer Herstellung (RCG-HT) im Feststoff und wässrigen Eluat bezogen auf den jeweiligen Grenzwert, der 100 % gesetzt wurde
nach Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Grundsätze zur Bewertung der Auswirkungen von Bauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile I bis III. Berlin, 2009/2011
LAGA-Mitteilung M 20: Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Abfällen – Technische Regeln. Länder- arbeitsgemeinschaft Abfall, November 1997
LAGA-Mitteilung M 20: Eckpunkte (EP) der LAGA für eine Verordnung über die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken. Länderarbeitsgemeinschaft Abfall, August 2004
6. Applikationsversuche im Leichtbeton
Der Einsatz der Recycling-Leichtgranulate grober Körnung von 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm als leichte Gesteinskörnung nach DIN EN 13055-1 [6] für die Herstellung von gefügedichtem Leichtbeton nach DIN EN 206-1 [4] und DIN 1045-2 [3] war Gegen- stand der Untersuchungen. Dazu gehörten die Entwicklung und Erprobung einer geeigneten Betonrezeptur, die Betonherstellung, die Untersuchung verschiedener Frisch- und Festbetoneigenschaften und die Herstellung von Betonbauteilen für die Praxis als Demonstrations- und Monitoringobjekte.
Als erstes wurde eine Betonrezeptur für eine plastische Konsistenz entworfen und er- probt. Grundlage der Rezepturoptimierung bildeten die Anforderungen der Beton und Naturstein Babelsberg GmbH an Betonbauteile für den Garten- und Landschaftsbau.
Die Kennwerte der Betonmischung waren:
• Bindemittel: Zement CEM I 52,5 R mit 405 kg/m³,
• effektiver w/z-Wert 0,42,
Bauabfälle
• Gesteinskörnung: 60 Vol.-% leichte Gesteinskörnung für 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm, 34 Vol.-% Natursand 0 bis 4 mm, 6 Vol.-% Marmormehl < 0,25 mm,
• Sieblinie in Anlehnung an A 8 nach DIN 1045-2 [3],
• Die Wasseraufnahme der leichten Gesteinskörnungen wurde als Zusatzwasser berücksichtigt. Die Menge des Absorptionswassers entsprach der jeweiligen 24 h-Wasseraufnahme der Gesteinskörnung,
• Fließmittel auf PCE-Basis.
Als leichte Gesteinskörnungen der Körnung 2 bis 4 mm und 4 bis 8 mm dienten folgende Materialien:
• Recycling-Leichtgranulate aus der Laborherstellung aus Mauerwerkbruch MW C:
RCG-L mit einer Rohdichte von 1.300 kg/m³,
• RC-Leichtgranulate aus der halbtechnischen Herstellung aus einem Gemisch von Mauerwerkbruch MW C und Ton: RCG-HT mit einer Rohdichte von 1.810 kg/m³,
• Handelsüblicher Blähton BT mit einer Rohdichte von 1.130 kg/mm³.
Nach der Rezepturentwicklung für 15 l-Mischungen in einem Zyklos-Mischer erfolgte eine Übertragung auf 200 l-Mischungen in einem Konusmischer. Für das finale Demonstrationsobjekt mischte der Betonhersteller mit den in größeren Mengen verfügbaren halbtechnisch hergestellten Granulaten RCG-HT etwa 400 l Leichtbeton im Konusmischer. Die Frischbetoneigenschaften der Mischungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Mit den Ausbreitmaßen zwischen 390 mm und 410 mm wird eine plastische Konsistenz (Konsistenzklasse F2) erreicht.
Beton Frischbetonrohdichte Luftporengehalt Ausbreitmaß kg/m³ % mm RCG-L 1.960 4,4 405 RCG-HT 2.080 8,5 385 BT 1.800 4,2 412
Tabelle 1:
Frischbetoneigenschaften der Leichtbetone mit RC-Leicht- granulaten aus Labor- (RCG-L) und halbtechnischer Herstellung (RCG-HT) sowie Blähton (BT)
RCG-L RCG-HT BT
Bild 11: Betonprobekörper mit geschnittener Oberfläche mit Recycling-Leichtgranulaten aus Labor- (RCG-L) und halbtechnischer Herstellung (RCG-HT) sowie Blähton (BT) (Maße 150 mm x 150 mm x 75 mm)
Bauabfälle
Betonprobekörper mit geschnittener Oberfläche mit Recycling-Granulaten aus Labor- und halbtechnischer Herstellung sowie Blähton zeigt Bild 11. Entsprechend des Habitus der Leichtgranulate haben die geschnittenen Oberflächen der RCG-Betone ein anderes Aussehen als die der BT-Betone. Dies kann als gestalterisches Element von geschnittenen oder/und geschliffenen Betonoberflächen eingesetzt werden. Für geschalte Betonober- flächen spielen diese Unterschiede keine Rolle, wie die unbehandelten Seiten der Probe- körper zeigen. Die Leichtbetone sind mit Trockenrohdichten zwischen 1.800 kg/m³ und 2.000 kg/m³ in die Rohdichteklasse D 2,0 [3, 4] einzuordnen.
