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Sekundärrohstoffe zur Betonherstellung - Eigenschaften und Eignungsbewertung

Katrin Rübner, Tristan Herbst, Petra Jakubcová

Fachgruppe Baustoffe, Abteilung Bauwerkssicherheit

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

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Reststoffe – Anfall und Verwertungswege

Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung

Beispiel 1: Blähgranulat als leichte Gesteinskörnung

Beispiel 2: Filterrückstand als Betonzusatzstoff

Zusammenfassung

Sekundärrohstoffe zur Betonherstellung - Eigenschaften und Eignungsbewertung

Katrin Rübner, Tristan Herbst, Petra Jakubcová

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Bau46 % Bergbau

34 %

Deponie13 %

Beton + Zement5 %Sonstiges

2 %

Verbleib der Abfälle

256 Mio. Tonnen pro Jahr mineralische Abfälle in Deutschland

Quelle: G. Dehoust, UFOPLAN-Bericht 204 33 325, Dessau 2007 + Datensammlung BAM, Berlin 2006

Reststoffe – Anfall und Verwertungswege

Reststoffe – Anfall und Verwertungswege

Gesteinskörnung Beton- und MörtelzusatzZusatzstoff, Zusatzmittel, Fasern

ZementHaupt- + Nebenbestandteil,

(Zumahlstoff), Spezialbindemittel

• nach DIN EN 15167-1 undDIN EN 197-1Hüttensand

• nach DIN EN 13263-1 undDIN EN 197-1Silikastaub

• nach DIN EN 197-1 undDIN EN 450-1Steinkohlenflugasche

• nach DIN EN 197-1GesteinsmehlREA-Gips

• nach DIN EN 12620 undDIN 4226-100rezyklierte Gesteinskörnungungemahlener HüttensandSchmelzkammergranulatkristalline Hochofenstück-schlacke

• nach DIN EN 13055-1ZiegelsplittBlähglasKesselsand Hüttenbims

• mit ZulassungMetallhüttenschlackeRostasche

• nach DIN EN 450-1Steinkohlenflugasche

• nach DIN EN 13263-1Silikastaub

• nach DIN EN 15167-1Hüttensandmehl

• nach DIN EN 12620Gesteinsmehl

• mit ZulassungBraunkohlenflugasche

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Gesteinskörnung Beton- und MörtelzusatzZusatzstoff, Zusatzmittel, Fasern

ZementHaupt- + Nebenbestandteil,

(Zumahlstoff), Spezialbindemittel• nach DIN EN 15167-1 und

DIN EN 197-1Hüttensand

• nach DIN EN 13263-1 undDIN EN 197-1Silikastaub

• nach DIN EN 197-1 undDIN EN 450-1Steinkohlenflugasche

• nach DIN EN 197-1GesteinsmehlREA-Gips

• nach DIN EN 12620 undDIN 4226-100rezyklierte Gesteinskörnungungemahlener HüttensandSchmelzkammergranulatkristalline Hochofenstück-schlacke

• nach DIN EN 13055-1ZiegelsplittBlähglasKesselsand Hüttenbims

• mit ZulassungMetallhüttenschlackeRostasche

• nach DIN EN 450-1Steinkohlenflugasche

• nach DIN EN 13263-1Silikastaub

• nach DIN EN 15167-1Hüttensandmehl

• nach DIN EN 12620Gesteinsmehl

• mit ZulassungBraunkohlenflugasche

Reststoffe – Anfall und Verwertungswege

gemischter Bauschutt, Mauerwerkbruch, Brechsand, Hausmüllverbrennungs-asche, Biomasseasche, Papierschlamm, Klärschlamm, Rückstände aus Industrieabwasser, Gießereirestsand, Katalysatorabfall, Braunkohlenflugasche

4 mm50 cm 4 mm

Foto: K. Weimann

Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung

Grundlagen der Eignungsbewertung

europäische Produktnormen für Bauprodukte (Baustoffe)

nationales Regelwerk = Anwendungsnorm

Bauregelliste BRL (zusätzliche Anforderungen für Deutschland, z.B. Nachweis der Umwelt-verträglichkeit in allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung)

Für RC-Baustoffe, die von keiner europäischen oder nationalen Normerfasst werden, ist für die Verwendung im Beton generell eine allgemeinebauaufsichtliche Zulassung durch das DIBt notwendig.

