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Betonherstellung aus Rezyklaten

Ein Projekt der Firma Mittelsdorf EAR verfolgt das Ziel, die mobile Herstellung rezyk-lierter Gesteinskörnungen für die Betonherstellung zu erreichen.

Bild 1: Gesamtansicht der Anlage mit Materialaufgabe, Brecher und Siebanlage.

Der Sekundärrohstoff „Bauschutt“ fällt im Unterschied zu natürlichen mineralischen Rohstoffen an einer Vielzahl von Standorten an. Inbegriffen sind Standorte, an denen ein Mangel an groben Gesteinskörnungen besteht und weite Distanzen für deren Transport zurückgelegt werden müssen. Diese Situation ist etwa für Norddeutschland typisch. Um die auf die Erstverwendung zurückgehende Verteilung als Vorteil zu nutzen, ist es erforderlich, Bauabfälle am Entstehungsort mobil aufzubereiten.

Als eine an vielen Standorten angesiedelte Verwertung bietet sich die Transportbetonherstellung unter Verwendung von Rezyklaten an. Um einen solchen Stoffkreislauf mit minimiertem Transportaufwand zu realisieren, muss die mobile Aufbereitung besonders im Hinblick auf die Abtrennung von Störstoffen ausgebaut werden. Gleichzeitig ist es erforderlich eine mobile Güteüberwachung einzuführen, um die Eignung der rezyklierten Gesteinskörnungen für die Betonherstellung fortlaufend zu kontrollieren. Beide Schwerpunkte wurden in einem von der Firma Mittelsdorf EAR umgesetzten Projekt bearbeitet.

Anlagenkonfiguration

Um das Projektziel – die mobile Herstellung rezyklierter Gesteinskörnungen für die Betonherstellung – zu errei-chen, kam eine Anlage für die Zerkleinerung und Klassierung von Bauschutt (Bild 1) zum Einsatz, die aus einer Brechereinheit mit Vorabsiebung, Überbandmagnet, Zwischenabsiebung und Überkornrückführung sowie einer Siebeinheit bestand. Für die Verbesserung der Qualität der Rezyklate war die Installation von folgenden Zusatzeinrichtungen notwendig (Bild 2):
Der Überlauf der Zwischenabsiebung wurde vor der Rückführung in den Brecher von einem gerichteten Luftstrom durchströmt, um leichte Störstoffe wie Folien, Papiere, und Dämmstoffe auszublasen.

Bild 2a: Schlitzdüse zum Ausblasen der Leichtstoffe.

Bild 2a: Schlitzdse zum Ausblasen der Leichtstoffe.

Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH
Bild 2b: Nassreinigung der Rezyklatfraktion 8/16 mm

Bild 2b: Nassreinigung der Rezyklatfraktion 8/16 mm

Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH

Die Splittfraktionen, die bei der Produktsiebung entstehen, wurden auf den abführenden Förderbändern einer Nassreinigung unterzogen, um an der Oberfläche der groben Körnungen haftende feine Partikel abzutrennen.

Als Prozessraum für diese zusätzlichen Verfahrensschritte wurden die vorhandenen Übergabestellen und Förderbänder der Anlage genutzt. Die Energieversorgung der Zusatzeinrichtungen übernahmen die vorhandenen Antriebsaggregate des Brechers und der Siebmaschine. Für die Ausblaseinrichtung und die Aufrechterhaltung des Wasserkreislaufs für den Waschprozess war eine zusätzliche Stromversorgung notwendig, die mit Hilfe eines Dieselgenerators erfolgte.

Eine weitere Voraussetzung für die Herstellung von rezyklierten Gesteinskörnungen für die Betonherstellung mittels mobiler Anlagentechnik ist die vom Hersteller vorzunehmende kontinuierliche Überwachung der Produktion. Damit wird sichergestellt, dass die hergestellten rezyklierten Gesteinskörnungen den Anforderungen der Normen [1], [2], [3] und den Vorgaben des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton [4] entsprechen. Für die werkseigene Produktionskontrolle wurde ein Laborcontainer gebaut und mit den notwendigen Ausrüstungen versehen. Vorhanden sind ein Trockenschrank, Waagen und eine Siebmaschine inklusive der erforderlichen Siebe (Bild 3).

