Aktuelle Ergebnisse aus dem im HighTechMatBau geförderten BMBF Forschungsvorhaben R Beton

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1 Aktuelle Ergebnisse aus dem im HighTechMatBau geförderten BMBF Forschungsvorhaben R Beton Prof. Dr. Ing. Wolfgang Breit Dipl. Ing. Julia Scheidt Förderkennzeichen 13N12119 bis 13N13125 Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen Gottlieb Daimler Straße Kaiserslautern Telefon 0631/ Telefax 0631/ Rezyklierte Gesteinskörnung für Beton Quelle: Scherer & Kohl Quelle: reinierdejong.files.wordpress.com/2010/11/beton.jpg Stoffströme Aufbereitung Charakterisierung der rezyklierten Gesteinskörnung Anforderungen an Gesteinskörnung für Beton Handling 1

2 Rezyklierte Gesteinskörnung für Beton Ermittlung praxisrelevanter Stoffströme Stoffströme Quelle: Deilmann, Krauß, Gruhler, Reichenbach 2014 Nass und Trockenaufbereitung Aufbereitung der Gesteinskörnung Trockenaufbereitung Windsichter 2

3 Nass und Trockenaufbereitung Aufbereitung der Gesteinskörnung Trockenaufbereitung zusätzliche optionale Nassaufbereitung Trocken / Nass Aufbereitung Vergleichende Untersuchungen von nass und trocken aufbereiteter grober Gesteinskörnung Mittlere Druckfestigkeit f c,dry,cube in MPa Nass aufbereitet Trocken aufbereitet % % % 7 Tage 14 Tage 28 Tage Nass Aufbereitung ist bei grober Gesteinskörnung betontechnologisch nicht notwendig Festigkeiten bei trocken aufbereiteter Gesteinskörnung tendenziell höher Typ 2 Betonalter 3

4 Charakterisierung der Gesteinskörnung Untersuchungen Stoffliche Zusammensetzung Sieblinie Kornform Rohdichte Verschleiß/ Zertrümmerung Frost Wasseraufnahme Umweltverträglichkeit Einstufung nach AKR Richtlinie DIN EN E DIN DIN EN 206 / DIN 1045 DAfStb Richtlinie Beton mit GK DAfStb Richtlinie AKR Charakterisierung der Gesteinskörnung Umweltverträglichkeitsprüfung Umweltverträglichkeitsprüfungen Auswahl und Charakterisierung von Materialien Betonbruch, trocken bzw. nass aufbereitet Ziegelbruch, trocken, bzw. nass aufbereitet Gemischte Gesteinskörnungen R Zement Frischbetonrezyklat Durchführen von Screening Tests an den Materialien Schütteltest ph stat Versuch Trogversuch Säulenversuch Korrelation mit dem Auslaugverhalten in Beton Langzeitstandtest (DSLT) Dynamic Surface Leaching Test 4

5 Zusammenfassung und Ergebnisse Korrelation zwischen den Screening Tests und Langzeitstandtest Eluatkonzentration im Screeningtest in µg/l 25 Charakterisierung der Gesteinskörnung Umweltverträglichkeitsprüfung R² = 0, Cu Cr V Pb B Zn 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Freisetzung im DSLT nach 64 d in mg/m² Hälfte der Untersuchungen abgeschlossen Anhand der Daten ist bisher keine parameter bzw. versuchsspezifische Korrelation zwischen den Screening Tests und dem Langzeitstandtest (DSLT) festzustellen Auslaugverhalten von Beton wird maßgeblich vom Bindemittel beeinflusst, nicht jedoch von der eingesetzten Gesteinskörnung Charakterisierung der Gesteinskörnung Umweltverträglichkeitsprüfung Feine Gesteinskörnung und nach LAGA_M20: 2003 ph Wert 7 12,5 Chrom ges entspricht dem zugelassenen Höchstwert in rezyklierter Gesteinskörnung für die Anwendung in Beton nach E DIN 4226 Umweltanforderungen und Liefertypen (gemäß DIN EN 12620) elektr. Leitfähig. Chlorid Sulfat Arsen Kupfer Nickel Quecksilber Zink Blei Phenolindex Cadmium ph Wert 5

6 Charakterisierung der Gesteinskörnung Umweltverträglichkeitsprüfung Feine Gesteinskörnung und nach LAGA_M20: 2003 S 1, AS 0,8, gefordert nach DAfStb_2010 KW PAK nach EPA EOX Gesamt Schwefel säurelösl. Sulfate 1 wasserlösl. Sulfate 2 S 1 AS 0,2 SS 0,2 AS 0,8 SS 0,7 PCB wasserlösl. Chloride max. 0,042 Grobe Gesteinskörnung Keine Überschreitungen der Grenzwerte nach E DIN AS 0,8 = max. 0,8 M.%: B 0/3 T_L2 = 1,35 M.%, M 0/3 N_L2 = 0,97 M.% 2 SS 0,2 = max. 0,2 M.%: M 0/3 T_L2 = 0,29 M.% und N_L2 = 0,46 M.% Gesteinskörnung < 2 mm A A: Verwendung im Beton B: Verwendung im Zement Nebenbestandteil (< 5 %) Hauptbestandteil (> 10 %) B 6