Festlegungen zu Prüfungen (Art, Durchführung und Umfang) undErgebnisbewertung auf Grundlage von Normen, DIBt-Zulassungs-grundsätzen, DAfStb-Richtlinien durch den Sachverständigenausschuss

Anamnese zur Historie, Herkunft und Herstellungder Sekundärrohstoffe bzw. der damit hergestellten Bauprodukte

Untersuchungen von Umweltverträglichkeit undgesundheitlicher Unbedenklichkeit

Analyse der Gleichmäßigkeit, Unschädlichkeit und Wirksamkeit der Recyclingstoffe

Einsatz im Beton und Ermittlung der Frisch- und Festbetoneigenschaftenunter Berücksichtigung von Festigkeits- und Expositionsklassen

Nachweis der Dauerhaftigkeit des Betons(Schwinden, Frostwiderstand, Karbonatisierungswiderstand, Alkaliempfindlichkeitsklasse)

Betontechnologische Untersuchungen zum Nachweis der bautechnischen Eigenschaften

Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Beispiele

1 cm2 mm

Filterrückstand

• Rückstand aus Aufbereitung vonAbwässern der Kieselsäureproduktion

• Material als feuchter Filterkuchen odertrockenes Granulat < 2 mm

• Deponierung, Tagebauverfüllung Betonzusatzstoff in Anlehnung an

DIN EN 13263-1 + DIBt-Zulassungs-grundsätze „Anorganische Beton-zusatzstoffe"

Blähgranulat

• Herstellung aus Mauerwerkbruch überthermischen Prozess

• Material der Körnung 2-4 und 4-8 mm

• Deponierung (Mauerwerkbruch) leichte Gesteinskörnung nach

DIN EN 13055-1 für die Herstellungvon Beton nach DIN EN 206-1 undDIN 1045-2

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Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Blähgranulat 2-4 mm Blähgranulat 4-8 mm

Herstellung aus Mauerwerkbruch Zerkleinern

Aufmahlen

Homogenisieren mit Porosierungsmittel SiC

Agglomeration

Brennprozess

A. Schnell: Aufbaukörnungen aus heterogenem Abbruchmaterial, R‘10

0102030405060708090

100

pH s Cl- SO4 As Pb Cd Crges Cu Ni V Zn

BG 2-4 mm

BG 4-8 mm

Ant

eil v

om G

renz

wer

t in

%

Cl- SO42- Crges

Eluatuntersuchung der Blähgranulate(Grenzwerte nach DIBt-Zulassungsgrundsätzen LAGA 20 für Z2)

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Zulassungsgrundsätze für die Bewertung der Auswirkungen vonBauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile 1-3,Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Mai 2009

Bewertung: - chemische Zusammensetzung der Bauprodukte- jeweils im vorgesehenen Anwendungsfall durch Einwirkung von

Wasser eluierbare Inhaltsstoffe und deren mögliche Auswirkungenauf die Beschaffenheit von Boden und Grundwasser

µg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lmg/lmg/lµS/cm

400300100200100510050600150300012,5

R’10, Weimar

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Gleichmäßigkeit der Produkteigenschaften (Umweltverträglichkeit undbautechnische Eigenschaften)

Einfluss der Variationsbreite der Ausgangsstoffe auf die Produkt-eigenschaften

insgesamt 24 Einzelproben je Hersteller

Mauerwerkbruch8‐32 mm

3 Monate12 KW

Mauerwerkbruch0‐8 mm

Woche1KW

1 Monat4 KW

Probenahmeplan Mauerwerkbruch

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN 13055-1 chemische Eigenschaften DIN EN 1744-1 Schüttdichte 1097-3, Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN 1097-6,

Reindichte + Porosität DIN 66137 weitere mechanische, physikalische und thermische Eigenschaften

