3 Beton im Stoffkreislauf

Die Rückführung von Produktionsrückständen in den Herstellprozess ist bei der Herstellung von Beton in Transportbetonwerken weitgehend realisiert /5, 8, 10/.

Beton erfüllt darüber hinaus eine weitere wesentliche Grundeigenschaft kreislaufgerechter Baustoffe im Sinne der Ziele des KrW/AbfG. Seine Herstellung ist unter Verwendung verschiedenster Abfälle zur Verwertung bzw. sekundärer Rohstoffe möglich. Hierdurch ergibt sich neben der verminderten Rohstoffentnahme aus der Natur (z. B. bei Zuschlägen) und der Schonung von Deponieraum auch die Einsparung nicht erneuerbarer Energie bei der Herstellung von Bindemitteln (Zement) durch die Verwendung von Sekundärrohstoffen mit Bindemitteleigenschaften (z. B. Hüttensand, Steinkohlenflugasche).

Die Verwendung dieser Sekundärrohstoffe darf jedoch die Kreislauffähigkeit des Baustoffes grundsätzlich nicht negativ beeinflussen. Dies betrifft technische Aspekte (Qualität, Dauerhaftigkeit) und Aspekte der Umweltverträglichkeit während Herstellung und Nutzung und natürlich auch die spätere Weiterverwertung. Im Regelfall ergeben sich die maximal einsetzbaren Mengen dieser Stoffe pro m³ Beton bzw. bezogen auf den Bindemittel- bzw. Zuschlaggehalt aufgrund technischer Erfordernisse bzgl. der mechanischen Eigenschaften und der Dauerhaftigkeit des daraus hergestellten Betons. Inwieweit die Verwendung dieser Stoffe im Detail Auswirkungen auf die spätere Wiederverwendbarkeit haben kann (in positiver wie negativer Hinsicht), ist noch zu klären.

Die Umweltverträglichkeit eines Stoffes oder Produktionsverfahrens wird derzeit im wesentlichen unter dem Aspekt der Wechselwirkungen mit den Schutzgütern Wasser, Boden und Luft gesehen. Die Freisetzung umweltrelevanter Bestandteile aus zementgebundenen Baustoffen kann dabei auf drei Wegen erfolgen:

• Auswaschung bzw. Auslaugung im wesentlichen anorganischer Stoffe (Kontakt mit einer Auslaugflüssigkeit z. B. in Form von Regen oder Grundwasser)
• Emission flüchtiger Bestandteile (vor allem organischen Ursprungs)
• Emission von Radioaktivität (Erhöhung der natürlichen Strahlenexposition).

Nach dem derzeitigen Kenntnisstand kann man davon auszugehen, daß von gefügedichtem Beton, der aus genormten oder bauaufsichtlich zugelassenen Betonausgangsstoffen hergestellt wird, keine Gefahr für die Schutzgüter Boden, Wasser und Luft ausgeht /22/. Aufgrund des zukünftig zu erwartenden, zunehmenden Verwertungsdrucks verschiedenster Reststoffe besteht jedoch Handlungsbedarf bzgl. der Entwicklung eines stoff- und einsatzklassenbezogenen Bewertungsschemas für zementgebundene Baustoffe. Durch ein solches Schema, das sich an den Freisetzungsraten herkömmlicher Betone orientiert, können so neue Reststoffe bzgl. einer Verwendung als Betonausgangsstoffe beurteilt und gegebenenfalls ausgeschlossen werden.

