Beitrag zum Münchener Massivbau-Seminar 1998
April 1998

Überprüfung der Bemessungskennwerte für Beton
mit rezyklierten Zuschlägen

von Dipl.-Ing. Frank Roos, Lehrstuhl für Massivbau, TU München

Zusammenfassung

Aus dem Forschungsvorhaben Baustoffkreislauf im Massivbau ist die neue Richtlinie des DAfStb „Beton mit rezykliertem Zuschlag" hervorgegangen. In diesem Artikel werden die Arbeiten der TU München, die sich mit der Überprüfung der Bemessungskennwerte befassen, vorgestellt. Es handelt sich im wesentlichen um Kriech-, Schwind- und Verbundversuche.

Dieses vom BMFT geförderte Projekt wird erstmals auch durch eine umfangreiche Information im Internet der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Die Adresse lautet:

http:\\www.b-i-m.de

Einleitung

Am 20. Februar 1998 wurde in Darmstadt die neue Richtlinie des DAfStb „Beton mit rezykliertem Zuschlag" [1] der Fachöffentlichkeit vorgestellt. Somit liegt jetzt, eineinhalb Jahre nach der Verabschiedung des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes im Oktober 1996, ein Leitfaden für den verantwortungsbewußt handelnden Ingenieur vor.
Seit Inkrafttreten dieses neuen Gesetzes ist wer Güter produziert, vermarktet oder konsumiert auch für deren Vermeidung, Verwertung oder umweltfreundliche Beseitigung verantwortlich. Das alte Prinzip „Die Wirtschaft produziert, die Gebietskörperschaften entsorgen" ist somit außer Kraft gesetzt. Als direkte Folge davon muß sich auch die Bauwirtschaft Gedanken über eine Wiederverwertung alter Baustoffe machen. Wurde bereits kurz nach dem zweiten Weltkrieg die Verwertung von Ziegelsplitt in die Normung [2] mit eingeführt, so wird nun mit der neuen Richtlinie erstmals auch die Herstellung von Beton aus Bauschutt geregelt.
Wie Bild 1 zeigt, ist somit für ca. 55 % aller anfallenden Abbruchmaterialien eine Wiederverwertung in hochwertigen Betonbauwerken möglich. Um bei der Bemessung das geforderte hohe Sicherheitsniveau, das wir von Beton mit natürlichen Zuschlägen gewöhnt sind, zu gewährleisten ist es nötig die Bemessungskennwerte zu überprüfen und gegebenenfalls zu modifizieren. Im Rahmen des vom BMFT und zahlreichen Industrieunternehmen geförderten Forschungsvorhabens „Baustoffkreislauf im Massivbau" bearbeitet die Technische Universität München die Teilprojekte zur Überprüfung des Verbundverhaltens und der Betonkennwerte für die Bemessung. Die jetzt vorliegende Richtlinie entstand im wesentlichen aus den in diesem Forschungsvorhaben geleisteten Arbeiten. Im weiteren wird hier der bisherige Verlauf und der Fortgang der zuvor genannten Teilprojekte vorgestellt.

Versuchsprogramm

Um ein sinnvolles Versuchsprogramm aufzubauen ist eine vorherige Zielsetzung unerläßlich. In diesem Fall soll überprüft werden wie sich die rezyklierten Zuschläge auf die Betonbemessungskennwerte und das Verbundverhalten auswirken.
Aus praktischen Gründen ist es von Interesse, ob eine Bemessung ohne Modifizierung der geltenden Normen, hier speziell der DIN 1045 in der Fassung von 1988, möglich ist. Dies darf selbstverständlich nicht zu einer Senkung des Sicherheitsniveaus führen.
Am besten lassen sich diese Untersuchungen durch einen direkten Vergleich von Normalbeton und Recyclingbeton führen. Im Rahmen der zwei Teilprojekte werden Schwind-, Kriech-, Verbund- und Rißverzahnungsversuche an der TU München durchgeführt.
Zu Beginn des Forschungsvorhabens lagen keine Erfahrungen in der Herstellung von Recyclingbeton vor. Da viele der oben genannten Versuche eine sehr lange Laufzeit haben mußte also mit dem Entwurf geeigneter Betonmischungen begonnen werden, obwohl das Finden dieser Mischungen eigentlich Bestandteil anderer Teilprojekte ist. Aus dem Gesamtprojekt ergaben sich, zwecks der Vergleichbarkeit der Ergebnisse, folgende Randbedingungen für den Beton:

• B35, Konsistenz KR
• Zementgehalt 320 kg/m³
• w/z-Wert 0,55
• Verwendung der Korngruppen 0/4 - 4/8 - 8/16
• Zugabe von Fließmitteln erlaubt

Es wurden vier Vorserien betoniert, bis die Entscheidung für die drei letztlich bei den Versuchen ausgeführten Mischungen fiel. Sie unterscheiden sich voneinander im wesentlichen beim Prozentsatz an rezyklierten Zuschlägen.

