Baustoffkreislauf im Massivbau (BiM)
Statusseminar 28./29.09.1998

Verwendungsmöglichkeiten von Materialien, die bei der Aufbereitung von Altbeton/Bauschutt anfallen und nicht wiederverwertbar sind

BiM-Projekt-Nr. B/04

Dipl.-Ing. Ch. Müller
Dipl.-Ing. U. Wiens
Dipl.-Ing. B. Dora

1. Einleitung

Im Rahmen der Literturrecherche wurde die Literatur zum Verhalten mineralischer Baustoffe unter thermischer Beanspruchung sowie zu den Anforderungen an Mauermörtel und ihre Ausgangsstoffe vor dem Hintergrund der Verwendung von Brechsanden aus mineralischen Baustoffgemischen als Zuschlag weiter fortgeführt.

Im Rahmen der in diesem Projekt geplanten Laborversuche werden schwerpunktmäßig die Alternativen:

• Zuschlag für Mauermörtel und
• (Re)Aktivierung von Bindemitteleigenschaften (thermische Aufbereitung) untersucht. Darüber hinaus wird der Möglichkeit des Einsatzes als Rohstoffkomponente oder Zumahlstoff bei der Zementproduktion nachgegangen.

Die Versuche zur (Re)Aktivierung von Bindemitteleigenschaften werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz in Braunschweig (Herr Prof. Budelmann) sowie Mitarbeitern der Universität Gh Kassel, Fachgebiet Baustoffkunde durchgeführt.

Mit diesem Zwischenbericht werden die bisher vorliegenden Ergebnisse zur (Re)Aktivierung von Bindemitteleigenschaften (thermische Aufbereitung) dokumentiert. Die Ausgangsstoffe (s. Abschn. 1.1) werden z.T. ebenfalls für die Versuche zur Verwendung als Zuschlag für Mauermörtel eingesetzt.

1.1 Ausgangsstoffe

Für die o. g. Untersuchungen werden Brechsande verwendet, die aus den Feinfraktionen (< 2 bzw. < 4 mm) verschiedener, zerkleinerter mineralischer Baustoffe zusammengesetzt sind. Als Ausgangsstoffe dienen hierbei im Labor hergestellte und zerkleinerte Betone sowie zerkleinerte, ungebrauchte, handelsübliche Mauerziegel und Kalksandsteine. Die Betone wurden jeweils mit einem konstanten Zuschlagvolumen von 0,7 m³/m³ unter Verwendung eines Zementes CEM I 32,5 R, Rheinkiessand (0/2, 2/8, 8/16) im Sieblinienbereich A/B 16 und drei verschiedenen w/z-Werten hergestellt. Die Zusammensetzung der Betone enthält /5/.

Die Aufbereitung der hergestellten Betonprüfkörper (Zylinder und Balken) erfolgte im Institut für Aufbereitung, Veredlung und Entsorgung der RWTH Aachen mit Hilfe eines Backenbrechers und eines Schlagbrechers.

In die Untersuchungen werden 2 Sorten von Mauerziegeln (ZB1,= 1900 kg/m³; ZB2, = 1630 kg/m³) einbezogen. Die Herstellung der Brechsande erfolgte durch Zerkleinerung in Backenbrecher und Prallmühle in einer Aufbereitungsanlage. Die Erzeugung des Ziegelbrechsandes ZB1 erfolgte durch Brechen ungebrauchter Mauerziegel des Typs Hlz 12 - 0,9, der Ziegelbrechsand ZB2 wurde aus Hlz 8 - 0,7 gewonnen. Für die Herstellung des Kalksandsteinbrechsandes wurden Reststücke von Kalksandstein-Planelementen der Festigkeitsklasse 8 (KSB, = 1900 kg/m³) zerkleinert.

Eine Übersicht über alle verwendeten Brechsande gibt Tabelle 1.

Die Tabelle A1 zeigt die chemische Zusammensetzung der Brechsande im Vergleich zu 2 Praxisbrechsanden aus 2 verschiedenen Bauschuttaufbereitungsanlagen. Die chemische Zusammensetzung wurde nach Aufmahlen auf eine Korngröße < 0,125 mm und Trocknung bei 105 °C durch Röntgenfluoreszensanalyse bestimmt. Der Gesamtschwefelgehalt (SO₃) wurde mit dem Automaten CSA 2003 der Firma Leybold-Heraeus ermittelt. Der Chloridgehalt, der unlösliche Rückstand und der Glühverlust bei 1000 °C wurden nach EN 196 - 2 /2/ bestimmt. Der Na2O- und K2O-Gehalt wurden naßchemisch ermittelt. Eine mineralogische Charakterisierung der Brechsande 1 bis 8 mittels Röntgenbeugungsanalyse (vgl. Abschnitt 1.2.2) enthält die Tabelle A2.