Bild 3: Innenansicht des Laborcontainers.Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH

Die notwendige Typ-Prüfung (bisher Erstprüfung) und die werkseigene Produktionskontrolle werden für je-weils 5.000 t Material vorgenommen. Die Typ-Prüfung umfasst die Bestimmung der stofflichen Zusammenset-zung, der Korngrößenverteilung, des Gehaltes an Feinanteilen und der Kornformkennzahl sowie die erstmalige Überprüfung der Umweltverträglichkeit zu Beginn der Herstellung. Bis auf Letztere können alle Untersuchungen im Laborcontainer vorgenommen werden.

Qualität der Gesteinskörnungen

Um nachzuweisen, dass auch mit einer mobilen Aufbereitung die zur Betonherstellung erforderlichen Qualitäten erreicht werden können, wurden die erzeugten Gesteinskörnungen umfangreichen Untersuchungen unterzogen. Dabei lag der Schwerpunkt auf den Körnungen 4/8 mm, 8/16 mm und 16/32 mm (Bild 4), die anschließend für die Betonherstellung eingesetzt wurden. Deren stoffliche Zusammensetzung, die mittels Sortieranalyse ermittelt wurde, zeigte, dass alle an die Zusammensetzung von rezyklierten Gesteinskörnungen vom Typ 1 gestellten Anforderungen eingehalten wurden (Bild 5 und 6). Die hohe Sortenreinheit ist zum einen auf den sorgfältigen selektiven Rückbau zurückzuführen. Bereits bei der Anlieferung enthielt das Abbruchmaterial nur geringe Mengen an mineralischen Fremdbestandteilen. Zum anderen bewirkten die installierten Zusatzeinrichtungen weitere Verbesserungen.

Bild 4a: Fraktion aus der Produktsiebung 4/8 mm nach der Wsche und Windsichtung.Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH
Bild 4b: Fraktion aus der Produktsiebung 8/16 mm nach der Wsche und Windsichtung.Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH
Bild 4c: Fraktion aus der Produktsiebung 16/32 mm nach der Windsichtung.Foto: Foto: IAB Weimar gGmbH

Im Gegensatz zu vielen im Straßenbau verwendeten Recycling-Baustoffen, die zum Teil einen beträchtlichen Anteil an natürlichen Gesteinskörnungen enthalten, war dieser Anteil bei den hier untersuchten Rezyklaten gering. Partikel aus Beton dominierten und waren eigenschaftsbestimmend. Das zeigten auch die Rohdichten und Wasseraufnahmen, die in dem für Betonrezyklate typischen Bereich lagen. Nach einer Literaturübersicht [5] bewegen sich die Rohdichten in Abhängigkeit vom Zementsteingehalt zwischen 2.000 kg/m³ für zementsteinreiche Rezyklate und 2.400 kg/m³ für solche mit Zementsteinanhaftungen unter 20 Masse-%.

Bild 5: Gehalte der Hauptbestandteile der rezyklierten Gesteinskrnungen.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Die granulometrischen Parameter Korngrößenverteilung und Kornform wurden sowohl mittels Siebung als auch fotooptisch gemessen. Den Ergebnissen beider Methoden war zu entnehmen, dass die erzeugten Körnungen sehr enge Verteilungen aufwiesen, die teilweise von den deklarierten Bereichen abwichen. Da die tatsächlichen Verteilungen in die Entwicklung der Betonrezepturen eingingen, ist das ohne Belang. Die Kornform und der Gehalt an Fein-anteilen lt; 0,063 mm entsprachen den Anforderungen.

Der Einfluss der Zusatzeinrichtungen auf die Qualität der erzeugten Gesteinskörnungen kann am deutlichsten an der groben Körnung abgelesen werden. Das Volumen an schwimmendem Material wurde verringert und ging von 3,9 cm³/kg auf 1,5 cm³/kg zurück (Bild 6). Die Feinkornanteile waren bereits ohne die zusätzlichen Sortierschritte gering, wurden durch die Wäsche aber noch verbessert (Bild 7).