Die Druckfestigkeit als wichtigste Eigenschaft zur Beurteilung der Güte eines Leicht- betons wurde nach DIN EN 12390 [5] an Betonwürfeln mit 15 mm Kantenlänge bestimmt.
Die Festigkeiten sind in Bild 12 aufgetragen. Die 28-Tage-Druckfestigkeiten liegen zwi- schen 50 und 65 MPa. Damit können die Leichtbetone den Festigkeitsklassen LC 45/50 bzw. LC 55/60 zugeordnet werden. Erwartungsgemäß führen höhere Kornrohdichten der RCG auch zu höheren Betonfestigkeiten.
70
60
50
40
30
20
10
Druckfestigkeit MPa
RCG-L RCG-HT BT
0
7 Tage 28 Tage
Bild 12:
Druckfestigkeit der Betone mit Recycling-Leichtgranulaten aus Labor- (RCG-L) und halbtech- nischer Herstellung (RCG-HT) sowie Blähton (BT)
Bild 13: Demonstrations- und Monitoringobjekte aus Leichtbeton mit Recycling-Leichtgranulaten (links: Pflanzkübel, rechts: Betonsitzsteine als Teichbegrenzung)
Bauabfälle
Abschließend erfolgte die Herstellung verschiedener Leichtbetonelemente für den Garten- und Landschaftsbau. Die Demonstrationsobjekte zeigt Bild 13. Mehrere Pflanzkübel mit den Abmessungen 540 mm x 540 mm x 560 mm wurden aus den 200 l-Mischungen mit Recycling-Granulaten bzw. handelsüblichem Blähton als Ver- gleich hergestellt. Ihre Außenflächen wurden mittels CNC-Technik bearbeitet. Die Pflanzkübel stehen zur Langzeitbeobachtung der Dauerhaftigkeitseigenschaften im Freien auf dem Firmengelände des Betonherstellers.
Aus der 400 l-Betonmischung wurden drei radial geformte Betonsitzsteine der Maße 1.200 mm x 420 mm x 210 mm produziert. Zusätzlich enthielten die Mischungen eisenhaltige gelbe oder schwarze Farbpigmente, so dass die Bauteile in gelb, hellgrau und anthrazit gefertigt wurden. Alle Betonteile wurden halbseitig hydrophobiert.
Die Sitzsteine fanden auf dem Gelände der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Randbebauung eines Teiches (Bild 13, rechts) Verwendung. Im Rahmen der Planung einer Innenhofsanierung wurden sie als Ersatz für alte stark beschädigte Betonelemente eingebaut. Neben dem praktischen Nutzen ermöglicht dieser Standort auch ein leichtes Langzeitmonitoring der Bauteile.
7. Fazit und Ausblick
Mit Forschungs- und Industriepartnern aus den Bereichen Baustoffrecycling, Ver- fahrensentwicklung und Anlagenbau sowie Baustofftechnologie und Denkmalpflege wurde im Projekt die Herstellung und Anwendung von Recycling-Leichtgranulaten RCG über den Labormaßstab hinaus untersucht und optimiert. Dabei stand eine vollständige Verwertung des gesamten beim Brennprozess anfallenden Materials im Vordergrund, also der feinen Körnungen kleiner 2 mm sowie der groben Körnungen größer 2 mm. Im Projekt wurde die Eignung von gemahlenem Mauerwerkbruch zur Herstellung von RCG und zur Substitution von Rohtonen prinzipiell nachgewiesen.
Für das Recyclingunternehmen wurde damit die Grundlage für neue Absatzmög- lichkeiten für speziell aufbereiteten feinkörnigen Mauerwerkbruch geschaffen. Die aus Mauerwerkbruch und Tonen hergestellten RCG wurden in Leichtbetonbauteilen für den Garten- und Landschaftsbau eingesetzt. Im Ergebnis wurde ein vollständiger Verwertungsweg vom Reststoff bis zum Bauprodukt für heterogen zusammengesetzten Mauerwerkbruch abgebildet. Das Produkt RCG erfüllt vollständig die normativen Anforderungen an leichte Gesteinskörnungen. Der Gesamtprozess ab der Mahlung (Mischen-Granulierung-Brennvorgang-Siebung) wurde erstmals halbtechnisch umge- setzt. Durch den Einsatz von Tonen kann zudem auf das kostenintensive Blähmittel SiC verzichtet werden. Abschließend wurde exemplarisch der sinnvolle Einsatz der RCG in der Baupraxis nachgewiesen. So wurden neben Pflanzkübeln auch Leichtbetonsitzsteine als Demon-strationsobjekte produziert und eingebaut. Die Musterbauteile mit RCG erreichen die volle Funktionalität eines Leichtbetons.