1.2 Thermische Aufbereitung (Orientierende Versuche)

1.2.1 Allgemeines

Erste orientierende Versuche zur thermischen Aufbereitung wurden an Brechsanden, die überwiegend oder ausschließlich aus zementgebundenen Baustoffen hergestellt wurden (Brechsande 9, 10, 11), durchgeführt /4/. Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung des Betons, aus dem der Brechsand 10 gewonnen wurde.

Die Brechsande wurden durch die Zerkleinerung von im Labor hergestelltem Beton (Brechsand 10, vgl. Tabelle 2) und Zementstein (Brechsand 9) erzeugt. Außerdem wurde ein Praxisgemisch (Brechsand 11) untersucht, zu dessen Herstellung auschließlich Altbeton unbekannter Herkunft verwendet worden war. Zur Herstellung der Laborbrechsande wurde ein Zement CEM I 32,5 R eingesetzt. Der Zementstein wurde mit einen Wasserzementwert von 0,5 hergestellt.

Zur thermischen Behandlung wurden
450 °C, 550 °C, 650 °C, 750 °C, 800°C, 850 °C, 1050 °C
als Temperaturstufen gewählt.

Die Brechsande wurden in Laboröfen den o. g. Temperaturen jeweils mind. 30 Minuten lang ausgesetzt. Anschließend wurden die Brechsande auf Raumtemperatur abgekühlt und es wurde im Verhältnis 1:3 Wasser zugegeben (Wasserfeststoffwert w/f = 0,50). Mit diesen Wasserfeststoffgemischen wurden Prismen mit den Abmessungen 40 × 40 × 160 mm³ in Anlehnung an EN 196 - 1 /2/ hergestellt und gelagert.

1.2.2 Röntgenbeugungsanalyse

Die Feststellung der mineralogischen Zusammensetzung der Brechsande erfolgte mit Hilfe der Röntgenbeugungsanalyse. Mit dem Röntgendiffraktometer werden die Beugungsspektren aufgezeichnet (digitale Erfassung im Computer). Die Abszisse gibt die Winkellage der Reflexe in 2 Õ an und die Ordinate gibt die Intensitätswerte der Reflexe wieder.

Mit Hilfe von Daten der Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS-) Kartei wurden die Beugungsspektren qualitativ ausgewertet /3/. So sind kristalline Phasen anhand ihrer charakteristischen Abfolge von Beugungslinien eindeutig zu identifizieren.

Tabelle A3 enthält die qualitative Auswertung der Beugungsspektren der Brechsande 9, 10 und 11 vor (20 °C) und nach thermischer Behandlung auf verschiedenen Temperaturstufen am Beispiel von SiO₂, Ca(OH)₂, CaCO₃ und b -C₂S (Belit).

1.2.3 Druck- und Biegezugfestigkeit

Bild 1 zeigt die an den Prismen ermittelten Druck- und Biegezugfestigkeiten im Alter von 7d.

Die im Alter von 28d ermittelten Druckfestigkeiten sind in Bild 2 dargestellt. Bei der Druckfestigkeit ist im Alter von 7d und 28 d ein deutlicher Einfluß sowohl der Stoffzusammensetzung als auch der Höhe der Temperaturbeanspruchung erkennbar. Die deutlichsten Effekte wurden am reinen Zementstein (Brechsand 9) erzielt.

Bild 2: Druckfestigkeiten verschiedener zementgebundener Feinstoffgemische nach Temperaturbeanspruchung und Kontakt mit Wasser im Alter von 28d

Der Zementstein besteht überwiegend aus hydratwasserhaltigen und in geringem Maße karbonathaltigen anorganischen Verbindungen. Im Temperaturbereich von etwa 100 bis 800 °C entwässern relativ kontinuierlich die CSH-Phasen. Zwischen rd. 500 und 650 °C wird das Wasser aus dem Ca(OH)₂ abgespalten.

Bei den im Temperaturbereich ab 500 °C stattfindenden Dehydratations- und Dekarbonatisierungsvorgängen des Zementsteins entsteht einerseits Freikalk und zum anderen kommt es zu Phasenneubildungen. So entstehen bei Temperaturen bis 800°C größere Mengen an ß-C₂S (Belit). Dies zeigten auch erste Phasenanalysen mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie (vgl. Abschnitt 1.2.2).