DIN EN 1097, DIN EN 1367

0,1 0,2 0,2 0,2 0,2

99,0

0,2 0,4 0,4 0,4

100

1,90,5

11,2

0,4

100

020406080

100

0,06 0,13 0,25 0,50 1,0 2,0 4,0 8,0 16,0 31,5 63,0Korngröße in mm

Sie

bdur

chga

ng in

%

BG 2-4 mm

BG 4-8 mm

Sieblinie der Blähgranulate

Sieb

durc

hgan

g in

%

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Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN 13055-1 chemische Eigenschaften DIN EN 1744-1 Schüttdichte 1097-3, Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN 1097-6,

Reindichte + Porosität DIN 66137 weitere mechanische, physikalische und thermische Eigenschaften

DIN EN 1097, DIN EN 1367

0

2

4

6

8

Blähgranulat A L

Korn

festig

keit i

n N/m

2-4 mm 4-8 mm

Kor

nfes

tigke

it in

N/m

m²

Kornfestigkeit der Blähgranulate(Vergleichsmaterial handelsüblicher Blähton)

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600Zeit in min

A 2-4 mm A 4-8 mmL 2-4 mm L 4-8 mmBG 2-4 mm BG 4-8 mm

Was

sera

ufna

hme

in %

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN 13055-1 chemische Eigenschaften DIN EN 1744-1 Schüttdichte 1097-3, Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN 1097-6,

Reindichte + Porosität DIN 66137 weitere mechanische, physikalische und thermische Eigenschaften

DIN EN 1097, DIN EN 1367

Wasseraufnahme der Blähgranulate(Vergleichmaterial handelsüblicher Blähton)

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600Zeit in min

A 2-4 mm A 4-8 mmL 2-4 mm L 4-8 mmBG 2-4 mm BG 4-8 mm

Was

sera

ufna

hme

in %

Wasseraufnahme der Blähgranulate(Vergleichsmaterial handelsüblicher Blähton)

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN 12350 Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN 12390-7, DIN 66137 Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN 12390-4 dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN 12390-2

Druckfestigkeit der Betone mit Blähgranulat als Gesteinskörnung

0

10

20

30

40

50

7 d 28 d 56 d

BG L A

Dru

ckfe

stig

keit

in N

/mm

²

Sieblinie A/B 8 mit 0-2 mm Sand, 2-4 und 4-8 mm leichter GesteinskörnungCEM I 32,5 R, 450 kg/m³, Konsistenz F4w/z = 0,50 und Absorptionswasser 70-80 % der 60 min-Wasseraufnahme

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

1 3 7 14 21 28

Zeit in Tagen

L A BG

-0,67Läng

enän

deru

ng in

mm

/m

Schwindverhalten der Betone mit Blähgranulat als GesteinskörnungR’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Blähgranulat

Frostwiderstand DIN EN 13055-1, DIN CEN/TS 12390-9 Karbonatisierungswiderstand DIN CEN/TS 12390-10 Schwindverhalten DIN 52450 Alkaliempfindlichkeitsklasse DAfStb Alkali-Richtlinie

Filterrückstand

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Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Abwasser aus der Produktion vonKieselsäuren

beim Neutralisieren mit H2SO4/MgO fälltKieselsäure aus

Eindicken und Abpressen des Filterprodukts

0102030405060708090

100

pH s As Pb Cd Crges Cu Ni Hg Zn TOC PI

Ante

il vom

Gre

nzwe

rt in

%

Crges

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Zulassungsgrundsätze für die Bewertung der Auswirkungen vonBauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile 1-3,Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Mai 2009

Filterrückstand

Eluatuntersuchung des Filterrückstands(Grenzwerte nach TA Siedlungsabfall)

µg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµg/lµS/cm

0,220,02,00,0050,21,00,050,050,20,21000013

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Filterrückstand Gleichmäßigkeit der Produkteigenschaften

Wirksamkeit als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrund-sätze, DIN EN 13263-1

Aktivitätsindex nach DIN EN 13263-1

%10028),%100(Pr

28),%10%90(Pr

dCEMisma

dKFRCEMisma

ff

INDEXAKTIVITÄTS

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Gleichmäßigkeit der Produkteigenschaften

Wirksamkeit als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrund-sätze, DIN EN 13263-1

