Artikel aus der Zeitschrift Beton, Ausgabe 2/1998
Februar 1998

 

18. Darmstädter Massivbau-Seminar

 

Ein Jahr nachdem im Oktober 1996 das "Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz" in Kraft trat, trafen sich am 15./16. Oktober 1997 in Darmstadt 150 Teilnehmer zum 18. Massivbau-Seminar, um gemeinsam politische und regulative Rahmenbedingungen für kreislaufgerechtes Bauen zu diskutieren. Ein Höhepunkt des Seminars waren die im letzten Vortragsblock vorgestellten Forschungsergebnisse der TU Darmstadt zu Herstellung, Bemessung und Einsatz von Beton mit rezycliertem Zuschlag. Nach einem Blick auf die Konsequenzen aus dem ,,Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz" für die Bauwirtschaft wird im folgenden auf diese Vorträge ausführlicher eingegangen.

 

Konsequenzen für die Bauwirtschaft

In seinem Beitrag über die Konsequenzen aus dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz für die Bauwirtschaft führte Dr.-Ing. Horst Görg von der Entsorgergemeinschaft Bauen und Umwelt e. V., Wiesbaden, aus, wie durch das neue Gesetz das Verursacherprinzip und die Verantwortlichkeit von anfallendem Abfall neu festgelegt werden. Wer Güter produziert, vermarktet oder konsumiert, ist für die Vermeidung, Verwertung und umweltverträgliche Beseitigung der dabei anfallenden Abfälle verantwortlich. Inhaltlich wichtigste Änderung des neuen Gesetzes ist, daß es nicht nur die reine Beseitigung von Abfällen regelt, sondern auch deren Verwertung, die bisher in der Regel außerhalb des Abfallgesetzes stattfand. Die alte Rollenverteilung "Wirtschaft produziert - Gebietskörperschaften entsorgen", ist überholt. Entscheidungen über Produktion und Konsum müssen daher künftig nicht nur Nutzen und Tauglichkeit eines Produktes einbeziehen, sondern auch die Entsorgung des Produkts am Ende seines Lebenszyklus'.
Dieses Gesetz gilt auch für die Bauwirtschaft. Den Besonderheiten ihrer Produktionsweise wird es jedoch vielfach nicht gerecht. Bauen als Erstellung eines Neubaus, aber auch Bauen im Bestand, Erhaltungsmaßnahmen und Abbruch bedingten differenzierte Produktverantwortlichkeiten, die zudem die langen Nutzungszeiten der Gebäude einbeziehen.
Das neue ,,Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz" unterscheidet nur noch die Begriffe "Produkt" und "Abfall". Alle Stoffe und Gegenstände, die nicht Produkte sind, werden als Abfälle betrachtet. Damit gehören sie in den Zuständigkeitsbereich der allgemeinen abfallwirtschaftlichen Überwachung. Nach altem Abfallrecht wurden gewöhnliche Bauabfälle und vor allem Bodenaushub nicht als "Abfall", sondern als verwertbare Reststoffe, bzw. sofern sie aufbereitet waren, als Wirtschaftsgut bezeichnet.
Zusätzlich werden Abfälle nach ihrem Gefährdungspotential unterschieden. Zu den baurelevanten "besonders überwachungsbedürftigen Abfällen", also Abfällen, die nach Art, Beschaffenheit oder Menge gesundheits- oder umweltgefährdend sein können, gehören im Sinne der gesetzlichen Verordnungen Abbruchmaterialien mit "schädIichen Verunreinigungen". Die schädlichen Verunreinigungen sind jedoch (noch) nicht weiter definiert.
Bauabfälle zur Verwertung ohne schädliche Verunreinigungen wie z. B. Beton, Ziegel, aber auch gemischte Bau- und Abbruchabfälle (Bauschutt), sind nur als "überwachungsbedürftig" eingestuft. Hier muß der Abfallbesitzer Nachweise über deren Entsorgung führen und aufbewahren. Für die Bauwirtschaft bedeutet dies maßgebliche Änderungen der bestehenden Rechtslage, da sie nun stärker dem ,,Abfallregime" unterliegt.
Ein weiterer problematischer Aspekt des "Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes" ist eine ungenaue Festlegung, nach der im Rahmen von Bauarbeiten jedes ausführende Unternehmen als "Erzeuger" und/oder ,,Besitzer" von Abfällen eingestuft werden kann.

