Teilprojekt F/04
Konsequenzen aus den Materialeigenschaften von Recycling-Betonen für die Bemessung zum Zwecke deren vergleichbarer Einstufung
Zwischenbericht 01/98

von: Dipl.-Ing. M. Meißner, Dr.-Ing. B. Schnütgen, Prof. Dr.-Ing. F. Stangenberg

1. Einleitung

In den technischen Regelwerken (z. B. DIN 1045, EuroCode 2) werden Betone auf der Grundlage ihrer Druckfestigkeit in ein System von Eigenschaften eingeordnet. Bei Betonen aus Recyclingmaterial werden diese Zuordnungen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des rezyklierten Abbruchgutes, vom Zerkleinerungsvorgang und von der nachfolgenden Behandlung des Recyclats (z. B. Siebvorgang, Sortierung nach Rohdichte) verändert. Im Bericht zum Vorhaben F/05 sind diese Zusammenhänge schematisch dargestellt (siehe Bericht zu F/05, Bild 1 und Tabelle 1). Eine vergleichbare Einstufung des Betons ist nur dann möglich, wenn neben der Druckfestigkeit und den daraus abgeleiteten Eigenschaften auch deren statistische Verteilung den Grundlagen des technischen Regelwerks entsprechen. Insbesondere die Beurteilung der vorhandenen Systemsicherheit einer Stahlbetonkonstruktion muß zu vergleichbaren Werten führen. Diese Systemsicherheit ist, neben der Abhängigkeit von Druck-, Zug-, Scher-, und Verbundfestigkeit, entscheidend abhängig vom Rotationsvermögen des Betons. Da die Festigkeitseigenschaften und ihre Verteilung bereits im Teilprojekt F/05 untersucht werden, wurden im vorliegenden Vorhaben lediglich Ergänzungsuntersuchungen und Untersuchungen zum Verformungsverhalten durchgeführt.

2. Vorgehensweise

Im vorliegenden Teilprojekt werden die Zusammenhänge zwischen der Druckfestigkeit, und den daraus abgeleiteten Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Grenzdehnungen, Rotationsvermögen und Dauerstandverhalten) und den diesen Eigenschaften zugeordneten Bemessungsgrößen (Momenten-Krümmungs-Beziehungen, Grenzen für Schnittkraftumlagerungen) untersucht. Diese Untersuchungen erfolgten zunächst an normengemäßen Prüfkörpern der Betontechnik. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden anschließend an Bauteilen überprüft.

3. Versuchsprogramm

3.1 Materialuntersuchungen

Die durchgeführten Materialuntersuchungen sollten eine Definition der Betonbestandteile im Sinne einer Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglichen. Sie wurden gemeinsam mit den entsprechenden Untersuchungen des Teilprojekts F/05 durchgeführt.

3.2 Baustoffuntersuchungen

3.2.1 Versuchsumfang

Zusätzlich zu den Mischungen des Teilprojekts F/05 wurden vier weitere unterschiedlich zusammengesetzte Korngemische untersucht und deren Ergebnisse mit Beton aus Naturmaterial verglichen. Dabei wurde auch die Möglichkeit der Mischung von Naturmaterial und Recyclaten erfaßt.

3.2.2 Frischbetonuntersuchungen

Es wurde eine gleichbleibende Rezeptur auch bezüglich der Zugabemenge von Fließmitteln gewählt. Die Frischbetonrohdichte, das Ausbreit- und Verdichtungsmaß sowie der Luftporengehalt wurden jeweils gemessen.

3.2.3 Festbetonuntersuchungen

Neben der Druckfestigkeit am Würfel und der Zylinderdruckfestigkeit interessierten im vorliegenden Vorhaben insbesondere Daten zur Verformbarkeit des Betons. Aus diesem Grunde umfaßte das Programm die Erfassung der gesamten Last-Verformungs-Linie im Druckversuch, Untersuchungen an prismenförmigen Prüfkörpern mit unterschiedlicher Exzentrizität und Untersuchungen zum Verhalten unter Dauerlast.

4. Versuchsergebnisse

4.1 Materialeigenschaften

Die am Recyclat gemessenen Werte für die Rohdichte, das Wasseraufnahmevermögen und den Schlagzertrümmerungswert wurden gemeinsam mit dem Teilprojekt F/05 gewonnen und sind dort im Bericht angegeben. Alle angegebenen Methoden zur Eingruppierung in eine Qualitätsabstufung sind grundsätzlich anwendbar. Der Schlagzertrümmerungswert sollte jedoch eine Modifikation in der Auswertung dahingehend erfahren, daß die neu entstandene Kornoberfläche als Maß genutzt wird.

