Herstellung und Eigenschaften von Beton unter Verwendung rezyklierten Zuschlags

Dipl.-Ing. Marcus Rühl

Institut für Massivbau
Technische Universität Darmstadt

1 Einführung

Rezyklierte Zuschläge sind Zuschläge, die aus aufbereiteten und dadurch wiederverwertbaren Materialien bestehen [1]. Bei diesen aufbereiteten Materialien handelt es sich um mineralische Baustoffe, die aus Rückbau bzw. Abbruch von Hoch-, Tief- und Ingenieurbauten gewonnen werden. Die bei der Erstellung dieser Trag- und Bauwerke ehemals sortenrein eingesetzten Baustoffe, liegen nach dem Abbruch als Bauschutt in nicht sortenreiner Form vor. Um diese mineralischen Baustoffgemische wieder einem Stoffkreislauf zuführen zu können, sind umfangreiche aufbereitungstechnologische Maßnahmen durchzuführen. Ergebnis dieser Aufbereitung, sind hochwertige Baustoffe, die wieder zur Herstellung von Tragwerken im Hoch- und Ingenieurbau eingesetzt werden können. Hierbei bietet sich die Verwendung des aufbereiteten Materials als rezyklierter Zuschlag für die Herstellung von Beton an.

2 Zusammensetzung von Abbruchmaterialien

Eines der zentralen Probleme bei der Verwertung von aufbereitetem Abbruchmaterial als rezyklierter Zuschlag für die Herstellung von Beton, stellt die starke Streuung der Materialarten und damit einhergehend die Streuung der Festigkeiten der verschiedenen mineralischen Bestandteile des Abbruchgemisches dar. So ist es beispielsweise ein großer Unterschied, ob der rezyklierte Zuschlag aus dem Rückbau einer Betonkonstruktion oder eines Gebäudes in Mischbauweise stammt. In Bild 1 sind die unterschiedlichen Zusammensetzungen der Abbruchmaterialien aus Wohn- und Industriegebäuden dargestellt.

Bild 1: Zusammensetzung von Abbruchmaterialien

Bei der Betonkonstruktion stellt der anfallende Altbetonbruch mit etwa 90% am Stoffgemisch den größten Anteil dar. Bei der Analyse des Abbruchgemisches aus Wohngebäuden, zeigt sich eine viel heterogenere Zusammensetzung. Das Gemisch besteht hier zu etwa 20% aus Beton, 35% aus Mauerwerk und zu 8-12 % aus Kunststoffen, Boden, Holz und Sonstigem. Diese unterschiedlichen Zusammensetzungen und die daraus resultierenden unterschiedlichen Materialkennwerte haben zur Folge, daß die DIN 4226 die Verwendung von rezykliertem Zuschlag für die Betonherstellung ausschließt. So ist es bisher nicht möglich, aufbereiteten Bauschutt als Zuschlag für Beton zu verwenden. Die einzige Möglichkeit hierfür ist zur Zeit die Erlangung einer Zustimmung im Einzelfall. Eine solche Zustimmung setzt umfangreiche und zeitaufwendige Untersuchungen voraus. Bei dem momentan verarbeiteten Betonvolumen spielt der Beton aus aufbereitetem Zuschlag deswegen praktisch keine Rolle.

3 Beton unter Verwendung rezyklierten Zuschlags

3.1 Frischbetoneigenschaften

3.1.1 Verarbeitbarkeit

Wie unter Punkt 2 erläutert, setzt sich rezyklierter Zuschlag aus unterschiedlichsten mineralischen Stoffen zusammen. Im Gegensatz zum Zuschlag aus natürlichen Stoffen, besitzt Zuschlag aus aufbereiteten Materialien aufgrund des hohen Gehalts an Ziegeln, Putz und Betonbruch, also porösem Material, die Eigenschaft, Wasser innerhalb kurzer Zeit aufzusaugen. Dies führt dazu, daß bei der Verwendung von rezykliertem Zuschlag bei der Betonherstellung dem Anmachwasser eine zusätzliche Wassermenge zuzugeben ist, um diesen Effekt zu kompensieren und die gewünschte Betonkonsistenz zu erreichen. Die zusätzlich zum Anmachwasser zuzugebende Wassermenge richtet sich nach der Porosität und damit nach der Rohdichte des verwendeten rezyklierten Zuschlags. In Bild 2 ist der Zusammenhang zwischen der Rohdichte des Rezyklats und des Wassersaugvermögens bei 1 0-minütiger (w (10 mm)) und 24-stündiger (w (24 h)) Wasserlagerung aufgetragen.

