Beton im Stoffkreislauf
Harald Budelmann, Bernd Dora

Das Wirtschaften In Stoffkreisläufen muss ein Ziel zukünftiger Bauweisen sein. Ansätze zum Schließen des Stoffkreislaufes für den mineralischen Baustoff Beton werden aufgezeigt. Es werden sowohl die gegenwärtigen gesetzlichen Regelungen vorgestellt, wie auch aktuelle Forschungsergebnisse zum Einsatz von Betonsplitt und Betonbrechsand als Zuschlag oder Bindemittel im Beton dargestellt.

Einleitung

Abb. 1: Stoffkreisläufe eines Bauwerks (Prinzipskizze)

Sustainable Development steht seit der Weltumweltkonferenz von Rio de Janeiro 1992 als Vision für einen ressourcenschonenden und abfallarmen Umgang mit Stoffen. Nachhaltigkeit ist im Bauwesen nicht neu, schließlich wird der Baustoff Holz als nachwachsender Rohstoff seit jeher bewirtschaftet. Zu den nicht erneuerbaren Ressourcen gehört der weit überwiegende Teil der klassischen Konstruktionsbaustoffe, gehören alle metallischen und mineralischen Baustoffe. Ziel muss es sein, auch diese in Stoffkreisläufen zu halten.
Im Oktober 1996 ist das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz in Kraft getreten [1]. Dessen übergeordnetes Ziel ist, den Rohstoffeintrag und den Abfallaustrag in den Bauwerkslebensphasen durch weitgehende Verwertung gering zu halten. Alle Rückstände sind nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz Abfälle, möglichst zur Verwertung. Die stoffliche Verwertung führt nach einer Aufbereitung wieder in die Baustoffherstellung. Voraussetzung dafür ist eine hochwertige Aufbereitung (Sortieren, Zerkleinern, Klassieren etc.) zu einer primärstoffvergleichbaren Qualität, zum Beispiel Betonbruch zu Betonzuschlag.

Regelungen des Einsatzes von Bauschutt
Entsprechend der möglichen Vielfalt der Zusammensetzung hat der Straßenbau Wiederverwertungsmöglichkeiten für aufbereiteten mineralischen Bauschutt definiert, die von einfachen Verfüllungen bis zu Trag- und Deckschichten reichen, Abb. 2.
Insgesamt kennzeichnend für den heutigen Einsatz von Recyclingbaustoffen im Straßenbau ist deren fast durchweg gegenüber der Erstverwertung geringwertigere Nutzung (Downcycling), meist als Schüttgut.
Demgegenüber ungünstiger stellte sich bisher die Situation des Einsatzes von aufbereitetem mineralischem Bauschutt als Zuschlagmaterial für Betonwaren und für Beton nach DIN 1045 dar. Da selbst reiner Betonbruch aus besonders festem Altbeton nicht alle Anforderungen für Betonzuschlag nach DIN 4226 erfüllen kann, war eine generelle Einsetzbarkeit nicht gegeben. Für einige Betonwaren war der Einsatz von aufbereitetem Betonbruch aus Ausschussproduktion möglich und üblich.
Sollte aufbereiteter Bauschutt für Beton nach DIN 1045 verwendet werden, musste nach dem Regelungsstand bis August 1998 in Deutschland entweder eine Zustimmung im Einzelfall für den Beton eines Bauvorhabens eingeholt werden oder vom Aufbereitet für sein Produkt eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erworben werden. Im August letzten Jahres hat der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton DAfStb die Richtlinie »Beton mit rezykliertem Zuschlag« herausgegeben [2]. Mit gewissen Einschränkungen ist jetzt ein Einsatz von Betonsplitt und -sand in Konstruktionsbeton nach DIN 1045 möglich, Tabelle 1. Jedoch ist die Richtlinie als vorläufig anzusehen, da sie nach Abschluss laufender Forschungsvorhaben im Laufe dieses Jahres überarbeitet und erweitert werden soll. Es ist zu erwarten, dass die heutigen Höchstanteile an rezykliertem Zuschlag erhöht sowie neben Betonsplitt und Betonbrechsand weitere Sekundärzuschläge zugelassen werden.

