Neue umweltfreundliche Abbruchtechniken
Teilprojekt B/O1
Zwischenbericht zum 19.02.1998

von: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. techn. h.c. J. Eibl

1. Zielsetzung

Die große Anzahl abzubrechender Bauwerke wird in dicht bebauter, städtischer Umgebung die Umwelt erheblich durch Erschütterungen, Staub- und Lärmbelästigung beeinflussen, teilweise auch durch kontaminiertes Wasser und ähnliches. Dies führt zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten, wenn z.B. Kaufhäuser, Hotels, Krankenhäuser oder ähnliche Gebäude über längere Zeit geschlossen werden müssen. Mit modernen Abbruchverfahren sollen diese nachteiligen Wirkungen vermieden werden, um zum Beispiel in Krankenhäusern den Betrieb in bestimmten Geschossen noch aufrecht zu erhalten, während in anderen bereits abgebrochen wird.

Andererseits bedürfen stark verunreinigte Gebäude der chemischen Industrie beim Rückbau besonderer Verfahren, die es zum Beispiel erlauben, kontaminierte Schichten des Betons abzutragen und zu entsorgen, den Rest des Gebäudes jedoch einer Wiederverwertung zuzuführen. Eine saubere Trennung ist bereits beim Abbruch unumgänglich. Die traditionellen Techniken wie Fallbirne am Bagger oder handgeführter Drucklufthammer scheiden in all den genannten Fällen, auch aus Kostengründen, aus. Sehr viel aufwendigere, neue Verfahren haben hier Chancen, wenn sie den genannten Randbedingungen hinsichtlich Beeinträchtigung der Umwelt, Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit genügen.

Für den Einsatz beim Abbruch von bewehrtem Beton und Mauerwerk sollen deshalb eine Reihe von derartigen Verfahren eingehend untersucht und einer Bewertung unterzogen werden. Dies sind vorrangig die Hochdruckwasserstrahltechnik, Lasertechnik, Mikrowellentechnik, Hochspannungsentladungstechnik und Sprengtechnik.

Geplant ist in einem zweiten Abschnitt als besonders günstig erkannte Techniken einer experimentellen Eignungsprüfung zu unterziehen.

2. Arbeitsprogramm

Das Arbeitsprogramm umfaßt die erforderliche Literaturrecherche zu den oben genannten Verfahren. Des weiteren das Entwerfen einer Art Matrix zur vergleichenden Darstellung und Bewertung der Ergebnisse der Literaturrecherche und eventueller Versuche. Experimentelle Studien mit den zu untersuchenden Verfahren werden durchgeführt, soweit entsprechende Anlagen in Kooperation mit Baufirmen resp. Institutionen oder Anwendern aus anderen Industriezweigen zur Verfügung stehen. Die Beantragung der dafür erforderlichen Mittel ist vorgesehen. Abschließend soll die Evaluation gegebenenfalls erforderlicher Weiterentwicklungen für die Optimierung der Verfahren für die Erfordernisse des Abbruchs erfolgen.

3. Durchgeführte Arbeiten

Die Literaturrecherche zu den oben genannten Verfahren wurde fortgesetzt. Sie ist weiterhin darauf ausgerichtet den Stand der Technik, heutige Anwendungsgebiete und -grenzen aber auch mögliche Modifikationen und Perspektiven der Weiterentwicklung zu erfassen. Des weiteren erstreckt sie sich auf die heute verfügbaren konventionellen Abbruchtechniken, die Strukturen und Konstruktionsprinzipien der abzubrechenden Bauwerke und somit auf zu berücksichtigende Fragen des Baubetriebs und der Organisation. Die Aspekte der Arbeitssicherheit und die Vielfalt der im Massivbau verwendeten Materialien werden ebenso beleuchtet wie die technischen Möglichkeiten zur Weiterverarbeitung des gewonnenen Materials.