Diese Unterscheidung eignet sich nicht, um im Bau- und Instandsetzungsbereich eindeutige Verantwortlichkeiten festzulegen. Ungeklärt ist u.a., ob nach der neuen Gesetzeslage der Bauunternehmer z. B. bei Abbruch- oder Bodenaushubarbeiten bereits durch die bloße Durchführung dieser Arbeiten Abfallbesitzer bzw. Abfallerzeuger wird. Hier empfiehlt sich, durch konkrete vertragliche Regelungen sicherzustellen, daß das Bauunternehmen nicht unbeabsichtigt in den Besitz von Bauabfällen gelangt. Eine Rangfolge in der Verantwortung, wo nach in erster Linie der Erzeuger und erst in zweiter Linie der Besitzer für eine Entsorgung verantwortlich ist, ist gesetzlich nicht festgelegt.
Um die abfallwirtschaftliche Uberwachung zu vereinfachen, sieht das "Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz" die Einführung neuer privatwirtschaftlicher Organisationsformen für die Abfallwirtschaft und Regelungen für "Entsorgungsfachbetriebe" und "Entsorgergemeinschaften" vor. Diese Entsorgungsunternehmen genießen verfahrensrechtliche Privilegien im Umgang mit Abfällen, müssen dafür aber auch detaillierte Anforderungen im Hinblick auf ihre Tätigkeit, Anerkennung und Zertifizierung erfüllen.
Nach dem "Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz" haben Erzeuger, die bestimmte Mengen an Abfällen erzeugen, ein Abfallwirtschaftskonzept und eine (Abfall-) Bilanz über Art, Menge und Verbleib der Abfälle zu erstellen. Aufgrund der niedrigen Mengen werden die meisten Bauunternehmen von der Konzept- und Bilanzpflicht betroffen sein. Bauunternehmen haben allerdings bei der Anwendung des Gesetzes einige Erleichterungen. So gibt es z. B. generell keine Pflicht zur Erstellung von Abfallwirtschaftskonzepten und -bilanzen für Beton aus Straßenaufbruch zur Verwertung.

Zusammensetzung von Abbruchmaterialien

 

Beton unter Verwendung rezyklierten Zuschlags

Der Beitrag von Dipl.-Ing. Marcus Rühl vom Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt beschäftigte sich ausführlich mit der Herstellung und den Eigenschaften von Beton unter Verwendung von rezykliertem Zuschlag. Eines der zentralen Probleme bei der Verwertung von aufbereiteten Abbruchmaterialien als rezykliertem Zuschlag für die Herstellung von Beton rührt aus der starken Streuung der Materialarten des Abbruchgemischs (Graphik). Die starken Streuungen der Materialien und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Materialkennwerte haben zur Folge, daß die DIN 4226 die Verwendung von rezykliertem Zuschlag aus aufbereitetem Bauschutt für die Herstellung von Beton ausschließt, es sei denn, es liegt eine bauaufsichtliche Zustimmung für den Einzelfall vor.
Ziel der Überlegungen zum Einsatz rezyklierten Zuschlags für Beton muß sein, ein möglichst sortenreines, homogenes Abbruchmaterial zu erhalten, das frei ist von störenden und schädlichen Bestandteilen. Dies kann am ehesten durch einen gut geplanten selektiven Rückbau erreicht werden. Damit wird die Höhe des Aufwandes für die Aufbereitung reduziert und das Rezyklat in erwünschter Weise homogenisiert.

 

Frischbetoneigenschaften

Bei den Frischbetoneigenschaften von Beton mit rezykliertem Zuschlag interessiert in erster Linie die Verarbeitbarkeit. Hier ist der hohe Gehalt an porösen Materialien (Ziegel, Putz, Betonbruch) zu berücksichtigen, die das verfügbare Wasser innerhalb kurzer Zeit aufsaugen. Das Aufsaugen führt dazu, daß dein Anmachwasser bei Verwendung von rezykliertem Zuschlag eine zusätzliche Wassermenge zuzugeben ist, um diesen Effekt zu kompensieren und die gewünschte Betonkonsistenz zu erreichen. Zur Abschätzung der zusätzlichen Wassermenge kann die Rohdichte des rezyklierten Zuschlags herangezogen werden. Untersuchungen des Institutes für Massivbau der TU Darmstadt zeigen: je niedriger die Rohdichte des Rezyklats, um so höher das Wassersaugvermögen.
Für die Baustelle ist insbesondere das mit dem Wassersaugvermögen verbundene Ansteifen des Frischbetons von Bedeutung. Um einem vorzeitigen Ansteifen des Frischbetons vorzubeugen, wird empfohlen, das Rezyklat vorzunässen oder Fließmittel einzusetzen. Insbesondere die Zugabe von Fließmittel ermöglicht auf einfache Weise eine berechenbare Konsistenz während der Verarbeitung des Betons. Das Vornässen kann nur eingeschränkt empfohlen werden, da es die Schwind- und Kriechneigung des Betons erhöht und die Auswirkungen auf das Ansteifverhalten nur schwer berechenbar ist.