7 Gesteinskörnung < 2 mm Eigenschaften der R Zemente mit 10 M. % Brechsandmehl Druckfestigkeit in MPa Tage 28 Tage Normmörtel mit w/z = 0,50 R Zemente mit 10 M. % grob gemahlenem Brechsand 0/4 aus trockener Aufbereitung sowie CEM I 42,5 R 0 Referenz C R Zement 10 UTG C R Zement 10 CTG 10 M. % Kalkstein Brechsand aus Brechsand aus und CEM I 42,5 R Gleisschotter Bahnschwellen Gesteinskörnung < 2 mm Betonuntersuchungen Frost Tau Widerstand Würfelverfahren z = 300 kg/m 3 w/z = 0,60 Referenzzement 10 M. % Kalkstein und CEM I 42,5 R f c,28d 40,1 MPa R Zement mit Brechsand 40,6 MPa aus Gleisschotter R Zement mit Brechsand 37,7 MPa aus Bahnschwellen R Zemente mit 10 M. % grob gemahlenem Brechsand 0/4 aus trockener Aufbereitung sowie CEM I 42,5 R 7

8 Gesteinskörnung < 2 mm A Untersuchungen stehen noch aus A: Verwendung im Beton B: Verwendung im Zement Nebenbestandteil (< 5 %) Hauptbestandteil (> 10 %) B Charakterisierung der groben Gesteinskörnung Streubereich der Kornrohdichte von rezyklierter grober Gesteinskörnung 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 Kornrohdichte in Mg/m 3 ssd rd 2/8 8/16 2/8 8/16 Betonbruch Referenz 1,6 2/8 8/16 Mauerwerkbruch DIN EN ssd rd mm Rohdichte auf wassergesättigter und oberflächentrockener Basis Rohdichte auf ofentrockener Basis 8

9 Charakterisierung der groben Gesteinskörnung Streubereich der Wasseraufnahme von rezyklierter grober Gesteinskörnung Wasseraufnahme in M. % 2/8 mm 8/16 mm Mauerwerkbruch 5 Minuten 10 Minuten 24 Stunden 2/8 mm 8/16 mm Betonbruch DIN EN Schwankungen müssen über die Betontechnologie kompensiert werden Kornrohdichte und Wasseraufnahme der Gesteinskörnung muss berücksichtigt werden Erfordert abgestimmtes Handling bei der Betonherstellung R Zusatzmittel A Quelle: michelle-hall.weebly.com B A: R Zusatzmittel B: Reduzierung der Wasseraufnahme der GK Konsistenzhaltung über die Zeit (TB Anwendung) Wechselwirkungen 9

10 R Zusatzmittel Neue(s) hochleistungsfähige Zusatzmittel für R Beton Ausbreitmaß f(t) und Druckfestigkeit Vergleichbare Dosierung führt zu fast gleichem zeitlichem Ausbreitmaß Konsistenz über 90 Minuten stabil Druckfestigkeit durch Zusatzmitteleinsatz leicht gesteigert R Zusatzmittel Zusatzmittel zur Verringerung der Wasseraufnahme Fall 1 Fall 2 Fall 3 Additiv Sprühen, Tauchen, etc. Oberflächenbehandlung Additivzugabe zur GK (Vormischen) Mischen Zusatzmittelzugabe im Mischprozess Mischen 10

11 Definition Anteil rezyklierter Gesteinskörnung DAfStb Richtlinie Beton nach DIN EN und DIN mit rezyklierten Gesteinskörnungen nach DIN EN (2010/09) Definition Anteil rezyklierter Gesteinskörnung DAfStb Richtlinie Beton mit Gesteinskörnung Grobe GK bezogen auf GK gesamt bezogen auf grobe GK 60% W0 XC1 Typ 1 45% 75% WF X0, XC1-4 Typ 1 45% 75% WF XF1,XF3 Typ 1 35% 58% WF XA1 Typ 1 25% 42% W0 XC1 Typ 2 35% 58% WF X0, XC1-4 Typ 2 35% 58% WF XF1,XF3 Typ 2 25% 42% WF XA1 Typ 2 25% 42% Grobe GK 15% 15% 25% 35% 25% 25% 35% 25% 35% Feine GK d<2mm Feine GK 11

12 Definition Anteil rezyklierter Gesteinskörnung Ziel des BMBF Forschungsvorhabens R Beton Grobe GK bezogen auf GK gesamt bezogen auf grobe GK 60% Typ 1 60% 100% Typ 2 60% 100% Typ 1 60% 100% Laufende Untersuchungen bezogen auf grobe GK Feine GK d<2mm 100% Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von Gesteinskörnung im Beton Erhöhte Anteile GK > 2 mm im Beton (Typ 1 und Typ 2) Bemessungsansätze nach Eurocode 2 Festigkeitsklasse bis C 50/60 Verwendung GK < 2 mm Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von GK bezüglich Zusammensetzung, Einsatzmengen und Betonfestigkeitsklassen 12