Die Technologie soll zukünftig vor allem im Hinblick auf das Scale-Up weiterent- wickelt werden. Trotz der insgesamt positiven Ergebnisse der halbtechnischen Versuche traten Probleme mit einer stabilen Prozessführung im Drehrohrofen auf, die nur durch
Bauabfälle
Anpassungen in den Rezepturen und technologischen Änderungen im Gesamtprozess gelöst werden können. Weiterhin wird eine Umsetzung der Prozesskette zur Produk- tion leichter Recycling-Gesteinskörnungen im großtechnischen bzw. wenigstens im Pilotmaßstab angestrebt. Damit wäre auch eine Erweiterung des Produktportfolios von Baustoffherstellern um leichte Sonderbetone mit Recycling-Granulaten in Richtung grüner Leichtbeton umsetzbar.
8. Quellen
[1] Bundesverband Baustoffe – Steine und Erden e.V.: Mineralische Bauabfälle Monitoring 2012.
Bericht zum Aufkommen und zum Verbleib mineralischer Bauabfälle im Jahr 2012, Berlin 2015 [2] Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Grundsätze zur Bewertung der Auswirkungen von
Bauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile I bis III. Berlin, 2009/2011
[3] Deutsches Institut für Normung: DIN 1045-2, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität – Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2008
[4] Deutsches Institut für Normung: DIN EN 206-1, Beton, Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Her- stellung und Konformität. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2001/2005
[5] Deutsches Institut für Normung: DIN EN 12390-1, 2, 3, Prüfung von Festbeton. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2001–2011
[6] Deutsches Institut für Normung: DIN EN 13055-1, Leichte Gesteinskörnungen, Teil 1: Leich- te Gesteinskörnungen für Beton, Mörtel und Einpressmörtel. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2002/2004
[7] Ergebnisbericht IBU-tec Advanced Materials AG, Weimar 2016
[8] LAGA-Mitteilung M 20: Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Abfäl- len – Technische Regeln. Länderarbeitsgemeinschaft Abfall, November 1997
[9] LAGA-Mitteilung M 20: Eckpunkte (EP) der LAGA für eine Verordnung über die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken. Länderarbeitsgemeinschaft Abfall, Au- gust 2004
[10] Müller, A.; Schnell, A.; Rübner, K.: Aufbaukörnungen aus Mauerwerkbruch. Chemie Ingenieur Technik 84 (2012) 10, S. 1780–1791
[11] Müller, A.; Schnell, A.; Rübner, K.: Die Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch.
Mauerwerk 17 (2013) 6, S. 365–371
[12] Müller, A.; Schnell, A.; Rübner, K.: The Manufacture of Lightweight Aggregates from Recycled Masonry Rubble. Construction and Building Materials 98, 2015, S. 376–387
[13] Müller, A.; Weiß, A.; Schnell, A.: Up-Cycling von Mauerwerkbruch. Recycling Magazin 04, 2011, S. 30–33
[14] Riley, C.: Relation of chemical properties to the bloating of clays. J. Am. Ceram. Soc. 34, 1951, S. 121–128
[15] Schnell, A.; Müller, A.: Heterogeneous Construction and Demolition Waste as Raw Material for the Production of Lightweight Aggregates. Proceedings of the 26th International Conference on Solid Waste Technology and Management, Philadelphia, PA, USA, 2011, 134–140
[16] Schnell, A.; Müller, A.; Ludwig, H.-M.: Heterogener Mauerwerkbruch als Rohstoffbasis zur Her- stellung von leichten Gesteinskörnungen. Tagungsband der 18. Internationalen Baustofftagung ibausil, Band 2, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, Weimar 2012, S. 1098–1106
Bauabfälle
[17] Schnell, A.; Müller, A.; Rübner, K.; Ludwig, H.-M.: Mineralische Bauabfälle als Rohstoff für die Herstellung leichter Gesteinskörnungen. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D. (Hrsg.):
Recycling und Rohstoffe, Band 5. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S. 469–494
[18] Schnell, A.; Rübner, K.; Ludwig, H.-M.: Herstellung von Leichtgranulaten aus mineralischen Reststoffen für die Anwendung in Leichtbetonen und Mörteln. In: Tagungsband der 19. In- ternationalen Baustofftagung ibausil, Band 2. F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus- Universität Weimar, Weimar 2015, S. 259–266
[19] Statistisches Bundesamt: Abfallentsorgungsbericht 2010. Wiesbaden, 2012
[20] White, W. A.: Lightweight aggregate from Illinois shales. Illinois State Geological Survey Circ, 290, 1960
[21] Wilson, H.: Lightweight aggregates for the construction industry. J. Can. Ceram. Soc. 22, 1953, S. 44–48
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Bernd Friedrich, Thomas Pretz, Peter Quicker, Dieter Georg Senk, Hermann Wotruba (Hrsg.):
Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 4 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN 978-3-944310-35-0 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Stephanie Thiel Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2017
Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
Erfassung und Layout: Sandra Peters, Janin Burbott-Seidel, Claudia Naumann-Deppe, Anne Kuhlo, Gabi Spiegel, Cordula Müller, Ginette Teske
Druck: Universal Medien GmbH, München
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