 

Festbeton

Bei den Festbetoneigenschaften sind die Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit (Spalt- und Biegezugfestigkeit), der E Modul sowie das Schwinden und Kriechen von besonderem Interesse. Die Festigkeit des rezyklierten Zuschlags beeinflußt die Festigkeit des damit hergestellten Betons. Zur Beurteilung der Festigkeit des Zuschlags ist der im Straßenbau übliche Schlagzertrümmerungsversuch geeignet. Die Rohdichte erweist sich auch hier als geeigneter Kennwert zur Beurteilung des Zuschlags: Bei steigender Rohdichte wächst die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchung.
Im Ergebnis kann festgehalten werden, daß die Druckfestigkeit von Beton aus rezykliertem Zuschlag verglichen mit Beton mit Naturzuschlag um ca. 10 % bis 20 % niedrigere Werte zeigt. Eine Kompensation dieser Minderdruckfestigkeit kann erfolgen z. B. durch

Das Verformungsverhalten des erhärteten Betons ist von dem des Zementsteins und des Zuschlags abhängig. Bei Beton mit rezykliertem Zuschlag konzentrieren sich Spannungen infolge Verformungen aufgrund der minderfesten Stoffe im Zuschlag vorwiegend im Zementstein. Der Einfluß des (harten) Zuschlags verliert somit an Bedeutung. Im Ergebnis ist festzustellen, daß sich der E-Modul von Beton mit rezykliertem Zuschlag dem E-Modul des Zementsteins nähert und rd. 30 % unter dem von Beton mit Naturzuschlag liegt. Dies ist bei der Bemessung von Betonkonstruktionen zu berücksichtigen.
Die Zugfestigkeit eines Betons hängt von der Zugfestigkeit der Zuschläge, des Zementsteins und der Güte des Verbunds zwischen Zuschlag und Zementstein ab. Obwohl die häufig rauhe und poröse Oberfläche im rezyklierten Zuschlag den Verbund des Zuschlags mit dem Zementstein verbessert, liegen die gemessenen Spalt- und Biegezugfestigkeitswerte 25 % bis 40 % unterhalb der Werte von Beton mit natürlichem Zuschlag. Das Abfallen der Werte ist zum einen durch die mindere Festigkeit des rezyklierten Zuschlags, zum anderen mit den Mikrorissen des rezyklierten Zuschlags zu erklären, die durch die hohen mechanischen Beanspruchungen während des Aufbereitens entstehen. Diese können sich u.a. günstig auf die Rißneigung des Betons auswirken.
Kriechen und Schwinden sind nach Aufbringen einer Dauerlast durch Lageveränderung fester Teilchen und durch Verdrängung des Wassers zwischen den Zementgeltelichen zu erklären. Festere Zuschläge behindern die Verformung, "weichere Zuschläge", wie z. B. rezyklierte Zuschläge, setzen diesen beiden Verformungen weniger Widerstand entgegen. Dies hat zur Folge. daß die Kriech- und Schwindwerte im Vergleich zu Beton mit Naturzuschlag um 40 % bis 60 % höher liegen.
Zur Dauerhaftigkeit und Karbonatisierung von Beton mit rezykliertem Zuschlag liegen am Institut noch keine Forschungsergebnisse vor. Es ist jedoch zu vermuten, daß die Karbonatisierungsgeschwindigkeit infolge der hohen Porosität der Zuschläge höher ist als bei Beton mit Naturzuschlag. Der damit verbundenen Gefahr einer frühen Korrosion der Bewehrung kann durch einen niedrigeren Wasserzementwert oder eine höhere Betondeckung entgegengesteuert werden. Problematisch im Hinblick auf eine erhöhte Karbonatisierung ist die Verwendung von Betonbrechsand.
Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß Beton mit rezykliertem Zuschlag sowohl als Frisch- als auch als Festbeton Abweichungen zum Beton mit Naturzuschlag zeigt. Diese Abweichungen können jedoch durch betontechnologische Maßnahmen so kompensiert werden, daß Beton mit rezykliertem Zuschlag für einen Großteil aller Baumaßnahmen eingesetzt werden kann und die hohen Sicherheits und Qualitätsansprüche, die an Beton mit Naturzuschlag gestellt werden, erfüllt.

