Bestimmung der Zusammensetzung von Recycling-Baustoffen unter Berücksichtigung ihrer Heterogenität

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1 Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH Bestimmung der Zusammensetzung von Recycling-Baustoffen unter Berücksichtigung ihrer Heterogenität Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller

2 Inhalt 1. Überblick über Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege 2. Qualitätsanforderungen an Rezyklate 3. Heterogenität von Rezyklaten 4. Einflüsse auf die Zuverlässigkeit der Güteüberwachung 5. Schlussfolgerungen 2

3 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Bau- und Abbruchabfälle als mengenmäßig dominierende Abfallart in Deutschland: 87 Mio. Tonnen (2008) Umweltstatistische Erhebnungen, Abfallwirtschaft 3

4 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Verwertung von Bauabfällen BAST Jahrbuch 2008 Verbrauch an Steine-Erden- Rohstoffe insgesamt 581 Mio. Tonnen (2008) Spindler TV-Foto/Archiv: Gabi Vogelsberg Mineralische Bauabfälle. Monitoring 2008,. Bundesverband Baustoffe Steine und Erden e.v., Berlin

5 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Anlagenkonfigurationen Aufbereitung in mobilen Anlagen Anzahl (2010): 1327 Aufbereitete Bauschuttmenge: 32,9 Mio. Tonnen Aufbereitung in stationären Anlagen Anzahl (2010): 746 Aufbereitete Bauschuttmenge: 29,7 Mio. Tonnen Erzeugte RC-Baustoffe Robuste Produkte für Hinterfüllungen, Überschüttungen Baugrubenverfüllungen Vegetationsschichten Lärmschutzwälle, Dämme Unterbau Untergrundverbesserung RC-Baustoffe für den qualifizierten Straßenbau Robuste Produkte und RC-Baustoffe für den qualifizierten Straßenbau Rezyklate für die Betonherstellung Umweltstatistische Erhebnungen, Abfallwirtschaft 5

6 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Ziel der Aufbereitung von Bauabfällen: Erzeugung von RC-Baustoffen mit definiertem Größtkorn mit bestimmter Korngrößenverteilung mit definierter Materialzusammensetzung Backenbrecher Prallbrecher Aufgabematerial/ Siebgut Siebrückstand/ Grobgut Siebdurchgang/ Feingut 6

7 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Anlagenfließbild mobil Vorsieb Bauschutt Prallbrecher Vorsiebmaterial 0/X 0/X Produkt Fe-Schrott Produktsieb 0/45 Produkt 7

8 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Anlagenfließbild stationär CDW Aufgabe + Vorabsiebung 0/80 > 80 16/80 Prallbrecher Überbandmagnet > 45 RC-Produkte Beton- und Mauerwerkkörnungen Vorsiebmaterial 0/16 Siebung 0/8 8/45 Prozesswasseraufbereitung Vorabsiebung Backenbrecher 8/45 Waschtrommel Siebung 0/8 0/45 8/16 16/32 32/45 Leichtfraktionen 8

9 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Ausbauasphalt: Verwendung als Bestandteil von neuem Asphalt Erlaubte Zugabemenge hängt ab von Qualität und Gleichmäßigkeit des Asphaltgranulats Verfügbarer Technologie Schicht, in welcher das Asphaltgranulat eingesetzt wird Recyclingquote = 96 % Surface layer Connecting layer Asphalt bonded base course Felske, Mentlein, Eymann 9

10 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Betonbruch: Verwertung in Tragschichten im Straßenbau Base course of RC concrete Anforderungen an Materialzusammensetzung Partikelgrößenverteilung Widerstand gegen Beanspruchungen durch Frost und mechanische Belastungen Haupteinsatzgebiet für sortenreinen Betonbruch BAST Jahrbuch

11 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Betonbruch: Verwertung als rezyklierte Gesteinskörnung für die Betonherstellung Anforderungen an Materialzusammensetzung Rohdichte Partikelgrößenverteilung Widerstand gegen Beanspruchungen durch Frost und mechanische Belastungen Bauen mit RC-Beton. Downloads: 11

12 Bauabfallaufkommen, Aufbereitungstechnologien und Verwertungswege Mauerwerkbruch, d.h. Mischungen aus Beton, Ziegeln, weiteren Wandbaustoffen, Mörteln, Putzen, etc. Verwendung als Schüttgut für Dämme, Verfüllungen von Baugruben Bodenverfestigungen Untergrundverbesserungen Verfüllungen von Tongruben, Steinbrüchen Verwertung in Deponiebau und Rekultivierung Anforderungen an Eluierbare Salze, Schwermetalle und org. Verbindungen fill embankment Subgrade improvent Spindler TV-Foto/Archiv: Gabi Vogelsberg 12