13 Betonzusammensetzung Basis/Ausgangs Betonzusammensetzung 300 kg/m³ CEM II/B S 42,5 N 107 kg/m³ Flugasche 189 kg/m³ Wasser w/b = 0,55 Rheinsand 0/2 mm Größtkorn 16 mm Zusatzmittel Zielkonsistenz F4 mit FM über 90 Minuten Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit Druckfestigkeit in MPa Referenz Typ 1, 75% Typ 1 100% Festbetonrohdichte in kg/m Druckfestigkeit Festbetonrohdichte 2350 Typ 2 50% Typ 2 100% Mit der Mischung kann praktisch der gesamte normalfeste Beton abgedeckt werden, nach unten und oben hinsichtlich Konsistenz und Druckfestigkeit genügend Spielraum. 13

14 Betonherstellung Mechanische Kenngrößen Typ % Ersatz grobe GK Übersicht Festigkeiten Typ 1 Festigkeit (Prüfalter) Xk (5 % Quantilwert) Vx (Variationskoeffizient) n (Anzahl Probekörper) 90 % BS 10 % MWS Druckfestigkeiten [MPa] Würfel (28d) 58,3 2,42% 30 Würfel nass (28d) 56,2 2,24% 27 Zylinder (31d) 50,0 2,48% 30 Spaltzugfestigkeiten [MPa] Zylinder (28d) 3,0 8,46% 15 Zylinder (29d) 3,1 6,75% 15 Biegezugfestigkeit [MPa] Balken (28d) 2,6 17,11% 6 E Modul [MPa] Zylinder (28d) ,80% 15 Zylinder (29d) ,79% 15 Betonherstellung Mechanische Kenngrößen Typ % Ersatz grobe GK Übersicht Festigkeiten Typ 1 Festigkeit (Prüfalter) Xk (5 % Quantilwert) Vx (Variationskoeffizient) n (Anzahl Probekörper) 90 % BS 10 % MWS Druckfestigkeiten [MPa] Würfel (28d) 58,3 2,42% 30 Würfel nass (28d) 56,2 2,24% 27 Zylinder (31d) 50,0 2,48% 30 Spaltzugfestigkeiten [MPa] Eurocode 2: Vx 15 % Zylinder (28d) 3,0 8,46% 15 (für Druckfestigkeit) Zylinder (29d) 3,1 6,75% 15 Vorgabe aus Norm erfüllt! Biegezugfestigkeit [MPa] Balken (28d) 2,6 17,11% 6 E Modul [MPa] Zylinder (28d) ,80% 15 Zylinder (29d) ,79% 15 14

15 Betonherstellung Mechanische Kenngrößen Typ % Ersatz grobe GK Übersicht Festigkeiten Typ 1 Festigkeit (Prüfalter) Xk (5 % Quantilwert) Vx (Variationskoeffizient) n (Anzahl Probekörper) 90 % BS 10 % MWS Druckfestigkeiten [MPa] Würfel (28d) 58,3 2,42% 30 Würfel nass (28d) 56,2 2,24% 27 Zylinder (31d) 50,0 2,48% 30 Spaltzugfestigkeiten [MPa] Zylinder (28d) 3,0 8,46% 15 Zylinder (29d) 3,1 6,75% 15 Biegezugfestigkeit [MPa] Balken (28d) 2,6 17,11% 6 E Modul [MPa] Zylinder (28d) ,80% 15 Zylinder (29d) ,79% 15 Betonherstellung Mechanische Kenngrößen Typ % Ersatz grobe GK Typ % Ersatz grobe GK 90 % BS 10 % MWS 70 % BS 30 % MWS Anforderungen nach EC 2 werden bezüglich der Druckfestigkeit bei 100 % Ersatz der groben GK für Typ 1 und Typ 2 erfüllt. E Modul ist zu prüfen 15

16 Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von Gesteinskörnung im Beton Untersuchungen zu Carbonatisierung Chlorideindringung Frost und Frost Tausalz Widerstand Säurewiderstand Untersuchungen laufen Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von GK bezüglich der Expositionsklassen Ausblick Weitere Optimierung der Aufbereitungsanlage Abstimmung des Handlings von Gesteinskörnung für Transportbeton Beton mit 100% Gesteinskörnung bezogen auf gesamte Gesteinskörnung (100 % grobe und 100 % feine Gesteinskörnung) Dauerhaftigkeitsuntersuchungen Alkali Kieselsäure Reaktion (AKR) Bemessung nach EC 2 (Querkraftversuche, Pull out Versuche, ) Ökobilanzierung ggf. Vorschläge für Regelwerksänderungen 16