Abb 2: Einsatzgebiete für Bauschutt

Tab.1: Höchstanteile rezyklierten Zuschlags, bezogen auf den Gesamtzuschlag nach DAfStb-Richtlinie >>Beton mit rezykliertem Zuschlag<<

Betonsplitt als Zuschlag für Konstruktionsbeton

Abb. 3: Druckfestigkeit von Recyclingbeton in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse des Betonsplitts

Eine hochwertige Wiederverwertung von Bauschutt aus Betonbauwerken, die gegebenenfalls auch mehrfach möglich sein soll, erfordert, dass dieser möglichst geringe Zementsteinanhaftungen aufweist und dass der Anteil von Fremdstoffen gering ist. Diese Forderungen richten sich an den Rückbau und den Aufbereitungsprozess. Die erreichbaren Eigenschaften von Beton mit Recyclingzuschlag sind schon seit etwa 30 Jahren Forschungsgegenstand. Bis auf wenige Ausnahmen war es das Ziel der durchgeführten Arbeiten, die Leistungsfähigkeit von Recyclingbeton an ausgewählten Betonmischungen mit realem Betonbruch beziehungsweise Bauschutt zu zeigen. So war insgesamt zwar ein großer Kenntnisstand entstanden, grundlegende Zusammenhänge und abgesicherte Entwurfsempfehlungen konnten aber kaum abgeleitet werden, da die Materialien und Versuchsbedingungen nicht vergleichbar oder lückenhaft dokumentiert sind.
Jüngere Forschungsarbeiten [3,4] sind in systematischen Untersuchungen deshalb den prinzipiellen Zusammenhängen zwischen den Eigenschaften aufzubereitenden Altbetons, auch mit fremden Stoffbeimengungen, den Eigenschaften aufbereiteten Recyclingzuschlagmatenals in Abhängigkeit vom Aufbereitungsverfahren und schließlich den Eigenschaften daraus hergestellter Recyclingbetone nachgegangen. In [4] wurden gezielt Altbetone hergestellt und im Alter von mindestens 180 Tagen in Versuchsanlagen sowie auch in industriellen Anlagen aufbereitet. Eigenschaften und Eigenschaftszusammenhänge des aufbereiteten Recyclingzuschlages wurden untersucht, Anforderungen an die Aufbereitungsverfahren abgeleitet. Aus solchen wohldefinierten Recyclingzuschlägen wurden schließlich Recyclingbetone hergestellt und deren Verarbeitungs- und Festbetoneigenschaften studiert.
Die Festigkeitsklasse des Altbetons, der zu Recyclingzuschlag aufbereitet wird, hat erwartungsgemäß einen Einfluss auf die Druckfestigkeit daraus hergestellten Recyclingbetons. Abb. 3 zeigt die Druckfestigkeit von Recyclingbeton im Alter von 28 Tagen, dessen Zuschläge > 4 mm ausschließlich im Prallbrecher gewonnener Betonsplitt aus Beton unterschiedlicher Festigkeit sind. Die Recyclingbetone wurden jeweils so zusammengesetzt, dass bei Verwendung von Primärzuschlag bestimmte Festigkeitsklassen zu erwarten waren. Die an den Recyclingbetonen ermittelten Druckfestigkeiten wurden bezogen auf die Druckfestigkeit von ansonsten identisch zusammengesetzten Primärzuschlagbetonen. Es ist erkennbar, dass mit zunehmender Altbetongüte des Recyclingzuschlages dessen Einfluss auf die Druckfestigkeit des Recyclingbetons abnimmt. Aus hochwertigen Altbetonen (B 25 bis B 45) können praktisch ohne zusätzliche Maßnahmen Betone der Festigkeitsklassen B 15 bis B 35 hergestellt werden [5).
Der dem Betonsplitt anhaftende Zementsteingehalt ist von entscheidender Bedeutung für die Eigenschaften von Recyclingbeton, wie Abb. 4 für die Biegezugfestigkeit im Alter von 28 Tagen zeigt. Die Altbetongüte des Betonsplittes war B 35, der Recyclingbeton wurde mit gleichem Zementgehalt und Wasserzementwert hergestellt. Die Wasseraufnahme des Betonsplittes ist ebenfalls deutlich vom anhaftenden Zementsteingehalt abhängig, Abb. 5. Nach heutigem Kenntnisstand kann die Wasseraufnahme des Betonsplittes, also eine leicht zu ermittelnde Größe, als Beurteilungsgröße für die Eignung eines Betonsplittes zur Verwendung als Betonzuschlag herangezogen werden.