13 Qualitätsanforderungen Bautechnische Regelwerke Anforderungen analog zu Primärbaustoffen + Zusätzliche Anforderungen an Zusammensetzung, Rohdichte, Wasseraufnahme Umwelttechnische Vorschriften Zusätzliche Anforderungen an eluierbare Inhaltsstoffe 13

14 Qualitätsanforderungen RC-Produkte aus Betonbruch RC-Baustoffe für den qualifizierten Straßenbau Rezyklate für die Betonherstellung Zusammensetzung Materialzusammensetzung Reinheit und schädliche Bestandteile Chlorid und Sulfat als chemische Bestandteile Umweltrelevante Parameter Granulometrische Parameter Korngrößenverteilung Feinanteile < 0,063 mm Überkorn Kornform Bruchflächigkeit Physikalische Parameter Wassergehalt Wasseraufnahme Rohdichte Proctordichte Widerstand gegen Zertrümmerung Widerstand gegen Frost-Tau-Wechselbeanspruchung 14

15 Qualitätsanforderungen Materialzusammensetzung von RC-Baustoffen für die Verwertung in Tragschichten (TL Gestein-StB 2004, Ausgabe 2004/Fassung 2007 Materialgruppen [Masse-%] Asphaltgranulat im Anteil > 4 mm 30 Klinker, Ziegel und Steinzeug im Anteil > 4 mm 30 Kalksandstein, Putze und ähnliche Stoffe im Anteil > 4 mm 5 Mineralische Leicht- und Dämmbaustoffe wie Poren- und Bimsbeton im Anteil > 4 mm Fremdstoffe wie Holz, Gummi, Kunststoffe und Textilien im Gemisch Ergänzungen nach TL Gestein-StB 13/Entwurf Feb ,2 Glas 5 Gipshaltige Baustoffe 0,5 15

16 Qualitätsanforderungen Materialzusammensetzung von rezyklierten Gesteinskörnungen für die Betonherstellung (DIN EN 12620) Materialgruppen Beton, Betonprodukte, Mörtel, Mauersteine aus Beton Ungebundene Gesteinskörner, Naturstein, hydraulische gebundene Gesteinskörner Mauer- und Dachziegel aus gebranntem Ton, Kalksandsteine, nicht schwimmender Gasbeton Typ 1 Typ 2 [Masse-%] Bitumenhaltige Materialien 1 1 Schwimmendes Material im Volumen 0,2 cm³/kg (~ 0,2 %) Bindige Materialien (Ton, Erde), Fe- und NE-Metalle, nicht schwimmendes Holz, Kunststoff, Gummi, Gips 1 2 Glas 16

17 Qualitätsanforderungen Weitere Anforderungen an rezyklierte Gesteinskörnungen Bautechnische Anforderungen Typ 1 Typ 2 Trockenrohdichte [kg/m³] 2000 Schwankungsbreite [kg/m³] 150 Wasseraufnahme nach 10 min [Ma.-%] Säurelösliches Sulfat [Ma.-%] 0,8 Säurelösliches Chlorid [Ma.-%] 0,04 Umwelttechnische Anforderungen 17

18 Heterogenität von Recycling-Baustoffen Heterogenität von Recycling-Baustoffen = (Partikelheterogenität + Haufwerksheterogenität) Partikelheterogenität Folge des Kompositcharakters von Beton Ursache für Streubreite der Eigenschaften auch bei nur einer Materialart Haufwerksheterogenität Folge der komplexen Zusammensetzung von Bauwerken Verursacht weitere Zunahme der Streuung Entscheidend für erforderliche Probenmenge zur Analyse der Materialzusammensetzung 18

19 Heterogenität von Recycling-Baustoffen Partikelheterogenität A: Mörtel B: Komposit C: Reine Gesteinskörnung 19

20 Heterogenität von Recycling-Baustoffen Streubreite der Rohdichte infolge der Partikelheterogenität Variation der Rohdichte: Minimum Mörtelrohdichte Maximum Rohdichte natürlicher Gesteinskörnungen Quelle: Möller, T. Diplomarbeit, Bauhaus-Universität

21 Heterogenität von Recycling-Baustoffen Haufwerksheterogenität Zusammensetzung Grün Rot Blau Magenta Gelb 21

22 Heterogenität von Recycling-Baustoffen Zunahme der Streubreite der Rohdichte infolge der Haufwerksheterogenität Variation der Rohdichte: Minimum Leichtbaustoffe Maximum Rohdichte natürlicher Gesteinskörnungen 22

23 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Wie beeinflusst die Heterogenität die Zuverlässigkeit des Nachweises, dass die Qualitätsanforderungen erfüllt werden? Das Smiley-Modell Partikelanzahl pro Fraktion Proben für richtige Siebanalyse 23