Bild 2: Zusammenhang zwischen Rohdichte und Wassersaugvermögen W [Gew.-%]

Deutlich ist die Abhängigkeit des Wasseraugens - und damit das Ansteifverhalten des Frischbetons - von der Rohdichte des verwendeten Rezyklats erkennbar. Um diesem Effekt vorzubeugen, wird empfohlen, den Zuschlag vorzunässen. Bei Durchführung dieser Maßnahme, kann ein Ansteifverhalten wie beim Beton aus Naturzuschlag erwartet werden. Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung von nicht vorgenäßtem Zuschlag, die nach dem Mischen vorhandene Konsistenz, zu jeder beliebigen Zeit durch Zugabe von Fließmittel wieder eingestellt werden kann (Bild 3).

Bild 3: Konsistenzverlauf von Beton mit rezykliertem Zuschlag

Dies ist bei einer geplanten Herstellung von Transportbeton unter Verwendung von rezykliertem Zuschlag von großer Bedeutung.

3.1.2 Frischbetonrohdichte

Aufgrund der heterogenen Zusammensetzung des rezyklierten Zuschlags, besitzt dieser eine geringere Rohdichte, als Zuschlag aus natürlichen Materialien. Die zu erwartenden Frisch- und Festbetonrohdichten liegen dementsprechend etwa 3 - 10% unterhalb der Frisch- und Festbetonrohdichten von Betonen aus Naturzuschlägen.

3.2 Festbetoneigenschaften

3.2.1 Druckfestigkeit

Die Festigkeit des verwendeten rezyklierten Zuschlags beeinflußt direkt die Festigkeit des daraus hergestellten Betons. Eine Möglichkeit zur Bestimmung und Beurteilung der Festigkeit von rezykliertem Zuschlag ist der im Straßenbau verwendete Schlagzertrümmerungsversuch. Er gibt Auskunft darüber, wie widerstandsf7ähig mineralische Stoffgemische gegenüber Schlagbeanspruchungen sind. Je niedriger der ermittelte Schlagzertrümmerungswert ist, desto widerstandsfähiger gegenüber mechanischen Einwirkungen ist das Material. Bild 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Schlagzertrümmerungswert und der Rohdichte des verwendeten Materials.

Bild 4: Abhängigkeit des Schlagzertrümmerungswertes von der Rohdichte

Bei steigender Rohdichte des Zuschlagmaterials erhöht sich die Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung. Der Widerstand von aufbereiteten Zuschlägen gegenüber mechanischer Beanspruchung, hat Auswirkungen auf die Entwicklung der Druckfestigkeit von daraus hergestellten Betonen.

In Bild 5 ist die Druckfestigkeitsentwicklung zweier Betone aus unterschiedlichen aufbereiteten Zuschlägen dargestellt.

Bild 5: Druckfestigkeitsverläufe von Betonen mit verschiedenen rezyklierten Zuschlägen

Zusammensetzung der Betone 1 und 2 je m³ Frischbeton.

Deutlich bleibt Beton 2 bei der Festigkeitsentwicklung hinter der Entwicklung des Betons zurück. Beton 1 kann mit einer Druckfestigkeit nach 28 Tagen von 41 N/mm² in die Betondruckfestigkeitsklasse B 35 eingeordnet werden. Beton 2 erreicht mit einer Druckfestigkeit nach 28 Tagen von 30,0 N/mm² nur die Betonfestigkeitsklasse B 25. Dies liegt in der unterschiedlichen Festigkeit der Zuschlagmaterialien begründet. Der doppelt so hohe Ziegelanteil im Zuschlaggemisch von Beton 2 bewirkt, daß die Rohdichte des Zuschlags und damit die Frischbetonrohdichte des Betons sinkt. Die erhöhte Porosität des Materials bei Beton 2 hat weiterhin zur Folge, daß das zusätzlich zum Anmachwasser zuzugebende Saugwasser die doppelte Menge des Saugwassers bei Zuschlag für Beton 1 erreichen muß, um die gewünschte Frischbetonkonsistenz KR zu erzielen.