Filterrückstand

0

1

2

3

4

5

0 6 12 18 24 30 36 42 48Zeit (h)

Wär

mef

reis

etzu

ngsr

ate

(mJ/

s g)

Referenzmischung w/z = 0,510 % FS w/b = 0,5

Einfluss des Filterprodukts auf die Wärmefreisetzungsratevon Zementleim (bzgl. Bindemittelgehalt)

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Gleichmäßigkeit der Produkteigenschaften

Wirksamkeit als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrund-sätze, DIN EN 13263-1

Filterrückstand

0

50

100

150

200

250

300

350

400

12 h 1 d 2 d 4 d 7 dAlter

Hyd

rata

tions

wär

me

(J/g

)

Referenz w/z = 0,510 % FS w/b = 0,5

Einfluss des Filterprodukts auf die Hydratationswärmevon Zementleim (bzgl. Zementgehalt)

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

chemische Eigenschaften DIBt-Zulassungsgrundsätze, DIN EN 13263-1,DIN 51729, DIN EN 196-2

Korngrößenverteilung DIN EN 933-10 + Feinheit DIBt-Zulassungsgrundsätze spezifische Oberfläche DIN ISO 9277, DIN EN 196-6 + Wasseraufnahme Erstarren + Raumbeständigkeit DIN EN 196-3

Filterrückstand

Chemische und physikalische Eigenschaften des Filterrückstands

Eigenschaft Dichte in g/cm³

Spez. Oberfläche

in m²/g

Mesoporen-volumen in cm³/g

Häufigster Porenradius

in nm

Filterprodukt 2,35 196 0,77 16

Filterprodukt aufbereitet 2,26 289 0,90 15

Grenzwert* -- > 18 < 25 -- --

* DIBt-Zulassungsgrundsätze

Bestandteil in M.-% SiO2 MgOges CaOges SO3 K2O/Na2O Cl- G

Filterprodukt 72,46 4,68 1,45 5,60 1,66 0,44

Filterprodukt aufbereitet 80,20 4,53 1,78 0,17 0,35 0,03

Grenzwert* -- 7,0 20,0 1,5-3,5 4,5 0,1-0,3

Druckfestigkeit der Mörtel mit Filterrückstand als Betonzusatzstoff

Normsand, CEM I 32,5 R, 5 -10 % FR, Bindemittel 450 kg/m³,w/b = 0,50, FM 21

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN 12350-5 und 6 Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN 12390-7, DIN 66137 Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN 12390-4 dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN 12390-2

Filterrückstand

-1,0

-0,6

-0,2

0,2

1 2 7 14Alter in

0 % 5 %-1,0

-0,6

-0,2

0,2

1 2 7 14 21 28 56 90Alter in Tagen

0 % 5 % 10 % KFR

Mörtel

Läng

enän

deru

ng in

mm

/m

Schwindverhalten der Mörtel mit Filterrückstand als Betonzusatzstoff

Anamnese

Umwelt-verträglichkeit

GleichmäßigkeitWirksamkeit

Frisch-/Festbeton-eigenschaften

Dauerhaftigkeit

bautechnischeEigenschaften

Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN 12350-5 und 6 Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN 12390-7, DIN 66137 Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN 12390-4 dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN 12390-2 Frostwiderstand DIN EN 13055-1, DIN CEN/TS 12390-9 Karbonatisierungswiderstand DIN CEN/TS 12390-10 Schwindverhalten DIN 52450 Alkaliempfindlichkeitsklasse DAfStb Alkali-Richtlinie

Filterrückstand

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Fazit

Einsatz von Sekundärrohstoffen im Beton leistet Beitrag zum nachhaltigen Bauen Schonung natürlicher Ressourcen Reduzierung Deponiefläche und -kosten

für Einsatz von RC-Baustoffen Eignungsprüfung notwendig (Umweltverträglichkeit,bautechnische Eignung, Verhalten im Beton)

vorgestelltes Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

R’10, Weimar katrin.ruebner@bam.de

Projekt „Aufbaukörnungen“

2009-2012, Förderkennzeichen 033R015D

Projekt „NanoKiesel“

2010-2012, Förderkennzeichen 03X0081J