Abb. 4: Biegezugfestigkeit von Recyclingbeton in Abhängigkeit vom Zementsteingehalt des Betonsplitts	Abb. 5: Wasseraufnahme von Betonsplitt > 4 mm aus B 25 in Abhängigkeit vom Zementsteingehalt des Betonsplitts

Betonbrechsand als Bindemittel und Zusatzstoff

Abb. 6: Druckfestigkeit temperaturbeanspruchter Stoffgemische (Prismen, w/z = 0,5, Alter: 7d)

Beim Zerkleinern von Bauschutt fallen mindestens 20 Prozent als Brechsand mit Korndurchmessern kleiner als 2 mm an. Je besser zum Beispiel der Aufschlussgrad beim zerkleinern von Betonbruch ist, desto größer ist der Sandanteil und desto größer ist der enthaltene Anteil an Zementstein. Derartiger bindemittelreicher Brechsand ist heute kaum wiederverwertbar und wird meist deponiert. In den letzten Jahren wurden Wiederverwertungsmöglichkeiten untersucht, die aber bisher nicht zu leistungsfähigen Recyclingprodukten führten.
Ein vielversprechender Weg könnte die Temperaturbehandlung zum Beispiel von Betonbrechsand im Temperaturbereich unterhalb von 1000°C sein. Ab 600°C beginnen Dehydratisierungs- und Dekarbonatisierungsvorgänge des Zementsteins, in deren Verlauf einerseits Freikalk entsteht und andererseits Phasenneubildungen ablaufen. So entstehen große Mengen Belit in Festkörperreaktionen unter Einbindung des Freikalkes bis etwa 90°C so gering, dass Kalktreiben offenbar nicht zu befürchten ist.
Abb. 6 zeigt, dass unterschiedliche Gemische, nach einer Temperaturbeansprucnung zu Prismen nach DIN 1164 erhärtet, durch diese Temperaturbehandlung nennenswertes hydraulisches Erhärtungsvermögen zurückerhalten haben. Derartige Stoffe können erneut als Bindemittel, oder als hydraulische Zusatzstoffe eingesetzt werden [6].
Auch eine Teilsubstituierung des RohmehIs durch Betonbrechsand von bis zu 25%, je nach Zusammensetzung, im Drehrohrofen bei der Zementherstellung (1450°C) erscheint möglich. Dies könnten echte Kreislaufverwertungen sein; doch ist noch beträchtlicher Forschungsaufwand notwendig.

Ausblick
Die Forschung muss Konzepte entwickeln, wie künftig ressourcenschonender, energiegünstiger, abfallärmer, wiederverwertungsgerechter und gleichzeitig wirtschaftlich gebaut werden kann. Und sie muss Lösungen erarbeiten, wie der heutige und der zu erwartende Bauabfall wieder zu hochwertigen Baustoffen werden kann. Die Baustoffforschung hat die Herausforderung in der Vergangenheit nur zögerlich aufgegriffen, dementsprechend ist, mit Ausnahme der Strassenbaustoffe, der heutige Kenntnisstand noch unzureichend. Aktuelle Forschungsprojekte studieren die Baustoffeigenschaften in Abhängigkeit von der Geschichte, Zusammensetzung und Aufbereitung der eingesetzten Altbaustoffe. Leistungsfähige Produkte müssen aufgezeigt und deren Bedingungen für Grenzen der Leistungsfähigkeit (performance) nachgewiesen werden.

Literatur

[1]	Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltvertraglichen Beseitigung von Abfällen, Deutsches Bundesrecht, Stand. 27.9.1994
[2]	DAfStb-Richtlinie Beton mit rezykliertem Zuschlag: Teil 1 Betontechnik und Teil 2 Betonzuschlag aus Betonsplitt und Betonbrechsand, Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe August 1998
[3]	Baustoffkreislauf im Massivbau: 3. Statusseminar, TU Darmstadt, 28. und 29 Seorember 1998
[4]	Budelmann, H., Dora, B.: Teilprojekt C1 Baustoffeigenschaften, Sonderforschungsbereich 385 Baustoffrecycling, Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg. Arbeits- und Ergebnisbericht 1995/96, S.251-285
[5]	Budelmann, H.; Dora, B.: Beton mit rezykliertem Zuschlag. Fachtagung Innovatives Bauen, 13./14. 11. 1997, Heft 136, Schriftenreihe des ibmb, TU Braunschweig, S. 185-194
[6]	Möller. S.: Verwendbarkeit von Betonbrechsand, Diplomarbeit im Fachgebiet Baustoffkunde der Universität Gesamthochschule Kassel, 1998