Der „direkten" stofflichen Verwertbarkeit des Baustoffs Beton (d. h. Verwendung von 1 m³ „gebrauchtem" Beton zur Herstellung von 1 m³ neuem Beton) im eigenen Kreislauf (d. h. Beton bestimmter Qualität: z. B. B 25 für Innenbauteile) sind auch bei Sortenreinheit sowohl unter Berücksichtigung der derzeitigen Aufbereitungstechnik (mechanische Zerkleinerung) und Anwendungsgrenzen zur Sicherstellung der Qualität des Baustoffes /vgl. 10/, als auch unter Einbezug möglicher Aufbereitungstechniken der Zukunft (vgl. z. B. /14, 36/) Grenzen gesetzt (Bilder 5 und 6). Bei einer herkömmlichen mechanischen Zerkleinerung von Beton (z. B. Prallmühle) mit dem Ziel, Zuschlag im günstigen bis brauchbaren Sieblinienbereich mit guter Kornform zu erhalten, fallen rd. 30 M.-% des Betons als Brechsand £ 2 mm an. Bei 1 m³ aufbereitetem Beton entspricht das rd. 700 kg Brechsand £ 2 mm. Soll der Zuschlag für Innenbauteilbeton der Festigkeitsklasse B 25 verwendet werden, können nach /10/ 50 Vol.-% Betonsplitt und 20 Vol.-% Brechsand bezogen auf die jeweilige Korngruppe eingesetzt werden. In Kombination mit Rheinkies entspricht das pro m³ Beton einer verwertbaren Betonsplittmenge von rd. 500 kg und einer verwertbaren Betonbrechsandmenge von rd. 100 kg, d. h. rd. 600 kg Betonbrechsand und rd. 1100 kg Betonsplitt können nicht direkt im Kreislauf gehalten werden und es ergibt sich eine „direkte" Verwertungsquote von rd. 30 M.-% bezogen auf den Ausgangsbeton (Annahmen: Sieblinie A/B 16, V_g = 0,7 m³/m³). Legt man einen theoretischen Aufschlußgrad von 100 % im Bereich > 2 mm zugrunde, so erhöht sich der Brechsandanteil, der nicht im Kreislauf gehalten werden kann auf rd. 900 kg, während der Betonsplitt > 2 mm vollständig weiterverwendet werden kann. Die „direkte" Verwertungsquote betrüge in diesem Fall rd. 60 M.-% bezogen auf den Ausgangsbeton, d. h. rd. 1400 kg Beton bleiben im Kreislauf. Diese Grenzen entstehen einerseits dadurch, daß sich die gefügebildenden Vorgänge (Hydratation) nicht unmittelbar umkehren lassen und andererseits durch technische Grenzen der stofflichen Verwertbarkeit von Betonsplitt und Betonbrechsand als Zuschlagstoff, wenn die qualitätskennzeichnenden Eigenschaften des Ausgangsbetons nicht durch zusätzliche Maßnahmen (z. B. niedrigerer w/z-Wert, höhere Zementfestigkeitsklasse etc. ® gesamtökologisch ungünstig, da mit zusätzlichem Stoffeinsatz und Energieaufwand verbunden) ausgeglichen werden sollen.

Auch bei weitergehender Optimierung der Aufbereitungstechnik stellt also insbesondere der bei der stofflichen Aufbereitung anfallende Brechsand ein Problem dar. Die Lösung für dieses Problem kann z. B. die gezielte Verknüpfung von Kreisläufen sein. Als grundsätzliche Möglichkeiten sind hier zu nennen:

• Zuschlag für Mauermörtel (Ansätze z. B. in /23/),
• Reaktivierung von Bindemitteleigenschaften (Ansätze z. B. in /6, 19, 20/),
• Rohstoffkomponente bei der Zementproduktion.

An diesen Verwertungsmöglichkeiten für den Betonbrechsand muß zukünftig weiter gearbeitet werden, wobei im Sinne einer möglichst weitgehenden „direkten" Verwertung die Verwendung bei der Zementproduktion diesem Ziel am nächsten käme. Bei einer Reaktivierung von Bindemitteleigenschaften durch eine thermische Aufbereitung ist die hierzu aufzuwendende Energie zu berücksichtigen, es sei denn, sie wird zur Herstellung des neuen Bauproduktes ohnehin aufgewendet. Die Weiterverwendung als Zuschlag für Mauermörtel erscheint der kurzfristig auch gesamtökologisch sinnvollste Weg zu sein.

Darüber hinaus sind Sondergebiete und neuere Entwicklungen der Betontechnologie wie z. B.

• Faserbetone,
• Polymerbetone und polymermodifizierte Betone und
• textilbewehrte Betone

vor dem Hintergrund der eingesetzten Mengen der nichtmineralischen Bindemittel, Zuschläge und Bewehrungskomponenten sowie der damit hergestellten Betonmengen im Hinblick auf eine Einschränkung oder einen Nutzen im Sinne der Kreislauffähigkeit zu hinterfragen.

Zusätzliche Einschränkungen der stofflichen Verwertbarkeit können sich schließlich durch die Kombination von Beton mit anderen Baustoffen ergeben. In jüngster Zeit kommen z. B. zunehmend (Fließ-)estriche auf Calciumsulfatbasis zum Einsatz. Diese werden zwar vorwiegend in der Ausführungsvariante „Estrich auf Dämmschicht (= schwimmender Estrich)" eingesetzt, ihre Anwendung ist aber grundsätzlich auch als Verbundestrich möglich. Während bei der Verwendung als schwimmender Estrich im Rahmen eines selektiven Rückbaus eine relativ einfache Entfernung des Estrichs möglich ist (...wenn man es macht !) , sind im Falle des Verbundestrichs der Estrich und die Betondecke bzw. -boden nur mit großem Aufwand zu trennen und müßten somit bei stofflicher Aufbereitung gemeinsam zerkleinert werden, wobei insbesondere aufgrund der sehr ähnlichen Rohdichten eine Dichtetrennung problematisch erscheint. Bei Annahme üblicher Dicken für Estrich- und Betonkonstruktion ergäben sich hierdurch Sulfatgehalte im Mineralstoffgemisch, die deutlich über den technisch zulässigen Werten liegen (Bild 7).

