Einfluss von carbonatisierten sekundären Gesteinskörnungen auf die Eigenschaften von Recyclingbeton

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Einfluss von carbonatisierten sekundären Gesteinskörnungen auf die Eigenschaften von Recyclingbeton

Marko Seidemann und Horst-Michael Ludwig

1. Gesteinskörnungen für Betone...640

1.1. Sekundäre Gesteinskörnung ...640

1.2. Carbonatisierte sekundäre Gesteinskörnung ...642

2. Recyclingbeton ...643

3. Versuchsdurchführung und Ergebnisse ...643

3.1. Betonrezepturen ...643

3.2. Charakterisierung der Gesteinskörnung ...644

3.3. Frischbetonuntersuchungen ...647

3.4. Festbetonuntersuchungen ...648

4. Zusammenfassung und Ausblick ...650

5. Literatur ...651

Beton ist der mit Abstand meist verbaute Baustoff in der Bauwirtschaft. Dieser enorme Einsatz von Beton führt zwangsläufig zu einer Zunahme des Anteils von Betonbruch in den insgesamt anfallenden Bauabfällen. Da sich in unserer Gesellschaft der Gedanke der Nachhaltigkeit immer mehr ausprägt und sich eine Knappheit aller Ressourcen abzeichnet, gewinnt die hochwertige Wiederverwendung von Betonschutt zunehmend an Bedeutung.

Für die Aufbereitung von Altbeton gibt es bereits Recyclingprozesse, die eine Trennung des rückgebauten Betons in den Zementstein und die ursprüngliche Gesteinskörnung zum Ziel hat. Mit den am Markt verfügbaren Aufbereitungstechniken ist eine vollständi- ge Trennung jedoch nicht möglich. Die dabei entstehende rezyklierte Gesteinskörnung besteht aus primärer Gesteinskörnung und anhaftendem Zementstein. Dabei kommt es zu einer Erhöhung des Kapillarporenanteils der sekundären Gesteinskörnung gegenüber primärer Gesteinskörnung. Aufgrund dessen ist der Einsatz von Betonrezyklaten als Gesteinskörnung mit einer Verschlechterung der Frisch- und Festbetoneigenschaften verbunden.

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Durch eine gesteuerte Carbonatisierung der Betonrezyklate soll es zu einer Abnahme der Porosität und gleichzeitig zu einer Zunahme der Rohdichte sowie Festigkeit kom- men. Ebenso soll ein Maximum an Kohlendioxid in den Betonrezyklaten dauerhaft gebunden werden. Eine Verbesserung der Eigenschaften von Recyclingbeton kann so mit dem positiven Effekt der dauerhaften Einbindung von Kohlendioxid kombiniert werden.

Mit den behandelten Betonrezyklaten, den unbehandelten Betonrezyklaten und der natürlichen Gesteinskörnung werden Betone hergestellt und bezüglich ihrer Frisch- und Festbetoneigenschaften charakterisiert und im Vergleich miteinander bewertet.

1. Gesteinskörnungen für Betone

Gesteinskörnungen nehmen großen Einfluss auf die Frisch- und Festbetoneigenschaf- ten, da sie einen wesentlichen Volumenanteil des Verbundbaustoffes Beton ausfüllen.

Die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit eines Betonbauwerkes ist in großem Maße von der Qualität der verwendeten Gesteinskörnung abhängig. Hier spielen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gesteinskörnung eine ausschlaggebende Rolle. Die Einteilung der Gesteinskörnungen kann anhand von verschiedenen Kriterien vorgenommen werden. Die Tabelle 1 zeigt die Klassifizierung mithilfe der Rohdichte.

In Tabelle 2 erfolgt die Unterteilung nach der Korngröße und der Aufbereitungsart.

Tabelle 1: Klassifizierung der Gesteins- körnung anhand der Rohdichte Bezeichnung Kornrohdichte der Gesteinskörnung kg/dm³ schwere Gesteinskörnung > 3,0 normale Gesteinskörnung 2,6 bis 3,0 leichte Gesteinskörnung < 2,0

Quelle: Neroth, G.; Vollenschaar, D.: Wendehorst Baustoff- kunde, Grundlagen – Baustoffe – Oberflächenschutz. Vieweg und Teubner Verlag, S. 126-127, 169-172, 322-323, 27. Auflage, 2011

Tabelle 2: Klassifizierung der Gesteinskörnung anhand der Korngröße

Korngröße nicht gebrochene gebrochene mm Körnung Körnung

< 0,25 Feinstsand Feinstbrechsand

< 1 Feinsand Feinbrechsand 1 bis 4 Grobsand Grobbrechsand

4 bis 32 Kies Splitt

> 32 Grobkies Schotter Quelle: Neroth, G.; Vollenschaar, D.: Wendehorst Baustoff- kunde, Grundlagen – Baustoffe – Oberflächenschutz. Vieweg und Teubner Verlag, S. 126-127, 169-172, 322-323, 27. Auflage, 2011

In den nachfolgenden Untersuchungen wurde für die Referenzbetone Grobsand und Kies verwendet.

