Baustoffkreislauf im Massivbau (BiM)
Statusseminar 28./29.09.1998

Bewertung der bei der Aufbereitung von Bauschutt anfallenden Recyclingzuschläge hinsichtlich der Eignung als Betonzuschlag

D 03

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

1. Allgemeines

Zur gezielten Untersuchung der Schwankungen von Zuschlageigenschaften auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften wurden Zuschlaggemische definierter Zusammensetzung künstlich hergestellt. Hierzu wurden Ausgangsstoffe verwendet, die eine Bandbreite von Kornrohdichten zwischen rd. 1600 und rd. 2400 kg/m³ repräsentieren. Die Herstellung der Ausgangsmaterialien erfolgte durch Zerkleinerung in Backenbrecher und Prallmühle in einer Aufbereitungsanlage. Dort lag bereits Betonsplitt (BB) als Endprodukt der Aufbereitung - in den entsprechenden Fraktionen - in geeigneter Qualität vor. Der Betonsplitt bestand im Mittel zu 38 M.-% aus Beton (reiner Zementstein + natürlicher Zuschlag mit anhaftendem Zemenstein) und zu 60 M.-% aus zementsteinfreien Zuschlagkörnern.

Die Erzeugung des Ziegelsplitts ZB1 erfolgte durch Brechen ungebrauchter Mauerziegel des Typs Hlz 12 - 0,9, der Ziegelsplitt ZB2 wurde aus Mauerziegeln des Typs Hlz 8 - 0,7 gewonnen. Für die Herstellung des Kalksandsteinsplitts (KS) wurden Reststücke von Kalksandstein-Planelementen der Festigkeitsklasse 8 zerkleinert. Die zerkleinereten Mauerwerkbaustoffe lagen im Korngrößenbereich 0/45 vor und wurden im Institut für Bauforschung der RWTH Aachen abgesiebt. Um ausreichende Mengen der Zuschlagstoffe zu erhalten wurden Bestandteile > 32 mm (teilweise auch > 16 mm) in einem Schlagbrecher des Instituts für Aufbereitung, Veredlung und Entsorgung der RWTH Aachen nachgebrochen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien.

2. Mischungszusammensetzung und Herstellung

Neben einer Rezeptur mit einem Zementgehalt z = 320 kg/m³ (CEM I 32,5 R) und einem planmäßigen Wasserzementwert w/z = 0,55, einer Rezeptur mit einem Zementgehalt z = 320 kg/m³ (CEM I 32,5 R) und einem planmäßigen Wasserzementwert w/z = 0,60 sowie einer Rezeptur mit einem Zementgehalt z = 240 kg/m³ (CEM I 32,5 R) und einem planmäßigen Wasserzementwert w/z = 0,75 wurde eine weitere Betonrezeptur mit einem Zementgehalt z = 485 kg/m³ (CEM I 42,5 R) und einem planmäßigen Wasserzementwert w/z = 0,33 verwendet. Diese Rezeptur wurde in /5/ für eine „Schnellprüfung" zur Überwachung von rezyklierten Zuschlägen aus mineralischen Baustoffgemischen vorgeschlagen, die für Betone der Festigkeitsklassen bis einschließlich der Festigkeitsklasse B 35 nach DIN 1045 /2/ verwendet werden sollen. Mit Hilfe dieser Betone, die unter Verwendung von natürlichem Zuschlag bereits nach 24 bis 48 h den relevanten Festigkeitsbereich durchlaufen, könnte somit relativ schnell entschieden werden, ob der zu prüfende rezyklierte Zuschlag einen gleichbleibenden Festigkeitsbeitrag liefert. Zur Herstellung der Betone mit rezyklierten Zuschlägen wurde der zuvor ofengetrocknete Zuschlag (Natursand und rezyklierter Zuschlag) zunächst vorgenäßt (Wassermenge, die der bei 105 °C getrocknete Zuschlag innerhalb von 10 bzw. 30 min. aufnimmt sowie 20 % der Zugabewassermenge). Danach blieb der Zuschlag 10 min. im Mischer (Mischer wurde abgedeckt). Anschließend wurden Zement und die Restwassermenge zugegeben. Die Mischungen wurden mit einem Fließmittel auf die Konsistenz KR (Zielgröße: a₁₀ = 450 - 490 mm) eingestellt. Nach Zugabe aller Bestandteile in den Mischer wurde 1,5 min. gemischt. Die zusätzlichen „Saugwassermengen" wurden in der Stoffraumrechnung jeweils gewichtsmäßig, nicht aber volumenmäßig berücksichtigt. Es wurde also davon ausgegangen, daß der Zuschlag diese Wassermenge vollständig aufnimmt. Die Volumenanteile der Zuschläge wurden in der Stoffraumrechnung über die im Pyknomterverfahren mit Wasser gemessene Kornrohdichte ermittelt.