Zur Realisierung von echten Stoffkreisläufen gehört außerdem die Möglichkeit der mehrfachen Rückführung eines Baustoffes auf möglichst gleichem Qualitätsniveau. Die Frage der mehrfachen stofflichen Aufbereitung von Beton und den damit verbundenen Eigenschaftsveränderungen hängt zunächst ganz wesentlich von der Art der eingesetzten Aufbereitung ab, wobei mit Aufbereitung hier zunächst die Zerkleinerung des Betons gemeint ist. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang der Aufschlußgrad des Betons. Unter dem Aufschlußgrad ist der Anteil der vom Zementstein befreiten Zuschlagkörner zu verstehen. Insbesondere vor dem Hintergrund der Verwendung des Brechsandes führt das im Hinblick auf die Zielsetzung, einen möglichst hohen Anteil des Betons nach DIN 1045 in diesem Kreislauf halten zu können zu der Frage, welche Form der stofflichen Aufbereitung von Beton die langfristig sinnvollste Methode ist. Hier können zwei grundsätzliche Ansätze unterschieden werden:

1. Möglichst rückstandsfreies Lösen der Bindemittelmatrix vom natürlichen Zuschlag unter Anfall entsprechender Mengen an bindemittelreichem (Brech)Sand (z. B. durch elektromechanische /36/ oder elektrodynamische /14/ Zerkleinerung).
   ->Verbund zwischen Zuschlag und Matrix sollte möglichst leicht lösbar sein.
2. Aufbereitung unter der Vorgabe der Minimierung des Brechsandanfalls bei möglichst gleichmäßigem Anteil anhaftenden Zementsteins in den gröberen Fraktionen.
   ->Verbund zwischen Zuschlag und Matrix sollte möglichst gut sein.

Während im ersten Fall der zurückgewonnene Zuschlag (> 2 bzw. 4 mm), wenn er durch das Aufbereitungsverfahren nicht weiter geschädigt wurde, i. d. R. beliebig oft zu 100 % ohne Beeinträchtigung der Betoneigenschaften wiederverwendet werden kann, muß der Gehalt an Betonsplitt mit anhaftendem Zementstein im neuen Beton begrenzt werden (vgl. /10/). Z. Zt. können durch elektromechanische Zerkleinerungsverfahren (Leistungsschallimpuls) im Mittel Aufschlußgrade von rd. 60 % erreicht werden. An bis zu 95 % der Zuschlagkörner haften weniger als 50 Vol.-% Zementstein. Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund seines hohen Energiebedarfs (ca. 12 kWh/t Betonbruch) im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Zerkleinerungsmethoden (Prallbrecher: rd. 1,5 kWh/t Betonbruch) noch nicht konkurrenzfähig. Bei üblicher Prallzerkleinerung beträgt der Aufschlußgrad rd. 6 %. An bis zu 35 % der Zuschlagkörner haften weniger als 50 Vol.-% Zementstein /6, 36/. Sowohl theoretische als auch praktische Untersuchungen zum Mehfachrecycling sind somit immer mit einer Annahme hinsichtlich der eingesetzten Aufbereitungsmethode verbunden. Bei üblicher Prallzerkleinerung wurden z. B. in der Korngruppe 4/8 ein Zementsteinanteil von 61 Vol.-%, in der Korngruppe 8/16 ein Zementsteinanteil von 39 Vol.-% festgestellt. Ein Ausgangsbeton mit einem Zuschlagvolumen von 0,7 m³/m³ und einem w/z-Wert von 0,55 weist rechnerisch eine Gesamtporosität von rd. 15 Vol.-% auf. Würde dieser Beton unter den o. g. Randbedingungen zerkleinert und ein neuer Beton aus Natursand 0/4 und ausschließlich dem entstandenen Betonsplitt > 4 mm hergestellt, würde sich die Porosität dieses Betons (V_g = 0,7 m³/m³, w/z-Wert = 0,55) rechnerisch um rd. 7 Vol.-% erhöhen. Bei einer 2. und 3. Aufbereitung des Betons erhöht sich die Porosität rechnerisch in Abhängigkeit vom w/z-Wert des Betons um weitere 5 Vol.-%. Diese Überlegungen gelten für die Annahme, daß der Zementsteinanteil des entstehenden Betonsplitts jeweils konstant bleibt. Die Auswirkungen der Erhöhung der Porosität auf mechanische Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit des Betons sind bekannt. Inwieweit diese theoretischen Annahmen zutreffend sind, wird zur Zeit durch entsprechende Versuche am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen /27/ überprüft.

Auch andere mineralische Baustoffe können nur begrenzt im eigenen Kreislauf gehalten werden. Die folgenden Beispiele zeigen, wo derzeit die Grenzen, aber auch die Möglichkeiten liegen.