1.1. Sekundäre Gesteinskörnung

Durch den selektiven Rückbau von Bauwerken ist es möglich, sortenreine Recycling- materialien zu gewinnen. Der dadurch gewonnene Altbeton kann durch verschiedene Aufbereitungstechniken für die Herstellung von sekundärer Gesteinskörnung genutzt werden. Damit die rezyklierte Gesteinskörnung die gewünschte Korngröße und

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Kornform erhält, kommt es häufig zur mehrmaligen Anwendung von Aufbereitungs- techniken. Durch die Aufbereitung entsteht auch immer ein nicht unwesentlicher Feinanteil ≤ 2 mm. In dieser Fraktion reichert sich im Wesentlichen der sekundäre Zementstein an, was zur Folge hat, dass die Korngruppe 0/2 für die Verwendung in Betonen entsprechend einer Richtlinie vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton keine Berücksichtigung findet [2].

Die Einteilung der sekundären Gesteinskörnung erfolgt in vier Liefertypen. Die Merkmale der verschiedenen Liefertypen unterscheiden sich in ihrer stofflichen Zusammensetzung, wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist. Die Tabellen 4 und 5 gehen auf Anforderungen bezüglich Kornrohdichte, Wasseraufnahme und Anwendungsbereiche in Abhängigkeit vom Liefertyp ein.

Tabelle 3: Stoffliche Zusammensetzung der Liefertypen

Zusammensetzung

Ma.-%

Bestandteile Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Betonsplitt/ Bauwerksplitt/ Mauerwerksplitt/ Mischsplitt/

-brechsand -brechsand -brechsand -brechsand Beton und Gesteinskörnungen

nach DIN 4226-1 ≥ 90 ≥ 70 ≤ 20

Klinker, nicht porosierter Ziegel

≤ 10 ≤ 30 ≥ 80 ≥ 80

Kalksandstein ≤ 5

andere mineralische Bestandteile¹ ≤ 2 ≤ 3 ≤ 5

Asphalt ≤ 1 ≤ 1 ≤ 1 ≤ 20

Fremdbestandteile² ≤ 0,2 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 1

1 Andere mineralische Bestandteile sind zum Beispiel: porosierter Ziegel, Leichtbeton, Porenbeton, haufwerksporiger Beton, Putz, Mörtel, poröse Schlacke, Bimsstein

2 Fremdbestandteile sind zum Beispiel: Glas, Keramik, NE-Metallschlacke, Stückgips, Gummi, Kunststoff, Metall, Holz, Pflanzenreste, Papier, sonstige Stoffe

Quelle: DIN 4226-100: Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel – Teil 100: Rezyklierte Gesteinskörnungen; Beuth Verlag, Ausgabe Februar 2002

Tabelle 4: Kornrohdichte und Wasseraufnahme

Rezyklierte Gesteinskörnung

Kornrohdichte Einheit Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 und Wasseraufnahme Betonsplitt/ Bauwerksplitt/ Mauerwerksplitt/ Mischsplitt/

-brechsand -brechsand -brechsand -brechsand

Minimale Kornrohdichte kg/m³ 2000 1800 1500

Schwankungsbreite keine

Kornrohdichte kg/m³ ± 150 Anforderungen

Maximale Wasser- keine

aufnahme nach 10 min Ma.-% 10 15 20 Anforderungen Quelle: DIN 4226-100: Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel – Teil 100: Rezyklierte Gesteinskörnungen; Beuth Verlag, Ausgabe Februar 2002

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1.2. Carbonatisierte sekundäre Gesteinskörnung