24 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Partikelanzahl pro Fraktion Proben für die richtige Analyse der Materialzusammensetzung 24

25 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Die Politbarometerfrage 25

26 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Fehlerarten von Probenahme- und Analysenprosessen Bestimmung der Probenmasse Probenahme (Fehler infolge Heterogenität) + (Fehler bei der Probenahme) = Gesamtprobenahmefehler Homogenisierung und Probeteilung Identifikation der Bestandteile + Analytischer Fehler = Gesamtfehler From Petersen et al. 26

27 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Gleichungen zur Bestimmung der Probemasse Sample mass M [kg] acc. European Standard DIN EN d max maximum particle size [mm] M = 6x dmax ρbulk bulk density [t/m³] ρ bulk Sample mass M acc. general processing considerations [Sommer/Stieß] z(s) factor for convidence level 2 z(s) 1- P x/p relative deviation M = mpar X P P P concentration of minor comp. particle mass m par Sample mass M acc. Sampling Theory [Gy] d³ ( 1- a/α) ² M = ρ + 1- a/α S 100 ² a/α ( ) ( ) f g β c ρg d maximum particle size ρc density of minor S coefficient of variation [%] composition a/α concentration of minor ρg density of main component components f, g, β particle shape (0.5), size distribution (0.25), liberation factor (1.0) 27

28 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Probenmasse, berechnet nach dem Europäischen Standard DIN EN Einfluss des Größtkorns d max wird berücksichtigt Einfluss des Gehalts der Komponente bleibt unberücksichtigt ρ bulk = 1,5 t/m³ d max [mm] M [kg] 50,9 36,0 25,5 18,0 Probenmasse, berechnet nach der Theory of Sampling Einflüsse des Größtkorns d max, der Materialdichte und des Gehalts der Komponente werden berücksichtigt 28

29 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Probenmasse, berechnet nach der Theory of Sampling Probemasse entsprechend DIN EN ist zu gering für eine zuverlässige Bestimmung der Nebenbestandteile von RC-Baustoffen ~ 1% ~ 7% 29

30 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Vergleich der notwendigen Probenmasse bei der Güteüberwachung verschiedener Sekudärrohstoffe 30

31 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Einfluss der Probenahmetechnik Variation coefficient [%] Probenahme an Bandübergabe Content of the component [%] Probenahme von Halde Concrete aggregate Masonry aggregte Concrete aggregate Masonry aggregates from a stock pile from a conveyer belt Fehler bei Probenahme von Halde > Fehler bei Probenahme vom Band Differenzen nehmen mit steigendem Gehalt der Komponente zu 31

32 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Zuverlässigkeit der Identifikation der Bestandteile Materialgruppen Beton, Betonprodukte, Mauersteine aus Beton, ungebundene und hydraulische gebundene Gesteinskörner, Naturstein Mörtel Mauer- und Dachziegel aus gebranntem Ton Kalksandsteine, nicht schwimmender Gasbeton Bitumenhaltige Materialien mm Schwimmendes Material im Volumen Bindige Materialien, Fe- und NE-Metalle, Holz, Kunststoff, Gummi Gips Glas mm 32

33 Zuverlässigkeit der Güteüberwachung Zuverlässigkeit der Identifikation der Bestandteile Materialgruppen Beton, Betonprodukte, Mörtel, Mauersteine aus Beton Ungebundene Gesteinskörner, Naturstein, hydraulische gebundene Gesteinskörner Mauer- und Dachziegel aus gebranntem Ton Kalksandsteine, nicht schwimmender Gasbeton Bitumenhaltige Materialien mm Schwimmendes Material im Volumen Bindige Materialien, Fe- und NE-Metalle, Holz, Kunststoff, Gummi Gips Glas mm 33

34 Schlussfolgerungen RC-Baustoffe werden durch Materialmerkmale wie Materialzusammensetzung und Rohdichte charakterisiert. Verglichen mit natürlichen Gesteinskörnungen zeigen diese Eigenschaften eine deutlich höhere Streubreite. Die Vorschriften für die Probenahme, die für natürliche Gesteinskörnungen entwickelt wurden, können nicht einfach auf RC-Baustoffe übertragen werden. Die erforderliche Probemasse hängt von der Partikelgröße des beprobten Haufwerks und dem Gehalt der Komponente, die bestimmt werden soll, ab. Die Probenahme aus dem bewegten Schüttgutstrom ist der aus der Halde vorzuziehen. 34

35 Die Bestimmung der Zusammensetzung nach Augenschein kann für bestimmte Komponenten subjektiv und ungenau sein. Verbesserungen können erreicht werden durch Untersuchung ausreichender Probemengen Automatisierung der Probenahme aus dem bewegten Schüttgutstrom Anwendung optischer Messverfahren für die Identifizierung 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Homepage: Hamish John Applepy