Vergleicht man die Druckfestigkeitswerte von Betonen aus rezykliertem Zuschlag mit denen von Betonen aus Naturzuschlag, ergeben sich in etwa 10 - 20% niedrigere Werte.

Eine Kompensation dieser Unterschiede in der Druckfestigkeit kann durch die Erhöhung der Zementmenge, durch die Wahl eines niedrigeren w/z - Wertes unter Verwendung von Fließmitteln oder durch Zugabe von Flugasche vorgenommen werden.

Bei der Festigkeitsentwicklung bestehen zwischen Recycling- und Normalbeton keine nennenswerte Unterschiede.

3.2.2 Elastizitätsmodul

Das Verformungsverhalten des Betons ist abhängig von den Verformungseigenschaften des Zementsteins und des Zuschlags [2]. Beim Beton aus Normalzuschlag sind die sehr steifen Zuschlagkörner in die weiche Matrix eingebettet. Die bei einer Belastung auftretenden Spannungen konzentrieren sich deshalb in den Zuschlagkörnern. Beim Beton mit Zuschlag aus Bauschutt stellen mit zunehmendem Gehalt an minderfesten Stoffen im Gemisch, die Zuschlagkörner die nachgiebigere Komponente dar. Infolgedessen ist bei Betonen aus rezykliertem Zuschlag die Zementmatrix höher belastet. In Bild 6 sind die Werte für die E-Moduli der beiden unter 3.2.1 vorgestellten Betone gegenübergestellt.

Bild 6: E-Moduli der beiden Betone

Der Wert für den E-Modul von Beton 1, der der Festigkeitsklasse B 35 zuzurechnen ist, erreicht einen Wert von 22.900 N/mm². Der E-Modul von Beton 2 erreicht mit 15.800 N/mm² nur etwa 70% des Wertes von Beton 1. Deutlich ist der Einfluß des weicher werdenden Zuschlags (kleinere Rohdichte) auf die Größe des E-Moduls zu erkennen.

Die Werte für den E-Modul von mit Betonen aus rezykliertem Zuschlag liegen etwa 30% unter denen von Betonen aus Naturzuschlag.

3.2.3 Spaltzug- und Biegezugfestigkeit

Die Zugfestigkeit der Zuschläge, des Zementsteins und die Güte des Verbundes zwischen den Zuschlagkörnern und dem Zementstein bestimmen die Zugfestigkeit des Betons. Bei Biegezugversuchen können Zugfestigkeitswerte ermittelt werden, die weit über denen von Beton aus Naturzuschlag liegen. Dies ist damit zu erklären, daß der alte, im Recyclinggemisch an den Zuschlagkörnern haftende Zementmörtel, sowie die rauhe Oberfläche der Zuschläge, sich sehr gut mit dem neuen Zementmörtel verbinden [3]. Im unteren Festigkeitsbereich können aus diesem Grund bei Betonen aus porösem und rauhem Zuschlag hohe Zugfestigkeitswerte auftreten. In Bild 7 ist dies deutlich zu erkennen.

Bild 7: Spaltzugfestigkeiten der beiden Betone

Aufgrund des hohen Ziegelanteils bei Beton 2 ist der Haftverbund zwischen Matrix und Korn sehr gut und die Zugfestigkeit liegt über dem Wert des Beton 1. In der Regel werden Spalt- und Biegezugwerte ermittelt, die 25 - 40% unterhalb den Werten von Betonen aus Naturzuschlag liegen [4]. Hier ist die Ursache für den Abfall der Zugfestigkeit zum einen in der minderen Festigkeit des verwendeten aufbereiteten Zuschlags zu suchen, zum anderen erfahren die Zuschlagkörner beim Rückbau und beim Zerkleinerungsvorgang große mechanische Beanspruchungen, die zu Mikrorissen in der Kornstruktur des Materials führen können. Bei Belastung der Zuschlagkörner stellen diese Mikrorisse Schwachstellen dar und führen im Gesamtsystem Beton bei Belastung frühzeitiger zum Bruch.