Der erste Verifikationsversuch - die Sprengung einer Stahlbetonstütze mit Kreisvollquerschnitt - für das Projekt B/02 wurde in Absprache mit Herrn Dr. H.-U. Freund (Projekt B/05) erfolgreich durchgeführt. Die Ergebnisse dienen zum Vergleich mit den Werten aus der Berechnung dieses Systems mittels verschiedener Programme auf Basis der Finite Elemente-Methode (vgl. Zwischenbericht B/02). Des weiteren wurden Auflockerungssprengungen an Brückenwiderlagern in Frankfurt vor und nach der Sprengung sehr aufwendig dokumentiert. Die Materialparameter wurden an Proben die vor der Sprengung entnommen worden waren bestimmt. Die gesamte Geometrie und die Ladungsmenge ist dokumentiert, somit kann auch diese Sprengung zur Verifikation der entstehenden Stoffgesetze dienen.
Die im Projekt B/02 bei der Erstellung von FE-Codes zur Berechnung von Sprengvorgängen erarbeiteten Ergebnisse geben zu der Hoffnung Anlaß, daß der Anwendungsbereich dieses Abbruchverfahrens erheblich ausgeweitet werden kann, denn sie ermöglichen die Prognose der Beeinträchtigung der Umgebung.

Die Entwicklung der Matrix zur vergleichenden Darstellung und Bewertung der Verfahren ist abgeschlossen, die weitere Verbesserung erfolgt parallel zum Erkenntnisgewinn. Schwerpunkte der Bewertung sind die Aspekte: Beeinträchtigung von Umwelt und Umgebung, Leistungsvermögen, Kosten, praktische Handhabbarkeit und Einsatzbereiche der verschiedenen Verfahren und Techniken.

Im Bereich der konventionellen Abbruchtechniken wie hydraulischer Betoncrusher, baggermontierter Hydraulikhammer etc. hat in letzter Zeit lediglich eine technische Verbesserung vorhandener Verfahren stattgefunden. Diese zielen meist auf die Reduzierung von Verschleiß oder auf den Bau noch größerer Geräte ab. Die Entwicklung neuer Verfahren ist nicht zu erkennen.

Das gleiche gilt für den Einsatz der Hochdruckwasserstrahltechnik, sie ist inzwischen durch Anwender und diverse Gerätehersteller soweit entwickelt, daß sie in der Praxis regelmäßig angewandt wird. Die entstehenden Kosten beim Betonabtrag mit Hochdruckwasserstrahltechnik - sei es mit oder ohne Abrassivzugabe - sind jedoch so hoch, daß sich die Anwendung heute auf spezielle Aufgaben beschränkt, bei denen der Schutz und Erhalt der vorhandenen Bewehrung zwingend ist. Dies ist zum Beispiel bei Teilerneuerung von Brücken oder bei Umbaumaßnahmen, bei denen an die verbleibende Struktur anbetoniert werden soll der Fall.

Prinzipiell ist mittels Laserstrahl - unabhängig mit welcher Art von Quelle er erzeugt wird - das Schneiden von Beton und Stahlbeton möglich. Eine Aussage über Leistungsfähigkeit, Schnittgeschwindigkeiten, Beeinflussung der Umgebung, evtl. Wechselwirkungen mit im Beton befindlichen Fremdstoffen - z. B. Kunststoffteilen - ist aber aus der Literatur und auch im Gespräch mit einschlägigen Spezialisten nicht möglich. Zum weiteren Erkenntnisgewinn sind Versuche erforderlich. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Strahlerzeugung und des Strahltransports schreitet offensichtlich schnell voran. Deutschland ist im internationalen Vergleich auf diesem Gebiet mit führend, sowohl was Forschungseinrichtungen als auch was Hersteller anbelangt.