Bild 6: Gehalte der Nebenbestandteile der rezyklierten Gesteinskrnungen.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH
Bild 7: Feinkornanteile der rezyklierten Gesteinskrnungen, jeweils ohne und mit zustzlicher Reinigung.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Der Widerstand von Rezyklaten gegen Frost-Tau-Wechsel wird ermittelt, indem die Gesteinskörnungen nach einer 24-stündigen Wasserlagerung einer 10-maligen Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchung unterzogen werden. Im Anschluss wird der Masseverlust der Körnungen durch frostinduzierte Absplitterungen bestimmt. Die an zwei Rezyklaten gemessenen Absplitterungen betrugen
Körnung 4/8 mm mit Windsichtung, mit Wäsche: 2,8 Masse-%
Körnung 8/16 mm mit Windsichtung, mit Wäsche. 7,6 Masse-%

Als Regelanforderung an Rezyklate gilt die Kategorie F 4, in welcher der Masseverlust nicht mehr als 4 Masse-% betragen darf. Diese Anforderung erfüllte nur die Körnung 4/8 mm. Bekannt ist, dass der Frostwiderstand von Betonrezyklaten ungünstiger als der von natürlichen Gesteinskörnungen ist, weil die Rezyklate zusätzlich zu den Gesteinskörnungen des Primärbetons noch Zementstein enthalten [5]. Die mit dem Zementstein eingetragene Porosität bewirkt eine erhöhte Wasseraufnahme und verursacht stärkere Abwitterungen beim Einwirken von Frost.

Bild 8: Zusammensetzung der im Labormastab hergestellten Betone.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Verwendung von Rezyklaten

Um die Eignung der hergestellten Rezyklate als Gesteinskörnung im Beton nachzuweisen, wurden sie an einen Transportbetonhersteller zur weiteren Untersuchung übergeben [6]. Das mehrstufige Versuchsprogramm umfasste
die Entwicklung der Betonrezepturen,
die Herstellung und Untersuchung der Betone sowie
die Erprobung ausgewählter Rezepturen unter Werksbedingungen.

Zunächst wurden unter Berücksichtigung der zulässigen Festigkeitsklassen und Einsatzgebiete gemäß der Richtlinie des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton fünf Betonsorten ausgewählt und entsprechende Rezepturen entwickelt (Bild 8). Rezyklate der Korngruppen 4/8 mm und 8/16 mm ersetzten 35 Volumen-% der natürlichen Gesteinskörnungen. Dieser Anteil entspricht der zulässigen Zugabemenge beim Einwirken von Frost-Tau-Wechseln oder bei schwachem chemischem Angriff. Bei den Betonrezepturen für die moderateren Expositionsklassen wäre ein Rezyklatanteil von 45 Volumen-% möglich gewesen. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurde dieses Potenzial nicht ausgeschöpft. Die Menge des zugegebenen Zements CEM II/A-LL 32,5 variierte zwischen 180 und 365 kg/m³. Der Grenzwert von 350 kg/m³, der eingehalten werden muss, wenn Rezyklate ohne Performanceprüfung hinsichtlich ihrer Alkali-Kieselsäure-Reaktivität verwendet werden und der Beton in feuchter Umgebung eingesetzt wird, wurde also geringfügig überschritten.

Bild 9: Ausbreitmae der Laborbetone.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Vor der Betonherstellung wurden die rezyklierten Gesteinskörnungen vorgenässt und bis zur weiteren Verarbeitung luftdicht gelagert. Die Feuchte der Rezyklate fand bei der Einwaage der benötigten Massen Berücksichtigung. Alle rezyklathaltigen Betonmischungen mit Ausnahme des auf eine steife Konsistenz eingestellten Betons C 8/10 waren homogen, zeigten keine Blutneigung und wiesen eine sehr weiche Konsistenz auf. Das Rücksteifen bewirkte eine Abnahme des Ausbreitmaßes, die aber nur im Fall des Betons C 25/30 deutlich über der des Referenzbetons lag (Bild 9). Alle Betone blieben nach 60 Minuten gut verdichtbar.

Die Druckfestigkeiten der Rezyklatbetone C 25/30 und C 30/37 lagen nach zwei Tagen Erhärtungsdauer über der des Referenzbetons (Bild 10). Ab dem siebten Tag waren die Festigkeiten identisch. Im Vergleich zu den anderen Betonen mit Rezyklatzusatz hatte der Beton C 20/25 infolge des höheren Wasser-Zement-Wertes eine geringere Festigkeit. Die geringen Unterschiede zwischen den Betonen C 25/30 und C 30/37 lassen eine Verringerung der Zementmenge auf 350 kg/m² möglich erscheinen. Eine Performanceprüfung könnte dann entfallen.