Bild 1: Übersicht untersuchter Betonmischungen nach mittlerer Kornrohdichte des Zuschlaggemisches, Zuschlaggehalt und Wasserzementwert

Einen Überblick über alle hergestellten Betonmischungen, die ermittelten Frischbetoneigenschaften und die durchgeführten Betonprüfungen geben die Tabellen A1 bis A3. Bild 1 gibt einen Überblick über die verwendeten Zuschlaggemische (Kornrohdichte der Zuschlaggemische) und die damit verbundenen Zuschlaggehalte je m³ verdichteten Frischbetons. Bei allen untersuchten Betonen wurde eine Sieblinie im Bereich zwischen A16 und B16 nach DIN 1045 /2/ verwendet.

3. Ergebnisse

3.1 Frischbetoneigenschaften

Alle Betone wiesen einen guten Zusammenhalt auf, zeigten weder Entmischungs- noch Bluterscheinungen und ließen sich problemlos verarbeiten. Zusätzlich zu den in den Tabellen A1 bis A3 aufgeführten Frischbetoneigenschaften wurde das Ansteifverhalten verschiedener Betone über einen Zeitraum bis zu 90 Minuten nach Mischende anhand des Ausbreit- und des Verdichtungsmaßes untersucht. Die hierbei ermittelten Werte sind in Tabelle A4 zusammengestellt.

3.2 Festigkeits- und Verformungsverhalten

3.2.1 Druckfestigkeit

Die Würfeldruckfestigkeit der Betone wurde nach DIN 1048-5 /3/ ermittelt. Dazu wurden je Prüftermin drei Würfel mit einer Kantenlänge von 150 mm hergestellt, die in der Regel im Alter von 28d, in einigen Fällen zusätzlich in Alter von 1 und 2d (24 und 48 (± 1h)) geprüft wurden. Bei diesen Betonen wurde die Betonrezeptur mit einem Zementgehalt z = 485 kg/m³ (CEM I 42,5 R) und einem planmäßigen Wasserzementwert w/z = 0,33 verwendet. Die Probekörper zur Prüfung im Alter von 28d lagerten 1d in der Schalung bei einer relativen Feuchte > 95 % (Nebelkammer), 6 d unter Wasser (Wasserlagerung) und anschließend bis zur Prüfung bei einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchte von 65 %. Die Prüfung der Druckfestigkeit nach 1 und 2d erfolgte unmittelbar nach der Lagerung in der Nebelkammer bzw. nach Nebelkammer und 1tägiger Wasserlagerung.

Die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen sind in den Tabellen A5 und A6 zusammengestellt.

Bild 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Druckfestigkeit und der Kornrohdichte des verwendeten Zuschlags bzw. der Trockenrohdichte des Betons. Dort sind ebenfalls Ergebnisse aus /6/ eingetragen.

3.2.2 Spaltzugfestigkeit

Die Spaltzugfestigkeit wurde im Alter von 28 d nach DIN 1048-5 an drei Würfeln mit einer Kantenlänge von 150 mm geprüft. Die Probekörper lagerten 1d in der Schalung bei einer relativen Feuchte > 95 % (Nebelkammer) und anschließend bis zur Prüfung unter Wasser (Wasserlagerung).

Die ermittelten Spaltzugfestigkeiten sind der Tabelle A7 zu entnehmen.