Altbeton aus dem Abbruch von Bauwerken, der in Bausfoffrecyclinganlagen aufbereitet wird, wird heute nur zu einem sehr geringen Anteil als sekundäre Gesteinskörnung in der Betonherstellung eingesetzt. Ein wesentlicher Grund sind die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Recyclingbetone. Um diesen Qualitätsbeeinträchtigungen entgegenzuwirken, wurde rezyklierte Gesteinskörnung in einem Rohrreaktor bei Atmosphärendruck und einem definierten CO₂-Gasgemisch behandelt. Die Verweilzeit und die CO₂-Konzentration konnten dabei im durchströmten Rohrreaktor beliebig va- riiert werden. Dadurch war es möglich, die sekundäre Gesteinskörnung gezielt zu carbo- natisieren. Die bei den Versuchen eingestellte CO₂-Konzentration von 20 Vol.-Prozent und einer Bewitterungstemperatur von 100 °C ist mit realen Kraftwerksabgasen vergleichbar. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen lassen sich in drei wichtige Phasen unterteilen. In der ersten Phase diffundiert CO₂ in die Poren des Zementsteins ein, gleichzeitig zersetzt sich Calciumhydroxid im Feuchtigkeitsfilm an der Porenwandung und dissoziiert. Im zweiten Schritt löst sich CO₂ im Poren- wasser, welches zu einem geringen Teil zu Kohlensäure reagiert und im Anschluss zu Wasserstoffionen und Carbonationen dissoziiert. In der dritten Phase kommt es dann zur eigentlichen Carbonatbildung. Die Ionen reagieren miteinander und es entsteht Calciumcarbonat, welches in den Kapillarporen des Zementsteins aus- kristallisiert [9]. Dabei kommt es bei Portlandzementstein zu einer Zunahme der Dichtigkeit der sekundären Gesteinskörnung und gleichzeitig zu einer Abnahme des Gesamtporenvolumens. Nach dem Aufenthalt und der damit verbundenen gezielten Carbonatisierung der sekundären Gesteinskörnung im Rohrreaktor liegt eine carbonatisierte sekundäre Gesteinskörnung vor, die eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften aufweist, gegenüber von unbehandelter sekundärer Gesteinskörnung.

Tabelle 5: Zulässige Anteile rezyklierter Gesteinskörnung > 2 mm, bezogen auf die gesamte Gesteinskörnung

Anwendungsbereich Kategorie der Gesteinskörnung Typ 1 Typ 2 Alkalirichtlinie DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 Betonsplitt/ Bauwerksplitt/

-brechsand -brechsand

Vol.-%

W0

(trocken) Carbonatisierung (XC1)

≤ 45 ≤ 35

Kein Korrosionsrisiko (X0) Carbonatisierung (XC1 bis XC4)

WF Frostangriff ohne Taumitteleinwirkung (XF1 und XF3)

(feucht) und in Beton mit hohem Wassereindringwiderstand ≤ 35 ≤ 25 Chemischer Angriff (XA1) ≤ 25 ≤ 25 Quelle: DAfStb-Richtlinie: Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 mit rezyklierten Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620 – Teil 1: Anforderungen an den Beton für die Bemessung nach DIN EN 1992-1-1; Deutscher Ausschuss für Stahlbeton;

Beuth Verlag, Ausgabe September 2010

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2. Recyclingbeton

Als Recyclingbeton wird laut DAfStb-Richtlinie [2] ein Beton bezeichnet, der einen Anteil rezyklierter Gesteinskörnung von mindestens 25 Ma.-% und höchstens 45 Ma.-%

enthält. Für hochwertige Recyclingbetone, welche auch im konstruktiven Betonbau eingesetzt werden können, empfiehlt der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton nur die Liefertypen 1 und 2 zu verwenden.

Die recycelte Gesteinskörnung ersetzt die natürliche Gesteinskörnung teilweise. Die Dauerhaftigkeitskriterien und die Druckfestigkeit der Recyclingbetone hängen dabei im wesentlichem von der Qualität der rezyklierten Gesteinskörnung ab.

3. Versuchsdurchführung und Ergebnisse 3.1. Betonrezepturen

Damit der Einfluss der carbonatisierten sekundären Gesteinskörnung auf die Eigenschaf- ten von Recyclingbeton besser beurteilt werden konnte, wurde sich in der Forschungs- arbeit dafür entschieden, das laut Normen und Regelwerken maximale Volumen von 45 Vol.-Prozent sekundärer Gesteinskörnung ≥ 2 mm bei den Betonversuchen einzusetzen.