4.2 Betonuntersuchungen

4.2.1 Frischbetonuntersuchungen

Es zeigte sich bei Verwendung von Betonsplitt eine sehr starke Streuung der Auswirkungen des Fließmittels auf das Ausbreitmaß und das Verdichtungsmaß. Diese Auswirkungen können durch das größere Wasseraufnahmevermögen, Einfluß der Kornrauhigkeiten oder auch durch im Altbeton verwendete Zusatzmittel verursacht sein. Dieser Frage wurde in diesem Teilprojekt nicht weiter nachgegangen. Weiterhin sollte im Rahmen der betontechnischen Teilprojekte das Problem der starken Streuungen des Luftporengehalts in Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial erfaßt werden.

Die gemessenen Luftporengehalte für Beton mit Recyclaten lagen deutlich über den Werten für Beton aus Naturzuschlägen (bis zu 3-fache Werte). Es ist großer Wert auf eine ausreichend gute Verarbeitbarkeit des Materials zu legen. Rezepturen für Naturmaterial können bei Verwendung von Recyclaten nicht ohne weiteres übernommen werden. Der Fließmittelanspruch ist vergleichsweise höher.

Die gemessenen Rohdichten lagen 3 bis 10 % (im Mittel 6%) unter dem Mittelwert der Betons aus Naturmaterial.

4.2.2 Festbetoneigenschaften

Die Ergebnisse der Untersuchungen an Standardprüfkörpern sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Bei sonst gleichen Randbedingungen weisen Betone mit qualitativ hochwertigen Recyclingmaterialien gleiche Festigkeitsverhältnisse auf wie Betone aus Naturmaterial. Die Messung des Elastizitätsmoduls nach DIN an gesondert hergestellten Zylindern ergab große Streuungen für alle Recyclat-Betone. Bei Einsatz von Recyclaten lag der E- Modul um 4 bis 8% unter den Werten, die aus dem Vergleich mit Beton mit Naturzuschlag aufgrund der aktuellen Druckfestigkeiten zu erwarten waren. Diese Abnahme ist nur teilweise auf den niedrigeren Elastizitätsmodul der Betonkomponenten zurückzuführen. Der vergleichsweise hohe Luftporengehalt trägt ebenfalls zu diesem niedrigeren Wert bei.

Bei den Versuchen zur Erfassung des Verhaltens von Biegedruckzonen (Prismenversuche) ergaben sich Festigkeitswerte, die grundsätzlich gleich den Werten der Zylinderdruckprüfung waren. Exzentrische Beanspruchungen zeigten bei ersten Auswertungen, daß der Ansatz eines dem Parabel-Rechteck-Diagramm entsprechenden Spannungsverlaufes eine gute Näherung darstellt.

Die Versuche unter längerfristiger Belastung ergaben für Recyclat-Betone um 11 bis 16% größere Festigkeitsminderungen aus der Dauerlast gegenüber Normalbeton. Diese Werte stellen jedoch nur erste Stichprobenergebnisse dar, die durch weitere Untersuchungen zu überprüfen sind.

Die gemessenen Bruchdehnungen des mit Recyclingmaterial hergestellten Betons lagen bis zu 8 % niedriger als die der Vergleichsbetone aus Naturmaterial. Dabei waren insbesondere bei Verwendung von Mauerwerksanteilen größere Streuungen vorhanden. Der abfallende Ast im Last-Verformungs-Diagramm verlief etwa wie bei Beton aus Naturzuschlag. Insgesamt war die Duktilität bei sonst exakt gleichen Rezepturen niedriger als bei Betonen gleicher Verarbeitbarkeit (Teilprojekt F/05).

5. Schlußfolgerungen

Aus den bisher vorliegenden Versuchsergebnissen lassen sich zusätzlich zu den Schlußfolgerungen im Teilprojekt F/05 die folgenden Schlüsse ziehen:

• Das Dauerstandverhalten von Beton mit Recyclaten ist ungünstiger als für Normalbeton. Diese Ergebnisse sind abhängig von der Art der Recyclate und müssen noch weiter untersucht werden.
• Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung in der Druckzone entspricht für Recycling-Betone etwa derjenigen des Normalbetons. Wegen der größeren Streuungen ist die Duktilität des Materials ungünstiger einzustufen. Die Auswirkungen einer solchen Einstufung auf die Möglichkeiten von Schnittkraftumlagerungen sind noch zu überprüfen.
• Der Elastizitätzmodul wird direkt durch die Art der Recyclate beeinflußt. Er ist um bis zu 8% niedriger gegenüber Normalbeton.
• Die aus den Versuchen in Teilprojekt F/05 abgeleitete Aussage, daß Recyclatanteile unschädlich bezüglich der Bemessung nach dem technischen Regelwerk sind, wenn die dort angegebenen Festigkeits- und Mengenbedingungen eingehalten sind, ist bezüglich der Verformungen und der Schniftkraftumlagerungen noch nicht voll bestätigt.
• Die bei Verwendung von Recyclaten zu erwartenden größeren Streuungen der Eigenschaften sollten bei Eignungsprüfungen durch ein erhöhtes Vorhaltemaß berücksichtigt werden.

Die vorstehenden aus Baustoffuntersuchungen gewonnenen Ergebnisse und Schlußfolgerungen werden noch an Bauteilen überprüft.