Die Sieblinien wurden so festgelegt, daß sie sich immer zwischen den in der DIN 1045 festgelegten Linien A und B bewegten. Auch der Herstellungsprozeß ist im Rahmen des Forschungsvorhabens vorgeschrieben um eine Vergleichbarkeit zu erreichen. Die ofentrockenen Zuschläge wurden ohne den Zement mit dem Saugwasser und 20% des Anmachwassers 2 Minuten vorgemischt. Danach wurden sie abgedeckt und 10 Minuten stehengelassen. Nach der Zement und Wasserzugabe (80% Anmachwasser) wurde wiederum 2 Minuten gemischt. Im Anschluß daran wurde das Ausbreitmaß gemessen und über eine Fließmittelzugabe entschieden. Gegebenenfalls erfolgte nach der Zugabe noch einmal ein zweiminütiges Mischen.

Kriech- und Schwindversuche

Die Fest- und Frischbetoneigenschaften, die beim Betonieren für die Kriechversuche erreicht wurden sind in der Tabelle 1 dargestellt. Wie hieraus zu ersehen ist erfüllt der Beton mit 100% rezykliertem Zuschlag bezüglich Druckfestigkeit und Ausbreitmaß nicht die Bedingungen, die an einen B35 nach DIN 1045 [4] Tab. 1 und 2 gestellt werden. Es erwies sich, im Rahmen unserer Versuche, als nicht machbar, bei einem solchen Beton die gewünschten Eigenschaften zielsicher einzustellen. Hauptgrund für diese Schwierigkeiten ist sicherlich der Sand aus rezyklierten Zuschlägen, da sich bei der Serie RC-A (mit Natursand) alle Eigenschaften wie gewünscht beeinflussen ließen. Unter anderem aus diesem Grund wurde in der neuen Richtlinie die Verwendung von Recyclingsand beschränkt. Soll diese Beschränkung aufgehoben werden besteht noch Vorschungsbedarf, um die Eigenschaften sicher einstellen zu können.

Es wurden jeweils 10 Würfel mit 15 cm Kantenlänge für die Standardprüfungen und zwischen 16 und 25 Zylinder mit 15 cm Durchmesser bei 30 cm Höhe für die Kriechversuche hergestellt.
Die Lagerung und Prüfung der Zylinder erfolgt im Dauerstandraum der TU München in dem ständig eine Temperatur von 20°C und eine Luftfeuchtigkeit von 65% herrscht. Die Versuche wurden mit den selben Einrichtungen wie die von Nechvatal, Stöckl und Kupfer [5] durchgeführt.
Von jeder Charge wurde ein Teil der Zylinder versiegelt um den Schwindeinfluß auf die Betonverformung zu verringern. Nach dem Erreichen des Alters von 28 Tagen, wurden die Zylinder in die Prüfstände eingebaut und mit 30, 50 sowie 70 % der Zylinderdruckfestigkeit belastet. In den ersten vier Tagen erfolgte die Messung der Längsverformung, an vier Meßpunkten, elektronisch alle 2 Minuten mit einer UPM 100. Danach wurde in länger werdenden Abständen mit einem Setzdehnungsmesser von Hand gemessen. Zur Zeit werden alle eingebauten Körper im Turnus von 14 Tagen gemessen.

Der Versuchsaufbau für die Versuche mit 30 % bzw. 50 % ist im Bild 2 dargestellt. Es wurden jeweils drei Körper der gleichen Mischung übereinander eingebaut, wobei der mittlere versiegelt war. Bild 3 zeigt einen Zylinder der mit 70 % seiner Druckfestigkeit belastet ist. Aus Gründen der Stabilität und der Sicherheit wurden bei hohen Lasten die Körper jeweils einzeln eingebaut.
Durch mehrere Brüche von Versuchskörpern (Bild 4) noch in der Anfangsphase der Belastung mit 70 %, entstanden Zweifel an der Dauerstandfestigkeit von Beton mit rezyklierten Zuschlägen. Darum wurde ein Tastversuch bei erhöhter Belastung durchgeführt. Ein Zylinder der Mischung RC-B (100% Recyclingzuschläge) wurde am 23.12.1997 mit 80% der Zylinderdruckfestigkeit in einer hydraulischen Presse belastet. Nach zehn Tagen zeigte der Körper erst eine leichte und im weiteren Verlauf immer weiter zunehmende Schuppenbildung. Bis zum 18.3.1998 d.h. nach 85 Tagen ist noch kein Versagen eingetreten. Das hervorragende Ergebnis dieses Versuches kann aber nicht darüber hinweg täuschen, daß hier noch weiterer Forschungsbedarf besteht. Dies ergibt sich schon aus der Tatsache, daß sich ein Versuch nicht statistisch auswerten läßt.