Auf dem Gebiet der Mikrowellentechnik haben wir durch Vermittlung des Instituts für Neutronenphysik und Reaktortechnik des Forschungszentrums Karlsruhe einen Vertrag über erste Eignungsversuche der Mikrowellenanwendung zum schichtweisen Abtragen von Beton mit dem Institut für Kernphysik am staatlichen Forschungszentrum der Russischen Föderation in Nowosibirsk abgeschlossen. Die begrenzten dafür erforderlichen Mittel hat das Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität Karlsruhe (TH) aus Eigenerwerb aufgebracht. Der Abschlußbericht zu diesen grundlegenden Versuchen liegt inzwischen vor (vgl. Abb. 1). Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß mit den heute zur Verfügung stehenden neuen Geräten im Bereich der Mikrowellenerzeugung ein schichtweiser Materialabtrag von Beton technisch realisiert werden kann. Die dabei verwendeten Geräte arbeiten mit gepulstem Leistungseintrag, was einen punktuell sehr hohen Energieeintrag zur Folge hat, dieser bewirkt einen schnellen steilen Temperaturanstieg und damit wärmeinduzierte Spannungen, die zum Abplatzen des Betons führen. Auf Basis dieser Tastversuche ist eine Aussage über die Umsetzbarkeit dieser Technik für die Belange des Abbruchs von Bauwerken des Massivbaus nur denkbar, nicht jedoch klar einzuordnen und zu bewerten. Dafür sind weitere Versuche erforderlich. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet in Japan [1] und England [2] basieren auf der damals verfügbaren Technik. Die Aussichten des Oberflächenabtrags mittels Erwärmung durch Mikrowellen zum Entfernen von Gipsputzen, um eine stoffliche Trennung beim Abbruch zu erzielen, werden derzeit in Zusammenarbeit mit der Firma Gebr. Knauf Westdeutsche Gipswerke, dem Bundesverband der Gips- und Gipsbauplattenindustrie e.V. und dem Institut für Technische Physik am Forschungszentrum Karlsruhe in ersten Tastversuchen erkundet.

Die im Bereich der Pulspowertechnik betrachteten Verfahren befinden sich in stetiger Weiterentwicklung. So wurde zum Beispiel die im Forschungszentrum Karlsruhe befindliche Anlage aufgrund des Interesses einschlägiger Industriezweige für das Zerlegen von Elektrokleingeräten zum Recycling der Wertstoffe der Komponenten in eine kleine Pilotanlage weiterentwickelt. Das Zertrümmern von Beton mit diesem Verfahren gilt als durchführbar, da sich das zu zertrümmernde Material jedoch im Wasser befinden muß, wurden bisher offene Gefäße verwendet, in die das Material zur Bearbeitung hineingelegt wurde, was bei der Anwendung zum Abbruch am bestehenden Gebäude nur sehr schwer möglich ist - allenfalls in behälterartigen Strukturen. Um diese Technik für den Abbruch von Stahlbetonstrukturen nutzbar zu machen, sind weitere Versuche und Entwicklungen nötig.

Die in Magdeburg betriebene Anlage - sie arbeitet auf der Grundlage von Leistungsschallimpulsen - wurde bislang in erster Linie zur Zertrümmerung im Sinne der Aufbereitung von Beton verwendet. Die Modifikationen, die erforderlich sind, um diese Technik als Abbruchtechnik zu nutzen, sind jedoch mit der Neuentwicklung eines Bearbeitungsgefäßes, das Oberflächen in jeder beliebigen Ausrichtung erreichen kann, verbunden. Die vorhandene Bearbeitungseinrichtung war lediglich auf den Energieeintrag von oben in horizontale Flächen ausgerichtet.

Im Rahmen der Präsentation des Verbundforschungsvorhabens ,,Baustoffkreislauf im Massivbau" beim Forschungsforum 97 in Leipzig waren wir auf dem Messestand mit einem Poster vertreten und haben auch den Stand für einen Tag mitbetreut.

4. Geplante Weiterarbeit

Die Literaturrecherche und das Studium der Verfahren wird weitergeführt. Die vergleichende Darstellung und Bewertung der Verfahren wird nun mit Hilfe der erstellten Matrix durchgeführt. Die Ausführungsplanung der nächsten Sprengversuche ist abgeschlossen, mit der Herstellung der Versuchskörper wurde bereits begonnen. Die Sprengung ist für Anfang April 1998 geplant. Der Ausbau der Kontakte zu Instituten, Geräteherstellern und Anwendern wird weiter gepflegt werden.

Ziel ist es, günstig anzuwendende bzw. für eine Anwendung weiter zu entwickelnde Verfahren zu finden und diese einer ersten experimentellen Prüfung zu unterziehen, um damit einem Einsatz neuer Technologien in der Baupraxis den Weg zu öffnen.

5. Literatur