Abweichend von den entsprechenden Regelwerken erfolgten weiterhin Betonversuche mit einem Gehalt an 100 Vol.-Prozent rezyklierter Gesteinskörnung ≥ 2 mm.

Für die entsprechenden Frisch- und Festbetonuntersuchungen wurden verschiedene Betone hergestellt. Die Betonzusammensetzung aus Gesteinskörnung, Zement und Wasser wurde dabei bewusst einfach gewählt, um weitere Einflüsse auf ein geringes Maß zu reduzieren. Es wurden 5 Betone hergestellt, die sich in der Zusammensetzung ihrer Gesteinskörnung unterscheiden. In Tabelle 6 sind die Betone mit den verschiedenen Gesteinskörnungen aufgelistet. Alle Betone wurden mit einem Portlandzement CEM I 42,5 N und einem Wasserzementwert von 0,5 hergestellt. Die dabei verwendete Gesteinskörnung wurde entsprechend Sieblinie A/B16 zusammengesetzt [4]. Lediglich die Korngruppen 2/8 und 8/16 wurden entsprechend der DAfStb-Richtlinie [2] zu 45 Vol.-Prozent bzw. 100 Vol.-Prozent durch RC-Material ersetzt. Die sekundäre und carbonatisierte sekundäre Gesteinskörnung wurde in den Kornbereich 2 bis 16 mm der Sieblinie A/B16 so eingesetzt, dass es zu einer gleichmäßigen Verteilung in Anlehnung an die primäre Gesteinskörnung kam.

Bezeichnung Bedeutung

RFB Referenzbeton mit natürlicher Gesteinskörnung RB/45 Recyclingbeton mit 45 Vol.-% sekundärer RFB-Gesteins-

körnung ≥ 2 mm

RB/100 Recyclingbeton mit 100 Vol.-% sekundärer RFB-Gesteins-

körnung ≥ 2 mm

RBC/45 Recyclingbeton mit 45 Vol.-% carbonatisierter sekundärer RFB-Gesteinskörnung ≥ 2 mm RBC/100 Recyclingbeton mit 100 Vol.-% carbonatisierter

sekundärer RFB-Gesteinskörnung ≥ 2 mm

Tabelle 6:

Bezeichnung und Bedeutung der Betone

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In Tabelle 7 sind die entsprechenden Mischungsrezepturen der verwendeten Betone angegeben. Für die Herstellung der Rezyklate wurde ein Teil des Referenzbetons mit natürlicher Gesteinskörnung aufbereitet. Die so gewonnene rezyklierte Gesteinskör- nung wurde im Versuchsverlauf geteilt, damit Recyclingbetone mit unbehandelter und behandelter Gesteinskörnung hergestellt werden konnten. Die Behandlung erfolgte im Anschluss an die Aufbereitung. Dabei wurde das Material mit CO₂ beaufschlagt und so eine gezielte Carbonatisierung eingeleitet.

Tabelle 7: Mischungsrezepturen der Betone

Ausgangsstoff RFB RB/45 RB/100 RBC/45 RBC/100 kg/m³

natürliche Gesteinskörnung 0/2 555,1 555,1 555,1 555,1 555,1 natürliche Gesteinskörnung 2/8 737,3 405,5 – 405,5 – natürliche Gesteinskörnung 8/16 555,1 305,3 – 305,3 – sekundäre Gesteinskörnung 0/2 – 105,6 234,6 – – sekundäre Gesteinskörnung 2/8 – 183,8 408,4 – – sekundäre Gesteinskörnung 8/16 – 225,3 500,6 – – carbonatisierte sekundäre

Gesteinskörnung 0/2 – – – 107,0 237,7

carbonatisierte sekundäre

Zement CEM I 42,5 N 350 350 350 350 350

Wasser 175 175 175 175 175

3.2. Charakterisierung der Gesteinskörnung

Damit eine Beurteilung der gezielten Carbonatisierung der sekundären Gesteinskör- nungen erfolgen konnte, wurden verschiedene Untersuchungen der unbehandelten und behandelten Gesteinskörnung durchgeführt. Tabelle 8 zeigt die Rohdichten, Reindichten und die daraus errechneten Porositäten.