Bild 5 zeigt den Verlauf der Kriechverformungen der verschiedenen Betonrezepturen. Wie erwartet zeigt der Beton mit rezyklierten Zuschlägen eine höhere Kriechverformung als der Normalbeton. Da die Versuche noch nicht abgeschlossen sind und eine Auswertung bisher nur für einzelne Versuchskörper erfolgte, können zum jetzigen Zeitpunkt über die tatsächlichen Werte der Kriechverformung noch keine sicheren Aussagen gemacht werden.

Parallel zu den Kriechversuchen laufen auch die Schwindversuche. Die Körper stammen aus den gleichen Betonmischungen und dienen auch gleichzeitig für die Kompensation der Schwindverformung bei den Kriechversuchen. Sie werden ebenfalls im Dauerstandraum bei 20°C und 65% Luftfeuchtigkeit gelagert und sind nicht belastet. Die Auswertung soll gleichzeitig mit der der Kriechversuchen stattfinden.

Verbundversuche

Entscheidend für die Bemessung, soweit es den Verbund betrifft, ist die Verankerungslänge. Bei der Überprüfung des Verbundverhaltens wurde an Ausziehkörpern eine Verbundschlupfbeziehung ermittelt, mit deren Hilfe dann eine Verankerungslänge errechnet werden kann. Die Auswertung und der Vergleich zum Normalbeton ermöglichen somit eine Aussage darüber, ob die alte DIN 1045 unverändert zur Bestimmung der Verankerungslänge der Bewehrung von Recyclingbetonbauwerken verwendet werden darf.
Für die Verbundversuche wurden wieder die selben Betonrezepturen verwendet, die auch schon bei den Kriech- und Schwindversuchen zum Einsatz kamen. Pro Charge wurden jeweils 12 Janovic-Körper [6] und 3 Pullout-Körper nach Rilem [7], sowie 7 Würfel für die Standardprüfungen betoniert. Die erzielten Betoneigenschaften können der Tabelle 2 entnommen werden. Auch hier wurden, trotz sorgfältiger Vorgehensweise, für die Mischung RC-B (100% Recyclingzuschlag) die Bedingungen nach der DIN 1045 nicht erreicht.

Die Janovic - Körper sind Würfel, die zum Teil durch ein Stahlblech mit Styroporauflage geteilt sind (siehe auch Bild 6). Dadurch wird eine Art Konsole geschaffen, was den Vorteil bringt, daß sich im Gegensatz zu den herkömmlichen Prüfkörpern kein Druckgewölbe mehr ausbilden kann, was zu einem Einklemmen führen würde.

Dies führt dazu, daß die Verhältnisse des Verbundes in der Biegezugzone optimal abgebildet werden können. Für die Versuche wurden jeweils drei identische Körper betoniert. Variiert wurden jeweils die Betondeckung und die Lage der Bewehrung beim Betonieren. Die Körper mit der oben und unten liegenden Bewehrung wurden jeweils in einer Schalung hergestellt und nach 28 Tagen an einer Sollbruchstelle gespalten. Bei allen Versuchen war die Verbundlänge mit 70 mm sowie der verwendete Stahl, ein BSt 500S, identisch. Die Materialwerte für den eingebauten Stahl sind in der Tabelle 3 dargestellt.

Bei den Janovic - Körpern wurden die Kraft, der Schlupf sowie zweimal die Querdehnung der rißgefährdeten Seite gemessen. Den Versuchsaufbau zeigt Bild 7. Um den Einfluß der Verformung des Betonkörpers auf die Schlupfmessung möglichst gering zu halten, wurde versucht die Meßgeber so nah wie möglich an den Bewehrungsstab heran zu führen. Eine optimale Anordnung der Meßeinrichtungen ist in [8] beschrieben.

Die Pullout - Körper sind dagegen sehr gut für reine Vergleichsversuche geeignet, bei denen der Einfluß einzelner Parameter auf die Verbundspannungen untersucht werden soll. Der Bewehrungsstab ist mittig angeordnet. Der Beton wird auf Druck beansprucht, was zu einer Querdehnungsbehinderung an der Auflagerung und zu einem Einquetschen des Stahles führt. Bei diesen Versuchskörpern wurde nur der Schlupf und die Kraft gemessen.
Alle Körper wurden nach dem Betonieren 7 Tage im Feuchtraum und danach in der Halle bei ca. 15°C und 50% Luftfeuchtigkeit gelagert. Die Probekörper hatten bei den Versuchen ein Alter von genau 28 Tagen erreicht. Bei der Versuchsreihe RC-B sind Schwindrisse aufgetreten. Die Rißbilder und die Rißbreiten wurden vor Versuchsbeginn aufgezeichnet. Bild 8 zeigt das typische Bruchbild eines Janovic - Körpers nach dem Versuch.