3.2.4 Kriechen und Schwinden

Kriechen und Schwinden von Betonen nach Aufbringen einer Dauerlast sind zum einen durch Lageveränderungen fester Teilchen und zum anderen durch die Verdrängung des Wassers zwischen den Zementgelteilchen zu erklären. Die als Zuschläge verwendeten Materialien kriechen selbst nicht. Sie setzen der Kriechverformung des Zementsteins demzufolge einen Widerstand entgegen. Dieser Widerstand ist um so größer, je steifer die einzelnen Zuschlagkörner sind. Bei Verwendung von aufbereiteten Abbruchmaterialien als Zuschlag ist der dem Verformungsbestreben des Zementsteins entgegengesetzte Widerstand aufgrund des geringeren E-Moduls kleiner als bei Verwendung von Naturzuschlag. Dies führt dazu, daß die Kriech- und Schwindwerte um 40 - 60% über den Werten von Betonen aus Naturzuschlag liegen können.

3.2.5 Dauerhaftigkeit / Karbonatisierung

Umfassende Forschungsergebnisse über die Dauerhaftigkeit von Betonen aus rezykliertem Zuschlag liegen noch nicht vor.

Untersuchungen zur Karbonatisierung haben gezeigt, daß Betone wegen der hohen Porosität des aufbereiteten Zuschlags eine höhere Porosität aufweisen, als Betone mit Naturzuschlag. Dies hat zur Folge, daß die Karbonatisierungsgeschwindigkeit von Betonen mit rezykliertem Zuschlag erheblich höher ist. Es wurde beobachtet, daß nach etwa 2 bis 3 Monaten Rost auf den Bewehrungsstäben eines Betons mit 2 - 3 cm Betondeckung zu erkennen war. Dieser Korrosionsgefahr kann aber durch die Wahl eines geringeren w/z-Wertes oder durch eine Vergrößerung der Betondeckung entgegengewirkt werden.

4 Zusammenfassung

Die Eigenschaften eines Betons werden direkt von den Eigenschaften des verwendeten Rezyklats beeinflußt. Um bei dem Rückbau eines Gebäudes oder Tragwerkes ein möglichst sortenreines, homogenes Abbruchmaterial zu erhalten, ist eine Durchsetzung des Bauschuttes mit Stör- und Schadstoffen mit Hilfe eines gut geplanten selektiven Rückbaus zu verhindern. Dies reduziert zum einen die Höhe des zu betreibenden Aufbereitungsaufwandes, zum anderen führt dies zu einer Homogenisierung des aufbereiteten Rezyklats. Durch eine hochwertige und materialschonende Aufbereitung von Abbruchmaterialien kann ein hochwertiges Produkt zur Herstellung von Beton erzielt werden. Bei Kenntnis der Zuschlageigenschaften können Rückschlüsse auf das Frisch- und Festbetonverhalten gezogen werden. Ein Blick auf diese Frisch- und Festbetoneigenschaften von Beton unter Verwendung rezyklierten Zuschlags zeigt, daß zum Beton aus Naturzuschlag zum Teil erhebliche Unterschiede auftreten können (Kriechen/Schwinden). Diese Unterschiede können aber durch betontechnologische Maßnahmen reduziert bzw. kompensiert werde. Das Ergebnis dieser Maßnahmen ist ein Beton, der für einen Großteil aller Baumaßnahmen eingesetzt werden kann und die hohen Sicherheits- und Qualitätsansprüche die an Beton aus Naturzuschlag gestellt werden, erfüllt.

5 Literatur

[1] Grübl, P.; Budnik, J.; Hora, M.: Beton aus Recyclingzuschlägen In: Deutscher Ausschuß für Stahlbeton, Heft 462. Beuth Verlag, Berlin 1996

[2] Weigler, K.; Karl, 5.: Stahlleichtbeton - Herstellung, Eigenschaften, Ausführung. Bauverlag Wiesbaden-Berlin, 1972

[3] Springenschmid, R.; Fleischer, W.: Zur Technologie der Wiederverwendung von altem Straßenbeton. straße und Autobahn, Jg. 44 (1993), Nr. 12, 5. 715-7 18

[4] Lukas, W.: Konzept für die Herstellung von Recyclingbeton aus Baurestmassen-Zuschlägen, Betonwerk + Fertigteil-Technik (1994), Nr. 10, 5. 68-75