1.2.4 Dynamischer E-Modul

Der dynamische E-Modul Edyn wurde nach dem Schallaufzeitverfahren in Anlehnung an das in /1/ beschriebene Verfahren ermittelt.

Bild 3: Dynamischer E-Modul verschiedener zementgebundener Feinstoffgemische nach Temperaturbeanspruchung und Kontakt mit Wasser im Alter von 7d

1.3 Thermische Aufbereitung (Hauptversuche)

1.3.1 Allgemeines

Im Rahmen der Hauptversuche wurden zur thermischen Behandlung
550 °C, 750 °C und 1000 °C
als Temperaturstufen gewählt.

1.3.2 Röntgenbeugungsanalyse

Eine Auswertung durchgeführter Röntgenbeugungsanalysen der thermisch behandelten Brechsande steht noch aus.

1.3.3 Mörtelherstellung

Mit den bei 550, 750 und 1000 °C behandelten Brechsanden wurden ohne den Zusatz von Bindemitteln unter Wasserzugabe wiederum Prismen mit den Abmessungen 40 × 40 × 160 mm³ hergestellt. Tabelle A4 zeigt die Zusammensetzung der Brechsand-Wasser-Gemische. Die Wasserdosierung erfolgte so, daß jeweils ein verarbeitbarer „Mörtel" mit einem Ausbreitmaß von rd. 150 mm entstand. Die Mörtel sind durch Kombination von Temperatur und lfd. Nummer des verwendeten Brechsandes gekennzeichnet. Einige der Mörtel zeigten starke Bluterscheinungen. Die Prismen wurden ausgeschalt, sobald dies nach entsprechender Festigkeitsbildung möglich war. Die Lagerung der Prismen erfolgte im Klima 20°C/65 % r. F.. Einige der Prismen konnten aufgrund unzureichender Festigkeitsbildung nicht entschalt werden bzw. zerfielen unmittelbar beim Ausschalen (Tabelle A5).

1.3.4 Druck- und Biegezugfestigkeit, dynamischer E-Modul

An den entschalbaren Prismen wurden, soweit möglich, die Biegezug- und die Druckfestigkeit sowie der dynamische E-Modul im Alter von 7 und 28 d bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle A6 zusammengestellt. Bei einigen Probekörpern war kein Wert für die Biegezugfestigkeit ermittelbar.

Bei fast allen untersuchten Prismen war im Alter von 28d eine Abnahme der Biegezug- und Druckfestigkeiten im Vergleich zu den im Alter von 7d ermittelten Werten bei gleichzeitiger Zunahme des dynamischen E-Moduls feststellbar.

Im Alter von 7d wurden Druckfestigkeiten zwischen 0,56 (750-14) und 4,22 N/mm² (550-1) ermittelt. Im Alter von 28d lagen die Druckfestigkeiten zwischen 0,41 (750-7) und 1,20 N/mm² (550-3).

1.3.5 Kapillare Waseraufnahme

Die kapillaren Wasseraufnahmen der untersuchten Mörtel nach DIN 52 617 sind in Tabelle A7 zusammengestellt. Hierbei zeigt sich insbesondere die Zunahme der kapillaren Wasseraufnahme durch die Zugabe betonfremder Bestandteile (hier insbesondere Ziegelbrechsand) zum Betonbrechsand Nr. 4.

1.3.6 Schwinden und Quellen

Schwind- und Quellverformungen (Dehnungen) wurden an Prismen mit den Abmessungen 40 × 40 × 160 mm³ ermittelt. Die Prismen wurden ausgeschalt, sobald dies nach entsprechender Festigkeitsbildung möglich war und im Abstand von 100 mm mit Meßmarken versehen. Die Prismen lagerten im Klima 20°C/65 % r. F. Die Prüfung wurde jeweils unmittelbar nach Aufbringen der Meßmarken begonnen. Die Längenänderungen wurden mit einem Setzdehnungsmesser ermittelt.

Die bisher vorliegenden Ergebnisse sind in Tabelle A8 zusammengestellt. In Bild 7 sind die Schwinddehnungen nach einer Temperaturbehandlung von 550 und 750 °C graphisch dargestellt.

Der reine Betonbrechsand weist Schwinddehnungen bis zu 1,9 mm/m auf (550-4). Mit Zunahme betonfremder Bestandteile werden die Schwinddehnungen bis auf ein Maß von 0,9 mm/m (550-12) bzw. 0,12 mm/m (750-7) reduziert. Insgesamt sind die Schwinddehnungen nach einer Temperaturbehandlung von 750 °C geringer als nach einer Temperaturbehandlung von 550 °C.

2. Literatur