Bild 10: Druckfestigkeiten der Laborbetone.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Die an den Betonen der Festigkeitsklasse C 30/37 gemessenen E-Moduli waren mit 25.800 N/mm² für den Rezyklatbeton und 25.600 N/mm² für den Beton mit natürlichen Gesteinskörnungen nahezu identisch. Der mehrfach nachgewiesene Sachverhalt [5], dass Betone mit rezyklierten Gesteinskörnungen geringere E-Moduli als solche mit natürlichen Gesteinskörnungen aufweisen, trat hier nicht auf. Möglich ist, dass die potenzielle Abnahme des E-Moduls als Folge des in den Rezyklatbeton eingebrachten zusätzlichen, alten Zementsteins durch die bekannte Zunahme des E-Moduls bei Verwendung von gebrochenen Gesteinskörnungen aufgewogen wird.

Der Frostwiderstand des Rezyklatbetons C 30/37 wurde mit dem CIF-Verfahren ermittelt. Als Bewertungskriterien dienten die Abwitterungsmenge und die Veränderung des dynamischen E-Moduls nach 28 Frost-Tau-Wechseln. Die Abwitterungsmenge lag mit 173 g/m² weit unter dem Grenzwert von 1.000 g/m². Dennoch trat mit 54 % eine deutliche Abnahme des dynamischen E-Moduls auf. Ähnliche Ergebnisse wurden von Bödefeld und Reschke [7] an Rezyklatbetonen ermittelt. Eine systematische Untersuchung und Begründung der Ursachen steht noch aus.

Um die Ergebnisse der Laborversuche zu überprüfen, wurden die Rezyklatbetone C 20/25 und C 30/37 unter baupraktischen Bedingungen in einer Transportbetonanlage hergestellt und in Flächenschalungen 3,00 m x 3,00 m x 0,25 m eingebracht. Während des Einbringens wurden Proben für Frisch- und Festbetonprüfungen entnommen. Zusätzlich wurden aus den hergestellten Elementen nach 28 Tagen Bohrkerne gezogen, um das Gefüge visuell zu beurteilen und die Druckfestigkeit zu bestimmen. Beide Betone enthielten 35 Masse-% rezyklierte Gesteinskörnungen, technisch bedingt allerdings nur aus der Korngruppe 8/16 mm. Die Zementgehalte und die Wasser-Zement-Werte entsprachen denen der Laborversuche. Die Betone zeigten gute Verarbeitungseigenschaften. Die erreichten Festigkeiten lagen beim Beton C 20/25 unter denen der Laborversuche, während beim Beton C 30/37 übereinstimmende Festigkeiten nachgewiesen werden konnten. Der E-Modul des baupraktisch hergestellten Rezyklatbetons C 30/37 lag mit 24.600 N/mm² ebenfalls nur wenig unter dem des im Labormaßstab hergestellten Betons.

Die anhand der Bohrkerne ermittelten 28-Tage-Druckfestigkeiten lagen etwas unter den Druckfestigkeiten, die an den Würfeln gemessen wurden, die aus den Werksmischungen hergestellt wurden. Sie bestätigten aber die projektierten Festigkeitsklassen.

Bild 11: Druckfestigkeiten der Laborbetone aus den Werksmischungen.Foto: Grafik: IAB Weimar gGmbH

Schlussfolgerungen

Die Herstellung rezyklierter Gesteinskörnungen für die Betonherstellung ist auch mittels mobiler Anlagentechnik möglich. Mindestvoraussetzung ist, dass der Brecheranlage eine mobile Siebeinheit folgt, in welcher die benötigten Fraktionen erzeugt werden. Die erforderliche Sortenreinheit kann durch einen selektiven Rückbau vorbereitet und durch eine Sichtung und eine Wäsche, die in den Aufbereitungsablauf integriert sind, verbessert werden. Mit den so hergestellten rezyklierten Gesteinskörnungen sind Betone bis zur Festigkeitsklasse C 30/37 herstellbar, die sowohl bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit als auch hinsichtlich ihrer Festigkeitsentwicklung gute Ergebnisse aufweisen. AUTOREN: PETER MITTELSDORF, ANDREAS KASCHADT (BEIDE MITTELSDORF RECYCLING BREITUNGEN) UND ANETTE MÜLLER, STEFFEN LIEBEZEIT (BEIDE IAB WEIMAR GGMBH).

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