 

Bemessung von Beton mit rezykliertem Zuschlag

Der heterogene Aufbau des rezyklierten Zuschlags hat zur Konsequenz, daß Beton mit rezykliertem Zuschlag im Vergleich zum herkömmlichen Beton eine höhere Streuung seiner mechanischen Kennwerte hat. Darauf sowie auf andere Überlegungen zur Bemessung von Beton mit rezykliertem Zuschlag ging Prof. Dr.-Jng. J.-D. Wörner vom Institut für Statik der Technischen Universität Darmstadt ein. Die höhere Streuung betrifft sowohl die Druck- und Zugfestigkeit als auch den E-Modul und das Kriechen und Schwinden.
Die Anwendung von Beton mit rezykliertem Zuschlag kann daher zu niedrigeren Sicherheiten führen. Es sind also entweder angepaßte Bemessungsregeln (durch veränderte Sicherheitsbeiwerte) oder besser noch die Festlegung einzuhaltender Kennwerte erforderlich. Unabhängig davon ist zu klären, welchen Einfluß die mechanischen Kennwerte von Beton mit rezykliertem Zuschlag aufgrund ihrer größeren Streuung auf die Sicherheit der Konstruktion haben. Hier können probalistische Untersuchungen weiterhelfen. Solche Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen wurden am Institut für Statik der TU Darmstadt für eine Reihe typischer Stahlbetonbauteile aus Beton mit rezykliertem Zuschlag der Festigkeitsklasse C 20/25 durchgeführt. Erste Ergebnisse über den Einfluß der Druckfestigkeit liegen vor.
Für die Streuungen der Betondruckfestigkeit wird üblicherweise eine logarithmische Normalverteilung angenommen. Die angestrebte Betonfestigkeitsklasse gibt die erforderlichen Kennwerte fck (charakteristischer Wert, 5 %-Fraktile) und fcm (Mittelwert, 50 %-Fraktile) an. Für C 20/25 werden nach CEN EC 2 fck=20 N/mm2 und fcm=28 N/mm als Kennwerte vorgegeben. Für Beton mit rezykliertem Zuschlag gibt es z.Z. noch keine konsistenten experimentellen Daten, die die Kennwerte einer Verteilungsfunktion darstellen. Es ist momentan von aus herkömmlichem Beton abgeleiteten Verteilungen auszugehen, die so zu modifizieren sind, daß sie die für Beton mit rezykliertem Zuschlag typischen größeren Streuungen berücksichtigen.
Die Untersuchungen am Institut für Statik ergaben, daß zum Erreichen ähnlicher Sicherheiten wie in üblichen Bemessungen nach CEN EC2 gefordert, bei Beton mit rezykliertem Zuschlag der charakteristische Wert fck (5%-Fraktile) erhöht werden muß. Für die hier angenommene Streuung folgt, daß eine Erhöhung von um 2 N/mm2 eine hinreichende Sicherheit ergibt. Um allerdings geeignete erforderliche Kennwerte fck und fcm endgültig formulieren zu können, müßten mit einer großen Anzahl von Probekörpern die hier angenommenen Streuungen bestätigt oder angepaßt werden. Erst dann könnten solche Erkenntnisse in eine mögliche Richtlinie für Beton mit rezykliertem Zuschlag einfließen.
Ähnliche Berechnungen und Abschätzungen werden zur Zeit auch für Bauteile gemacht, die auf Biegung und Normalkraft beansprucht werden, um vorrangig den zusätzlichen Einfluß eines streuenden E-Moduls für schlanke Bauteile zu erfassen. Hier ist zu berücksichtigen, daß der Versagensmechanismus fast immer das unsichere Betonversagen ist, und sich damit höhere Streuungen der Druckfestigkeit wesentlich stärker auswirken.

