TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

BAUSTOFFINSTITUT

INSTITUT FÜR BAUKONSTRUKTION UND BAUSTOFFE
LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFKUNDE UND WERKSTOFFPRÜFUNG
UND PRÜFAMT FÜR BITUMINÖSE BAUSTOFFE UND KUNSTSTOFFE

Dir.: Univ.-Prof. Dr.-Ing. P. Schießl

Dipl.-Ing. L. Friedl
Dipl.-Ing. Dr. techn. R. Schmiedmayer

Zwischenbericht 1/1998 zum BMBF-Forschungsvorhaben
„Baustoffkreislauf im Massivbau"

Teilprojekt D/01

München
Juli 1998

Stand der Untersuchungen

Der vorliegende Zwischenbericht umfaßt die Teilergebnisse des ersten Halbjahres 1998. In den vorangegangenen Untersuchungen wurden die Eigenschaften von Betonsplitt (Rohdichte, Kornform, Wasseraufnahme etc.) mit Verfahren ermittelt, die für die Untersuchung von Naturzuschlag verwendet werden (Untersuchungen nach DIN 4226). Darüber hinaus wurden die mechanischen Kennwerte mit den in der Norm geregelten Verfahren wie Schlagzertrümmerung (DIN 52115-3), Los-Angeles-Abrieb (prEN 1097-2) und Kornfestigkeit (DIN 4226-3) ermittelt. Diese Ergebnisse wurden mit den Eigenschaften von Betonen - hergestellt aus dem untersuchten Betonsplitt - (RC-Beton) verglichen und bewertet. Es zeigte sich, daß in der derzeit geltenden Normung kein Prüfverfahren existiert, mit dem der Anteil an anhaftenden Zementstein ausreichend genau festgestellt werden kann. Im letzten halben Jahr wurde deshalb der Versuch zur Bestimmung des Los-Angeles-Abriebs - abweichend von der Norm - variiert, um den Betonsplitt für seine spätere Verwendung im Beton besser charakterisieren zu können.

Versuche

Ausgangssituation

Erste Versuche am Betonsplitt hatten erwartungsgemäß gezeigt, daß aufgrund der am Betonsplitt anhaftenden minderfesten Mörtelanteile der Abrieb in der LA-Trommel gegenüber Naturzuschlag deutlich größer war. Die erwartete Abhängigkeit zur Festigkeit des Altbetons, aus dem der Betonsplitt gebrochen wurde, stellte sich nur zu einem Teil ein. Bei Betonen die mit Naturzuschlag gleicher Herkunft (z. B. Isarkies) zusammengesetzt waren, war tendenziell eine Abhängigkeit zwischen Abrieb und Altbetonfestigkeit vorhanden, wobei die Spreizung zwischen einem B15 und einem B55 nicht allzu groß war. Bei Betrachtung von Betonsplitten mit unterschiedlicher Herkunft der Naturzuschläge (z. B. Basalt und Kalk) wiesen die LA-Abriebe deutliche Unterschiede auf, so daß eine absolute Zuordnung zu einer Altbetonfestigkeit nicht möglich ist. Da der Betonsplitt während des Versuchs in der geprüften Kornklasse zu über 50 % in kleinere Fraktionen zerkleinert wird, hängt der Abrieb nicht nur von der Zementsteinfestigkeit sondern auch von der Festigkeit des im Betonsplitt vorhandenen Naturzuschlags ab.

Modifizierter LA-Versuch

Zielsetzung bei der Modifikation des LA-Versuchs war es, die Zerkleinerung des Naturzuschlags so gering wie möglich zu halten, so daß in erster Linie am Betonsplitt anhaftender Zementstein ‘abgerieben’ wird. Nicht nur um eine Korrelation zur Festigkeit des Zementsteins zu erhalten, sondern vor allem, um eine Korrelation zum Maß des am Zuschlag anhaftenden Zementsteins zu erhalten, da dieser z. B. den E-Modul von RC-Beton ganz wesentlich beeinflußt.

