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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 [email protected]
______________________________________________________________
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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
R’10, Weimar [email protected]
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 [email protected]
R’10, Weimar [email protected]
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
%
R’10, Weimar [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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
R’10, Weimar [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
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 [email protected]
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
R’10, Weimar [email protected]
Projekt „Aufbaukörnungen“
2009-2012, Förderkennzeichen 033R015D
Projekt „NanoKiesel“
2010-2012, Förderkennzeichen 03X0081J