Bild 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Spaltzugfestigkeit und der Würfeldruckfestigkeit.

Bild 3: Zusammenhang zwischen der Spaltzug- und der Druck-festigkeit untersuchter Betone im Alter von 28d

3.2.3 E-Modul

Zur Ermittlung der Druckspannungs-Dehnungs-Beziehungen wurden jeweils drei Zylinder mit den Abmessungen D = 150 mm, H = 300 mm hergestellt, die 1d in der Schalung bei einer relativen Feuchte > 95 % (Nebelkammer), 6 d unter Wasser (Wasserlagerung) und anschließend bis zur Prüfung im Alter von 28d bei einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchte von 65 % gelagert wurden. Vor der Prüfung wurden die Kopfflächen der Zylinder so abgeschliffen, daß sie mit der Zylinderlängsachse einen rechten Winkel einschlossen und somit eine zentrische Lasteinleitung garantiert werden konnte. Zur Längs- und Querdehnungsmessung wurden jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen appliziert. Die Durchführung des lastgesteuerten Versuchs erfolgte in Anlehnung an DIN 1048-5 /3/; die dort in Abschnitt 7.2 angegebenen Be- und Entlastungsgeschwindigkeiten von 0,5 ± 0,2 N/(mm²× s) wurden dabei eingehalten. Die untere bzw. obere Prüfspannung betrug u= 0,5 N/mm² bzw. o = 1/3 ß_D. Die Druckfestigkeit ß_D wurde vorab an Würfeln bestimmt (vgl. Abschnitt 3.2.1) und auf Zylinderfestigkeiten umgerechnet. Die Ermittlung des statischen E-Moduls E_b aus diesen Druckversuchen erfolgte ebenfalls nach DIN 1048-5.

Kennwerte zur Bestimmung der Querdehnzahl m und des Druck-E-Moduls E_b der untersuchten Betone im Alter von 28d sind in denTabellen A8 und A9 zusammengestellt.

Bild 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem statischen E-Modul und der Kornrohdichte des verwendeten Zuschlags bzw. der Trockenrohdichte des Betons. Dort sind zusätzlich Ergebnisse aus /4/ und /6/ eingetragen.

Im Vergleich zu den Referenzbetonen sind die E-Modulen der hier untersuchten Betone mit rezyklierten Zuschlägen zwischen rd. 30 und 50 % geringer. Man erkennt weiterhin, daß die Rohdichte der untersuchten rezyklierten Zuschläge und damit die Trockenrohdichte des Betons den E-Modul stärker beeinflußt als die Druckfestigkeit. Die E-Moduln der Betone nähern sich mit sinkender Kornrohdichte der Zuschläge bzw. sinkender Trockenrohdichte der Betone asymptotisch einem konstanten Wert an, der in etwa dem E-Modul der Matrix entsprechen dürfte.

Bild 5: E-Moduln von Betonen mit rezyklierten Zuschlägen im Vergleich zum Erfahrungsbereich von Normal- und Leichtbeton

Die Einordnung der ermittelten E-Moduln in Abhängigkeit von der Druckfestigkeit der Betone zeigt, daß die untersuchten Betone mit rezyklierten Zuschlägen bzgl. ihres Verformungsverhaltens (stat. E-Modul) im Bereich zwischen Normal- und Leichtzuschlägen einzuordnen sind und sich mit sinkender Kornrohdichte der Zuschläge weiter dem Leichtbeton annähern (Bild 5).

3.2.4 Schwinden

Das Schwindmaß infolge Austrocknen wurde nach dem in /1/ angegebenen Prüfverfahren an Betonzylindern mit den Abmessungen D = 150 mm und H = 300 mm ermittelt, die 1d in der Schalung bei einer relativen Feuchte > 95 % (Nebelkammer) und 6 d unter Wasser (Wasserlagerung) gelagert wurden. Die Nullmessung erfolgte im Alter von 7 d unmittelbar nach der Beendigung der Wasserlagerung. Die Längenänderungen wurden mit drei Meßuhren (Genauigkeit: 1/1000 mm), die im Winkelabstand von 120° angebracht worden waren, erfaßt. Im Anschluß daran wurde in Abständen von 1, 2, 3, 7, 14 und 28 d nach Beginn der Trockenlagerung die Längenänderungen gemessen. Ab einem Alter von 28d erfolgten die Messungen parallel zur Bestimmung der Verformungen infolge Kriechen (Abschnitt 3.2.5). Das Schwindmaß e_s errechnet sich zu:

e_s,t = (l_t - l₀)/l₀ (1)

mit:
l_t = Länge der Meßstrecke zum Zeitpunkt t
l₀ = Länge der Meßstrecke zu Beginn der Prüfung