Hierzu wurde bei dem LA-Versuch die Reibmittelladung als auch die Anzahl der Umdrehungen des Versuchs variiert. Da die starke Zerkleinerung des Prüfguts in erster Linie von den schweren Stahlkugeln herrührt, wurden als alternative Reibmittelladung kleinere Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 6 - 20 mm in unterschiedlicher Anzahl und einem wesentlich geringerem Gesamtgewicht verwendet. Die Anzahl der Umdrehungen wurde zwischen 250 und 1000 variiert, Tabelle 1+2. Da die Ermittlung des LA-Wertes (Abrieb kleiner 1,6 mm) als nicht ausreichend angesehen wurde, wurde am gesamten zerkleinerten Prüfgut eine Siebanalyse durchgeführt. Um zu untersuchen, wieviel Mörtel noch am Betonsplitt anhaftet, wurde nach der Siebanalyse des in der LA-Trommel zerkleinerten Prüfgutes von der geprüften und der direkt darunter liegenden Kornklasse die Kornrohdichte bestimmt.

Tabelle 1: Anzahl der Umdrehungen des modifizierten LA-Versuchs mit 20 mm-Stahlkugeln als Reibmittelladung (Gesamtgewicht g = 1486 g)

Tabelle 2: Anzahl der Umdrehungen des modifizierten LA-Versuchs mit 6-9 mm-Stahlkugeln als Reibmittelladung (Gesamtgewicht g = 771 g)

Für die Untersuchungen wurden die Betonsplitte verwendet, die auch in den vorangegangenen Berichten untersucht wurden. Dabei handelt es sich um Betonsplitt der aus definiert hergestellten Betonen (B15, B35, B55) mit quarzitischen Isarkies als Naturzuschlag aufbereitet wurde (Eigenschaften bzw. Kennwerte siehe vorangegangene Berichte). Darüber hinaus wurde uns vom Teilprojekt C/05 Betonsplitt (ein in einer Prallmühle gebrochener B15, mit Weserkies als Naturzuschlag) für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt.

Ergebnisse

In den Diagrammen 1a-c sind die Siebdurchgänge drei verschiedener Prüfkornklassen nach 500 Umdrehungen bei einer Reibmittelladung mit 20 mm Stahlkugeln dargestellt. Es ist ersichtlich, daß auch mit dieser Variation des LA-Versuchs eine Beurteilung des Betonsplitts hinsichtlich seiner Altbetonfestigkeit nicht möglich ist. Der Betonsplitt aus dem Teilprojekt C/05 mit der Altbetongüte B 15 zeigt nahezu die gleiche Sieblinie wie der Betonsplitt Q-B 55 mit der Altbetongüte B 55 (Diagramme 1a+b). Lediglich der Betonsplitt Q-B15 mit einer Altbetongüte B 15 unterscheidet sich in den Kornklassen 8/16 und 16/32 von den anderen untersuchten Betonsplitten durch eine wesentliche feinere Sieblinie. In der Kornklasse 4/8 dagegen ist eine Unterscheidung des B 15 von den anderen untersuchten Betonsplitten nicht mehr möglich (Diagramm 1c).

Diagramm 1a: Siebdurchgang der Prüfkornklasse 16/32 nach 500 Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Diagramm 1b: Siebdurchgang der Prüfkornklasse 8/16 nach 500 Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Diagramm 1c: Siebdurchgang der Prüfkornklasse 4/8 nach 500 Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

In den Diagrammen 2a+b sind die Siebrückstände der Kornklasse 8/16 in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen dargestellt. Im Diagramm sind zusätzlich die ermittelten Rohdichten der Prüfkornklasse eingetragen. Bei einer Rohdichte des Originalzuschlags von 2,69 kg/m³ und einer Rohdichte des Betonsplitts von 2,60 kg/dm³ nach 750 Umdrehungen (Diagramm 2a) läßt sich abschätzen, daß bei dem Betonsplitt mit der Altbetongüte B 15 (Kornklasse 8/16) nur noch ca. 10 M.-% Zementstein am Betonsplitt anhaften - ein Großteil also durch den Versuch abgerieben wurde. Betrachtet man dagegen den Betonsplitt mit der Altbetongüte B 55 (Diagramm 2b) ist nach 750 bzw. 1000 Umdrehungen kein Unterschied im Vergleich zur Rohdichte vor Versuchsbeginn festzustellen. Folglich wurde der anhaftende Zementstein nicht überwiegend abgerieben.