 

Industriell gefertigter Beton mit rezykliertem Zuschlag

Im ersten Teil seines Vortrags über die Erstellung von Bauwerken unter Verwendung von industriell gefertigem Beton mit rezykliertem Zuschlag ging Prof. Dr.-Ing. P. Grübl vom Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt auf die unterschiedlichen Betoneigenschaften ein, die sich bei der Verwendung von rezyklierten Zuschlägen aus aufbereitetem Betonabbruch gegenüber Beton nach DIN 1045 zeigen und formulierte Anforderungen bei dessen Verwendung. Im zweiten Teil berichtete er über ein aktuelles Demonstrationsbauvorhaben in Darmstadt (Bürgerpark), bei dem noch in diesem Jahr Beton mit rezykliertem Zuschlag verwendet werden soll.
Die Eigenschaften des rezyklierten Zuschlags werden im wesentlichen vom Ausgangsmaterial und der Aufbereitung bestimmt. Von der Art des Aufbereitungsverfahrens hängen die Kornform und die Kornverteilung ab. Im Hinblick auf den Mehlkornanteil bzw. den Gehalt an abschlämmbaren Bestandteilen ist eine Naßaufbereitung durch die geringere Staubentwicklung von Vorteil. Vor der Auswahl des Aufgabeguts kann die Zusammensetzung des aufbereiteten Materials vorgegeben werden. Eine gewünschte Zusammensetzung des rezyklierten Zuschlags kann auch nach der Aufbereitung erfolgen, ist aber nicht wirtschaftlich.
Rezyklierter Zuschlag für Beton aus aufbereitetem Betonbruch muß die Anforderungen der DIN 4226 erfüllen. Darüber hinaus ist zu fordern:

Bei der Herstellung und Verarbeitung von Beton mit rezyklierten Zuschlägen sind das Wassersaugen und die unterschiedliche Kornrohdichte von besonderer Bedeutung. Die wassersaugenden Zuschläge entziehen dem Frischbeton während des Mischens und auch danach Wasser in erheblicher Menge. Dies führt zu einem unerwünschten Ansteifen des Betons und kann die Verarbeitbarkeit verschlechtern. Eine zulässige Möglichkeit, den Verlust der Verarbeitbarkeit zu kompensieren, ohne die Festigkeit des Betons zu mindern, besteht in der nachträglichen Zugabe von Fließmittel. Ist für ein Fließmittel der Zusammenhang zwischen der Zugabemenge, der Größe der Konsistenzänderung und der Betonzusammensetzung einschließlich Zeit und Temperatur des Betons bekannt, so läßt sich die Korrektur der Konsistenz zielsicher vornehmen.
Zur Bestimmung des Wasserzementwerts ist der Gesamtwassergehalt der Betonmischung bei Beton mit rezyklierten Zuschlägen nicht mehr geeignet, weil er auch den Wasseranteil enthält, der sich in den Körnern des rezyklierten Zuschlags befindet. Dieser (hohe) Wasseranteil beteiligt sich aber nicht an der Festigkeitsbildung. Beim Leichtbeton wird dieser Anteil mit dem 30-Minuten-Saugwasser gleich gesetzt. Entsprechend der Wasseraufnahme von rezyklierten Zuschlägen ist hier der 10-Minuten-Saugwert geeignet, da dann bereits 90% des 24-Stunden-Saugwassers aufgenommen werden. Zum Vergleich mit dem Wasserzementwert von Beton nach DIN 1045 und den damit verbundenen zulässigen Werten kann der "wirksame Wasserzementwert" (eff w/z-Wert) dienen. Als "wirksamer Wasserzementwert" , wird das Gewichtsverhältnis von Gesamtwasser abzüglich des Saugwassers zum Zementgehalt bezeichnet.
Mit rezyklierten Zuschlägen kann Beton der Festigkeitsklasse B 25 ohne besondere technologische Maßnahmen hergestellt werden. Ein Beton der Festigkeitsklasse B 35 erfordert zusätzliche Maßnahmen zur Sicherstellung der Konsistenz. Die Festigkeit des Ausgangsbetons hat praktisch keinen Einfluß auf die Festigkeit des damit hergestellten Betons. Für eine Abschätzung des E-Moduls kann man von einer Abminderung von 20 % bis 30 % ausgehen. Die Kriech- und Schwindwerte liegen um ca. 50 % höher.
Ein ausreichender Frostwiderstand ist bei Verwendung rezyklierten Zuschlags nur bei mäßiger Durchfeuchtung zu erwarten. Es sollte dann aber immer auf den Einsatz von Betonbrechsand verzichtet werden. Ein ausreichender Widerstand gegen Frost bei starker Durchfeuchtung ist vorerst nur erreichbar, wenn das Rezyklat die erhöhten Anforderungen an den Frostwiderstand (eF) erfüllt. Für den Einsatz von Beton mit rezyklierten Zuschlägen bei einer möglichen Einwirkung von Taumitteln fehlen z. Z. noch gesicherte Erkenntnisse.