Erste Ergebnisse

Zum Zeitpunkt der Manuskriptenabgabe war die statistische Auswertung leider noch nicht so weit fortgeschritten, daß Aussagen über die Güte einzelner Werte gemacht werden konnten. Mit der statistischen Auswertung soll dann auch die Überprüfung der Bemessungskennwerte, hier speziell der Verankerungslänge stattfinden. Es ist möglich, daß bedingt durch die hohe Streuung die bei Verbundversuchen auftreten eine optimale statistische Auswertung mit nur drei Versuchen nicht erfolgen kann.
Die ENV 1991-1 : 1994 [9] bietet bereits bei einem kleinen Stichprobenumfang die Möglichkeit die Verteilungsparameter einer Normalverteilung zu bestimmen. Diese hat dann aber eine sehr hohe Streuung, die der Recyclingbeton in der Wirklichkeit vielleicht gar nicht aufweist. Hier sollte auf jeden Fall, eventuell durch die Ausweitung der Verbundversuche, noch weiter geforscht werden.
Die drei Kurven in den folgenden Bildern stellen jeweils den Mittelwert aus den drei Versuchen mit identischen Randbedingungen dar. Zu beachten ist, daß die Verbundspannungen bezogen auf die Betonfestigkeit angegeben sind. Die Serie RC-V-B hat den angestrebten B 35 aber nicht erreicht. Müller geht in [10] davon aus, daß für den Einfluß der Betondruckfestigkeit, zumindest im mittleren Bereich, Proportionalität zu den Verbundspannungen besteht und somit der Unterschied für diese Art der Betrachtung keine Rolle spielt. Dies sollte aber bei der Auswertung nochmals kritisch betrachtet werden.

In allen Diagrammen wurde eine logarithmische Darstellung gewählt, um die Unterschiede im Anfangsbereich des Schlupfes besser zu erkennen.

Die fette schwarze Gerade stellt die zulässige bezogene mittlere Verbundspannung nach der DIN 1045 dar. Der Recyclingbeton zeigt insgesamt ein deutlich weicheres Verbundverhalten bei fast gleichen Spitzenwerten. Diese weichen maximal um 10% vom Normalbeton ab. Die Körper mit oben liegender Bewehrung und einer Betondeckung von 28 mm (Bild 11) zeigen die mit Abstand größte Abweichung des Recyclingbetons vom Normalbeton, gerade was die Verbundfestigkeit im Anfangsbereich angeht.

Da bei den Versuchen mit weniger Betondeckung (Bild 12) eine wesentlich geringere Abweichung aufgetreten ist muß, davon ausgegangen werden, daß der Verbund durch oder nach dem Herstellungsprozeß geschädigt wurde. Bei allen Serien wurde Wert darauf gelegt, daß die Betonoberfläche nicht durch glätten Nachverdichtet

Am interessantesten für einen direkten Vergleich des Verbundverhaltens der verschiedenen Betone sind sicherlich die Ergebnisse der Pullout Körper. Diese sind im Bild 13 zu sehen. Auch hier tritt nur eine sehr geringe Abweichung der Spitzenwerte bei gleichzeitig deutlich weicherem Verbundverhalten des Betons mit rezyklierten Zuschlägen auf.

Bei diesen Körpern zeigt sich auch die größte Abweichung, was die Haftverbundfestigkeit am Versuchsbeginn angeht. Da dieser aber nur unbedeutend zur Gesamttragfähigkeit beiträgt, weil er schon bei sehr kleinen Verschiebungen verloren geht, ist auch hier für die Verankerungslänge sicherlich das weichere Verbundverhalten maßgebend.

Ausblick

Die Verwendung von Zuschlägen aus Abbruchmaterial schont natürliche Ressourcen, spart Deponieraum und trägt somit zu einem umweltgerechten Wirtschaften bei. Wie erste Erfahrungen an einem Demonstrationsbauwerk in Darmstadt zeigen, läßt sich Recyclingbeton problemlos wie Normalbeton verarbeiten. Durch die neue Richtlinie wird jetzt auch die sichere Bemessung ermöglicht und somit steht dem Einsatz dieses „neuen" Baustoffes nichts mehr im Wege. Es bleibt zu hoffen, daß auch die Akzeptanz in dem Maße steigt wie eine weiterführende Forschung die Wissensbasis erweitert.

Für den interessierten Leser sei hier noch auf ein Teilprojekt des Forschungsvorhabens verwiesen in dem alle Ergebnisse gesammelt und nach Beendigung im Internet unter folgender Adresse veröffentlicht werden:

http:\\www.b-i-m.de

Literaturverzeichnis