Die zeitliche Entwicklung der Schwinddehnungen der untersuchten Betone ist in den den Bildern 6.1 bis 6.3 dargestellt.

3.2.5 Kriechen

Das Kriechmaß wurde nach dem in /1/ angegebenen Prüfverfahren an Betonzylindern mit den Abmessungen D = 150 mm und H = 300 mm ermittelt, die 1d in der Schalung bei einer relativen Feuchte > 95 % (Nebelkammer), 6 d unter Wasser (Wasserlagerung) und anschließend bis zur Prüfung im Alter von 28d bei einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchte von 65 % gelagert wurden. Im Alter von 28 d wurden die Prüfkörper in die Prüfeinrichtung eingebaut. Die Nullmessung erfolgte im unbelasteten Zustand. Die Kriechspannung wurde zu b _D/3 festgelegt (ß_D: Druckfestigkeit von Zylinder mit den Abmessungen D = 150 mm und H = 300 mm im Alter von 28 d). Nach dem Einbau des Probekörpers in die Prüfeinrichtung wurden ca. 20 % der Kriechspannung aufgebracht und die Längenänderungen wurden abgelesen. Die Längenänderung wurde mit 3 Meßuhren (Genauigkeit: 1/1000 mm), die im Winkelabstand von 120° angebracht worden waren, erfaßt. Da die Abweichungen der einzelnen Längenänderungen vom Mittelwert weniger als 25 % betrug, wurde im folgenden innerhalb von zwei Minuten die endgültige Kriechspannung aufgebracht. Die weiteren Messungen wurden bisher im Abstand von nach 1, 4, 9, 11, 21, 30, 42, 57 und 77 d nach Belastungsbeginn durchgeführt.

Das Kriechmaß ergibt sich nach:

Als spezifisches Kriechmaß wird das auf die Spannungseinheit bezogene Kriechmaß bezeichnet:

Die zeitliche Entwicklung der Kriechdehnungen der untersuchten Betone ist in den Bildern 6.1 bis 6.4 dargestellt.

Die Kriechmaße der bisher untersuchten Betone unterscheiden sich nur wenig voneinander (Bild 6.4). Beton RZ9 zeigt geringfügig größere, Beton RZ8 etwas geringere Kriechverformungen als Beton N2. Aufgrund der deutlich größeren elastischen Verformung bei Verwendung von Ziegelsplitt ZB2 (Beton RZ8) verringert sich die Kriechzahl jedoch im Vergleich zu den Betonen N2 und RZ 9 um ungefähr 30 %. Dieser Effekt ist von Leichtbetonen mit geschlossenem Gefüge bekannt /7/.

Bild 6.1: Zeitliche Entwiclung der Verformungen in Kriech- und Schwindversuchen - Beton N 2	Bild 6.2: Zeitliche Entwicklung der Verformungen in Kriech- und Schwindversuchen - Beton RZ 8
Bild 6.3: Zeitliche Entwicklung der Verformungen in Kriech- und Schwindversuchen - Beton RZ 9	Bild 6.4: Zeitliche Entwicklung des Kriechmaßes (Betone N 2, RZ 8, RZ 9)

Bild 7 zeigt die zeitliche Entwicklung der Kriechzahl j bei Verwendung von Zement Z1 (CEM I 32,5 R) ohne und mit rezyklierten Zuschlägen sowie den Zusammenhang zwischen der Kornrohdichte des Zuschlags und der Kriechzahl der bisher untersuchten Betone.

4 LITERATUR