Gesteinskörnung Korn- Rohdichte Reindichte Porosität gruppe kg/m³ % unbehandelt

2/4 2,24 2,87 22,0

behandelt 2,27 2,81 19,2

unbehandelt 4/8 2,34 2,84 17,6

behandelt 2,40 2,83 15,2

unbehandelt 8/16 2,39 2,84 15,8

behandelt 2,42 2,83 14,5

Tabelle 8:

Rohdichten, Reindichten und Porositäten

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Innerhalb aller Korngruppen kommt es zu einem Anstieg der Rohdichte nach der Behandlung der Rezyklate. Gleichzeitig verringert sich die Porosität der behandelten Gesteinskörnung. Dies legt den Schluss nahe, dass durch die Beaufschlagung mit CO₂ eine Carbonatisierung in der Zementsteinmatrix stattgefunden haben muss, die das Gefüge verdichtet hat.

Tabelle 9: Porosität (Quecksilberdruckporo- simetrie)

Gesteinskörnung Porosität % unbehandelt 14,6 behandelt 10,2

Da die angegebenen Porositäten errech- nete Werte darstellen, wurde das Poren- volumen und die Porengrößenverteilung für die Korngröße 4/8 nochmals mit der Quecksilberdruckporosimetrie bestimmt.

Die Tabelle 9 und Bild 1 zeigen die daraus gewonnenen Ergebnisse.

Die Ergebnisse der Quecksilberdruckporosimetrie zeigen ebenfalls eine Abnahme des Gesamtporenvolumens. Dabei reduziert sich die Porosität der Zementsteinmatrix von 14,6 Prozent auf 10,2 Prozent durch die Beaufschlagung von CO₂.

0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

Differentiales Porenvolumen ml/g

0,001 0,01

sekundäre Gesteinskörnung carbonatisierte sekundäre Gesteinskörnung

0,1 1

Porenradius µm

10 100 1.000

0

Bild 1: Differentiales Porenvolumen von sekundärer und carbonatisierter sekundärer Gesteins- körnung

Bild 1 zeigt, dass die Abnahme der Porosität im Bereich der Porenradien 10 nm bis 5 µm erfolgt ist. In diesem Bereich befinden sich die Kapillarporen. Das bedeutet, dass es durch die Behandlung zu einer Reduzierung der Kapillarporosität gekommen ist.

Dies wiederum wirkt sich maßgebend auf die Druckfestigkeit des Zementsteins aus, da die Kapillarporosität ein wesentlicher Einflussfaktor für die Druckfestigkeit ist [7].

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Bild 2: Thermische Analyse von sekundärer und carbonatisierter sekundärer Gesteinskörnung (TG-Thermogravimetrische Kurve, DTG-Differenz-Thermogravimetrische Kurve) Die thermische Analyse zeigt bei der sekundären und carbonatisiert sekundären Gesteinskörnung zwei ausgeprägte Peaks in den Verläufen der TG- und DTG-Kurven.

Der erste Peak befindet sich bei etwa 430 °C. In diesem Temperaturbereich kommt es zur Dehydratation des Portlandits (Ca(OH)₂). Der zweite Peak liegt bei etwa 650 bis 700 °C. Hier ist im Verlauf der thermischen Analyse eine deutliche Massenänderung der Probe ersichtlich, was auf die Zersetzung von Carbonat (CaCO₃) zu Calciumoxid und Kohlendioxid zurückzuführen ist. Es kommt in diesem Temperaturbereich zur Abspaltung von Kohlendioxid [6], [1]. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass es durch die gezielte Carbonatisierung der sekundären Gesteinskörnung zu einer Umwandlung von Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat kommt. In der carbonatisierten sekundären Gesteinskörnung kommt es gegenüber der sekundären Gesteinskörnung zu einem deutlichen Anstieg des Calciumcarbonatgehaltes in der Zementsteinmatrix.

Mit Hilfe der thermischen Analysen wurden die Massen vor und nach den Peaks in der unbehandelten und behandelten Probe bestimmt. Die dabei gewonnenen Werte bilden die Grundlage für die Bestimmung der Calciumhydroxid- und Calciumcarbo- natgehalte. Die Berechnung erfolgte mit den Gleichungen 1 und 2 [3].

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0,12 0,14

0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 DTG Ma.-%/°C

0 200 400

Temperatur °C

600 800 1.000

100 TG Ma.-%

98 96 94 92 90 88 86 84

sekundäre Gesteinskörnung carbonisierte sekundäre Gesteinskörnung

Ca(OH)2= m₄₀₀-m₅₀₀ • m₅₀₀ 74,1

18

Ca(OH)₂(74,1 ) g CaO + H₂O (18 )

mol g

mol

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Dabei bedeuten: m₄₀₀ Masse der Probe in mg bei 400 °C

m₅₀₀ Masse der Probe in mg bei 500 °C

m₅₅₀ Masse der Probe in mg bei 550 °C

m₇₅₀ Masse der Probe in mg bei 750 °C

In Tabelle 10 sind die errechneten Werte gegenübergestellt. Es kommt durch die gezielte Carbonatisierung zu einer Reduzierung des Calciumhydroxidgehaltes um etwa 20 Prozent. Gleichzeitig verdoppelt sich der Calciumcarbonatgehalt.