Diagramm 2a: Siebrückstände und Rohdichte des Betonsplitts Q-B15, Prüfkornklasse 8/16, in Abhängigkeit der Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Diagramm 2b: Siebrückstände und Rohdichte des Betonsplitts Q-B55, Prüfkornklasse 8/16, in Abhängigkeit der Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Bei der Kornklasse 16/32 ist ebenfalls eine Erhöhung der Kornrohdichte und damit ein stärkerer Abrieb des Zementsteins bei dem Betonsplitt Q-B15 erkennbar (Diagramm 3a). Jedoch fällt diese Erhöhung nicht so deutlich aus wie in der Kornklasse 8/16. Bei dem Betonsplitt Q-B55 ist wie in der Kornklasse 8/16 festzustellen, daß sich die Rohdichte im Laufe des Versuchs nur unwesentlich verändert (Diagramm 3b) - ein überwiegender Abrieb des Zementsteins also nicht stattfindet.

Diagramm 3a: Siebrückstände und Rohdichte des Betonsplitts Q-B15, Prüfkornklasse 16/32, in Abhängigkeit der Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Diagramm 3b: Siebrückstände und Rohdichte des Betonsplitts Q-B55, Prüfkornklasse 16/32, in Abhängigkeit der Umdrehungen mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Bei dem Ersatz der Reibmittelladung durch Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 6 bis 9 mm ergaben sich in allen untersuchten Kornklassen nur geringe Abriebe (Siebdurchgang durch das 2-mm Sieb < 8 M.-%). Diese lagen nur unwesentlich über den Abrieben von Versuchen ohne Reibmittelladung (Siebdurchgang durch das 1,6-mm Sieb < 4 M.-%). Ebenso stieg die Rohdichte der jeweils untersuchten Kornklasse nach 750 Umdrehungen nur geringfügig an (z. B. Q-B15 von 2,46 auf 2,52 kg/dm³; vgl. Versuche mit 20 mm-Kugeln: von 2,46 auf 2,60 kg/dm³). Aufgrund dieser Ergebnisse wurde von einer weitergehenden Untersuchung mit kleineren Stahlkugeldurchmessern abgesehen.

Eine Abhängigkeit zwischen dem Abrieb des LA-Versuchs und der Rohdichte des Betonsplitts ist sowohl bei dem modifizierten (20 mm-Stahlkugeln) als auch beim Norm-LA-Versuch tendenziell vorhanden: mit steigender Rohdichte des Betonsplitts nimmt der Abrieb in der LA-Trommel ab (s. Diagramm 4). Das ist i. d. R. damit zu erklären, daß bei steigender Rohdichte ein geringerer Anteil an Zementstein am Betonsplitt anhaftet und der Naturzuschlag dem Abrieb wesentlich mehr Widerstand entgegenbringt.

Diagramm 4: Abhängigkeit zwischen der Rohdichte des Betonsplitts (Kornklasse 4/8, 8/16, 16/32) und dem Abrieb in der LA-Trommel

Die Einzelergebnisse aller Versuche sind im Anhang in den Tabellen 3 - 6 zusammengefaßt.

Diskussion

Zusammenhang zwischen Betonsplitt und Altbeton

Eine Beurteilung des Betonsplitts hinsichtlich seiner Altbetonfestigkeit ist auch mit den durchgeführten Modifikationen des LA-Versuchs nicht möglich. Die Spreizung zwischen dem Abrieb eines Betons der Altbetonfestigkeit B 15 und einem B 55 war zwar größer als bei den LA-Versuchen nach Norm, eine Zuordnung zu einer Festigkeitsklasse war jedoch auch hier nicht möglich. Ein gebrochener B 15 mit Weserkies als Naturzuschlag wies nach dem modifizierten Versuch nahezu dieselbe Sieblinie wie ein B 55 mit Isarkies auf. Es ist hier jedoch nicht auszuschließen, daß der Betonsplitt aus dem B 15 mit Weserkies wesentlich ‘bessere’ Eigenschaften (d. h. wesentlich weniger anhaftenden minderfesten Zementstein) aufweist, weil dieser durch zweimaliges Brechen in der Prallmühle gewonnen wurde.