CaCO₃= m₅₅₀-m • ₇₅₀ m750

100,1 44

CaCO₃(100,1 ) g CaO + CO₂(44 )

mol g

mol

Probe Ca(OH)₂ CaCO₃ % sekundärer Zementstein 9,8 7,4 carbonatisierter sekundärer Zementstein 7,8 14,6

Tabelle 10:

Calciumhydroxid- und Calcium- carbonatgehalte

3.3. Frischbetonuntersuchungen

Durch die Bestimmung des Ausbreitmaßes direkt nach der Betonherstellung und anschließend nach 30, 60 und 90 min wurde der Konsistenzverlauf der hergestellten Frischbetone ermittelt. In Bild 3 sind die verschiedenen Ausbreitmaße in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Dabei wurde das Konsistenzverhalten für die zwei Beton- mischungen mit 100 Vol.-Prozent Rezyklat nur direkt nach der Herstellung bestimmt.

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

Ausbreitmaß cm

90

0 30

Zeit min 60 0

RFB RB/45 RBC/45 RB/100 RBC/100

Bild 3: Konsistenzverhalten der Betonmischungen

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Der Konsistenzrückgang über die Zeit ist ein normaler Vorgang, der als Ansteifen bezeichnet wird. Die zeitabhängige Veränderung der Konsistenz ist für die Bestimmung des Verar- beitungsendes des Betons wichtig, damit die Verarbeitbarkeit zum Zeitpunkt des Einbaus gewährleistet ist. Das Ausbreitmaß nach der Herstellung der Betone ähnelte sich bei allen 4 Betonen. Lediglich bei Verwendung von 100 Vol.-Prozent carbonatisierter rezyklierter Gesteinskörnung im Beton wurde ein höherer Kennwert erzielt. Dies lässt die Vermutung zu, dass auf Grund der Carbonatisierung der sekundäre Zementstein dahingehend verän- dert wurde, dass sich der Wasseranspruch, verringert. Bei der Zugabe von 45 Vol.-Prozent Rezyklat ist dieses Verhalten nicht so stark ausgeprägt. Mit zunehmender Zeit kommt es zum Ansteifen der Betone. Dabei ist zu erkennen, dass sich der Beton mit dem carbonatisierten Rezyklat (RBC/45) im Ansteifverhalten ähnlich wie der Referensbeton (RFB) verhält.

Insgesamt gab es bei allen Mischungen untereinander keine großen Abweichungen, da der w/z-Wert, der Zementgehalt und die Kernfeuchte der eingesetzten Gesteinskörnung bei allen Betonen einheitlich eingestellt wurde. Zudem waren die Frischbetone ausreichend stabil, sodass es zu keiner Wasserabsonderung (Bluten) kam.

Weiterhin wurden die Frischbetonrohdichten der Mischungen ermittelt. Die Ergebnisse sind in Bild 4 dargestellt.

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

Frischbetonrohdichte kg/m³

Probenbezeichnung

0 RFB RB/45 RBC/45 Bild 4:

Frischbetonrohdichten

Durch den Einsatz von sekundärer Gesteinskörnung kommt es zu einer Reduzierung der Frischbetonrohdichte, da die primäre Gesteinskörnung im Vergleich zur sekundären Ge- steinskörnung eine höhere Rohdichte besitzt. Diese Differenz kann durch den Einsatz von carbonatisierter sekundärer Gesteinskörnung verringert, aber nicht aufgehoben werden.

3.4. Festbetonuntersuchungen

Die Beurteilung der Festigkeitsentwicklung der 5 Betone erfolgte über die Druckfestigkeiten nach 7, 14, 28 und 56 Tagen. Die Ergebnisse der verschiedenen Druckfestigkeiten sind in den Bildern 5 bis 8 dargestellt.

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Die Bilder 5 bis 8 verdeutlichen, dass mit fortlaufender Hydratationszeit eine Steigerung der Druckfestigkeit in allen Betonen festzustellen ist. Dabei erreicht der Referenzbeton jeweils die höchsten Festigkeiten. Durch den Einsatz von rezyklierter Gesteinskörnung kommt es zu einer Verringerung der Druckfestigkeit, da die Rezyklate gegenüber der natürlichen Ge- steinskörnung eine geringere Rohdichte aufgrund des anhaftenden Zementsteins besitzen.

Grund hierfür stellt der Porenraum (insbesondere Kapillarporen) des Zementsteins dar.

Der anhaftende Zementstein bringt somit zusätzliche Hohlräume in die neu entstehende Zementsteinmatrix, was zu einer Zunahme des Gesamtporenvolumens führt. Durch die Carbonatisierung der sekundären Gesteinskörnung kommt es zu einer Erhöhung der Rohdichte und einer Abnahme des Gesamtporenvolumens, was sich positiv auf die Beton- druckfestigkeit auswirkt.

Vergleicht man die Betone mit sekundärer und carbonatisierter sekundärer Gesteinskörnung, so ist bei den unterschiedlichen Hydratationsgraden zu sehen, dass es zu einer zwar geringen, aber dennoch signifikanten Festigkeitssteigerung bei den Betonen mit carbonatisierter sekundärer Gesteinskörnung kommt. Lediglich bei der Frühfestigkeit nach sieben Tagen ist bei einem Rezyklatanteil von 45 Vol.-Prozent noch keine Festigkeitssteigerung mithilfe von carbonatisiertem Material festzustellen. Je höher der Gehalt an rezyklierter Gesteinskörnung im Beton ist, umso stärker wird der festigkeitssteigernde Effekt der Carbonatisierung sichtbar.

5045 4035 3025 2015 105

Druckfestigkeit N/mm²

Probenbezeichnung 0 RFB RB/45 RBC/45 RB/100 RBC/

100

5045 4035 3025 2015 105

100

5045 4035 3025 2015 105

100

5045 4035 3025 2015 105

100

Bild 5: Druckfestigkeiten nach 7 d Bild 6: Druckfestigkeiten nach 14 d

Bild 7: Druckfestigkeiten nach 28 d Bild 8: Druckfestigkeiten nach 56 d

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4. Zusammenfassung und Ausblick

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine Gefügeverdichtung im Portlandzementstein mittels einer gezielten Carbonatisierung in einem Laborreaktor möglich ist. Es kommt zu einer Bindung von CO₂ und einer Verbesserung der Materialeigenschaften. Mit der gezielten Carbonatisierung der sekundären Gesteinskörnung kommt es zu einer Erhöhung der Rohdichte und einer Abnahme der Porosität der Betonrezyklate. Die Bestimmung des Porenvolumens und der Porengrößenverteilung mit Hilfe der Quecksilberdruckpo- rosimetrie zeigte eine Abnahme der Porosität durch die gezielte Carbonatisierung von etwa 30 Prozent. Hierbei kam es vorrangig zur Reduzierung des Kapillarporenanteils.

Weiterhin wurde eine thermische Analyse durchgeführt, die unter Beweis stellte, dass der Calciumhydroxidgehalt um etwa 20 Prozent reduziert werden konnte und parallel dazu der Calciumcarbonatgehalt sich verdoppelte. Die bei den Versuchen eingestellte CO₂-Konzentration von 20 Vol.-Prozent ist mit realen Konzentrationen in Kraftwerks- abgasen vergleichbar.

Im nächsten Schritt wurden mit den Rezyklaten, welche die CO₂-Behandlung durchlaufen haben, Betone hergestellt und betontechnische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurden die Betone mit den behandelten Rezyklaten im Vergleich zu Betonen bewertet, bei denen unbehandelte Rezyklate beziehungsweise natürliche Gesteinskörnungen zum Einsatz kamen. Im Anschluss an die Betondruckfestigkeitsuntersuchungen werden noch Versuche zur Betondauerhaftigkeit durchgeführt.

Bei der Betrachtung der ermittelten Frischbetonkennwerte konnten keine wesentlichen Unterschiede bei der Verwendung von carbonatisierter sekundärer Gesteinskörnung herausgestellt werden. Durch den Einsatz von carbonatisiertem Rezyklat kommt es zu einer Steigerung der Druckfestigkeit der Betone im Vergleich zu Betonen mit nicht carbonatisierten rezyklierten Gesteinskörnungen. Bei einem carbonatisierten Rezyklat- anteil von 45 Vol.-Prozent ist nach 56 Tagen eine Festigkeitssteigerung von 1,8 Prozent gegenüber den Betonen mit unbehandeltem Rezyklat zu erkennen. Durch die Steigerung des Rezyklatanteils auf 100 Vol.-Prozent, kommt es hier zu einer Festigkeitssteigerung von 3,3 Prozent nach 56 Tagen.