Durch die Modifikation des LA-Versuchs mit dem Ersatz der Reibmittelladung durch 20 mm-Stahlkugeln war es möglich die starke Zerkleinerung des Prüfguts - im Vergleich zur Normprüfung - herabzusetzen. Jedoch war ein primärer Abrieb des Zementsteins vom Naturzuschlag nur bei Betonsplitten mit einer niedrigen Altbetonfestigkeit festzustellen. Hier nahm die Rohdichte in den Kornklassen 8/16 und 16/32 deutlich zu. Bei der Kornklasse 4/8 und grundsätzlich bei Betongüten größer B 15 jedoch änderte sich die Rohdichte des Zuschlags durch den Abrieb nur unwesentlich. Dies läßt darauf schließen, daß Zementstein (wenn eine gewisse Grenzfestigkeit überschritten ist) und Naturzuschlag in einem gleichmäßigem Verhältnis abgerieben werden. Eine Korrelation zwischen Abrieb und am Betonsplitt anhaftenden Zementstein kann somit nur bei sehr geringen Altbetonfestigkeiten gefunden werden.

Zusammenhang zwischen Betonsplitt und Recyclingbeton

Es wurde untersucht, ob zwischen den Eigenschaften des Betonsplitts (modifizierter LA-Versuch) und Eigenschaften des RC-Betons (E-Modul, Druckfestigkeit) ein Zusammenhang besteht. Hierzu wurden die Siebdurchgänge des modifizierten LA-Versuchs durch das 2 mm Sieb, aller an einer RC-Betonrezeptur beteiligten Betonsplitt-Kornklassen addiert. Dabei wurden aber zusätzlich die Anteile der Kornklassen entsprechend dem Anteil in der Betonrezeptur berücksichtigt. D. h., bei Betonen mit einem Größtkorn von 16 mm Anteile von 40,7 % bei 4/8 und 59,3 % bei 8/16 (entspricht der Sieblinie A/B 16). Bei Betonen mit einem Größtkorn von 32 mm Anteile von 23,1 % bei 4/8, 32,3 % bei 8/16 und 44,6 % bei 16/32 (entspricht der Sieblinie A/B 32). Im Diagramm 5 ist dieser anteilsmäßig berechnete Abrieb in Abhängigkeit von der Druckfestigkeit, in Diagramm 6 in Abhängigkeit vom E-Modul der Vergleichsbetone dargestellt.

Diagramm 5: Druckfestigkeit von RC-Beton in Abhängigkeit zum modifizierten LA-Abrieb

Diagramm 6: E-Modul von RC-Beton in Abhängigkeit zum modifizierten LA-Abrieb

Die Menge und in gewissem Maße auch die Festigkeit des am Betonsplitt anhaftenden Zementsteins beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des RC-Betons. Offensichtlich wird über den modifizierten Abrieb in der LA-Trommel die Festigkeit in Kombination mit der Menge des Zementsteins so erfaßt, daß eine tendenzielle Abhängigkeit zu den mechanischen Eigenschaften (vor allem der Druckfestigkeit) des RC-Betons erkennbar ist.

Ausblick

Derzeit wird an weiteren Betonrezepturen überprüft, ob mit Hilfe des modifizierten LA-Versuchs die Druckfestigkeit des RC-Betons ausreichend charakterisiert werden kann. Darüber hinaus soll untersucht werden, ob Betonsplitt der ausschließlich mit Backenbrechern gebrochen wurde, andere charakteristische Eigenschaften aufweist und ob diese gezielt nachgewiesen werden können.

Anhang

Tabelle 3: Siebrückstände der Kornklassen nach der angegebenen Umdrehungszahl im modifizierten LA-Versuch mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Tabelle 4: Siebrückstände der Kornklassen nach der angegebenen Umdrehungszahl im modifizierten LA-Versuch mit 6-9 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

 

Tabelle 5: Rohdichte der Kornklassen [kg/dm³] nach der angegebenen Umdrehungszahl im modifizierten LA-Versuch mit 20 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung

Tabelle 6: Rohdichte der Kornklassen nach der angegebenen Umdrehungszahl im modifizierten LA-Versuch mit 6-9 mm Stahlkugeln als Reibmittelladung