Für aufbauende und nachfolgende Untersuchungen stellen diese Ergebnisse die Grund- lage dar. Eine grundlegende Fragestellung, die sich dabei ergibt, ist, wie man den Car- bonatisierungsgrad weiter steigern kann. Hierbei ist zu bemerken, dass das Ergebnis der Carbonatisierung wesentlich von der Carbonatisierungszeit, der Temperatur im Reaktor, der CO₂-Konzentration und der Kapillarfeuchte abhängt. Außerdem sollen die Untersuchungen auch auf Hochofenzemente ausgeweitet werden. Weiterhin ist die Carbonatisierung der Sandfraktion von großem Interesse, da sich hier der Zementstein während der Aufbereitung vermehrt anreichert. Diese Untersuchungen könnten dazu beitragen, dass die Korngruppe 0/2 in mineralischen Baustoffen Verwendung findet.

Insgesamt konnte verdeutlicht werden, dass durch eine gezielte Carbonatisierung des anhaftenden Zementsteins an der sekundären Gesteinskörnung die Festbetoneigenschaf- ten verbessert werden können. Durch dieses Resultat rückt das Abbruchmaterial Beton weiter in den Fokus der Ressourcenwirtschaft und kann dazu beitragen, Stoffkreisläufe sinnvoll zu schließen.

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Dank Die Autoren danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die Unterstüt- zung im Rahmen des Forschungsprojektes.

5. Literatur

[1] Bier, T. A.: Karbonatisierung und Realkalisierung von Zementstein und Beton, S. 50-51, Disser- tation an der Universität Fridericiana zu Karlsruhe, 1988

[2] DAfStb-Richtlinie: Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 mit rezyklierten Gesteinskör- nungen nach DIN EN 12620 - Teil 1: Anforderungen an den Beton für die Bemessung nach DIN EN 1992-1-1; Deutscher Ausschuss für Stahlbeton; Beuth Verlag, Ausgabe September 2010 [3] De Weerdt, K.; Ben Haha, M.; Le Saout, G.; Kjellsen, K. O.; Justnes, H.; Lothenbach, B.: Hydration mechanisms of ternary Portland cements containing limestone powder and fly ash, S. 279-291, Cement and Concrete Research 41, 2011

[4] DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 2: Beton - Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität - Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1; Beuth Verlag, Ausgabe August 2008

[5] DIN 4226-100: Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel – Teil 100: Rezyklierte Gesteinskör- nungen; Beuth Verlag, Ausgabe Februar 2002

[6] Lehnhäuser, W.: Differentialthermoanalyse im nichtmetallisch-anorganischen Bereich, S. 891- 897, Sprechsaal 106, 1973

[7] Locher, F. W.: Zement – Grundlagen der Herstellung und Verwendung, S. 293-297, Verlag Bau + Technik GmbH, 2000

[8] Neroth, G.; Vollenschaar, D.: Wendehorst Baustoffkunde, Grundlagen - Baustoffe - Oberflächen- schutz. Vieweg und Teubner Verlag, S. 126-127, 169-172, 322-323, 27. Auflage, 2011

[9] Stark, J.; Wicht, B.: Dauerhaftigkeit von Beton, 2. Auflage, S. 103-109, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013

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Dorfstraße 51

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TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Mineralische Nebenprodukte und Abfälle – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen –

ISBN: 978-3-944310-11-4

Erschienen: Juni 2014 Gebundene Ausgabe: 574 Seiten

mit zahlreichen farbigen Abbildungen

Preis: 50.00 EUR

Herausgeber: Karl J. Thomé-Kozmiensky • Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Themen:

• Recht und Strategie

• Rückstände aus der Verbrennung von Abfällen und Biomassen

• Nebenprodukte aus der Metallurgie

• Bauabfälle und sonstige mineralische Nebenprodukte und Abfälle

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Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 2 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN 978-3-944310-21-3 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2015

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.

Erfassung und Layout: Ginette Teske, Sandra Peters, Janin Burbott, Claudia Naumann-Deppe, Anne Kuhlo

Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München

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