Sekundärrohstoffe zur Betonherstellung - Eigenschaften und Eignungsbewertung

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1 Sekundärrohstoffe zur Betonherstellung - und Eignungsbewertung Katrin Rübner, Tristan Herbst, Petra Jakubcová Fachgruppe Baustoffe, Abteilung Bauwerkssicherheit BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

2 Sekundärrohstoffe zur Betonherstellung - und Eignungsbewertung Katrin Rübner, Tristan Herbst, Petra Jakubcová Reststoffe Anfall und Verwertungswege Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung Beispiel 1: Blähgranulat als leichte Gesteinskörnung Beispiel 2: Filterrückstand als Betonzusatzstoff Zusammenfassung

3 Reststoffe Anfall und Verwertungswege 256 Mio. Tonnen pro Jahr mineralische Abfälle in Deutschland Sonstiges 2 % Beton + Zement 5 % Deponie 13 % Bau 46 % Bergbau 34 % Verbleib der Abfälle Quelle: G. Dehoust, UFOPLAN-Bericht , Dessau Datensammlung BAM, Berlin 2006

4 Reststoffe Anfall und Verwertungswege Gesteinskörnung Beton- und Mörtelzusatz Zusatzstoff, Zusatzmittel, Fasern Zement Haupt- + Nebenbestandteil, (Zumahlstoff), Spezialbindemittel nach DIN EN und DIN rezyklierte Gesteinskörnung ungemahlener Hüttensand Schmelzkammergranulat kristalline Hochofenstückschlacke nach DIN EN Ziegelsplitt Blähglas Kesselsand Hüttenbims mit Zulassung Metallhüttenschlacke Rostasche nach DIN EN Steinkohlenflugasche nach DIN EN Silikastaub nach DIN EN Hüttensandmehl nach DIN EN Gesteinsmehl mit Zulassung Braunkohlenflugasche nach DIN EN und DIN EN Hüttensand nach DIN EN und DIN EN Silikastaub nach DIN EN und DIN EN Steinkohlenflugasche nach DIN EN Gesteinsmehl REA-Gips

5 Reststoffe Anfall und Verwertungswege Gesteinskörnung nach DIN EN und DIN rezyklierte Gesteinskörnung ungemahlener Hüttensand Schmelzkammergranulat kristalline Hochofenstückschlacke nach DIN EN Ziegelsplitt Blähglas Kesselsand Hüttenbims mit Zulassung Metallhüttenschlacke Rostasche 50 cm 4 mm Foto: K. Weimann Beton- und Mörtelzusatz Zusatzstoff, Zusatzmittel, Fasern nach DIN EN Steinkohlenflugasche nach DIN EN Silikastaub nach DIN EN Hüttensandmehl nach DIN EN Gesteinsmehl mit Zulassung Braunkohlenflugasche Zement Haupt- + Nebenbestandteil, (Zumahlstoff), Spezialbindemittel nach DIN EN und DIN EN Hüttensand nach DIN EN und DIN EN Silikastaub nach DIN EN und DIN EN Steinkohlenflugasche nach DIN EN Gesteinsmehl REA-Gips 4 mm gemischter Bauschutt, Mauerwerkbruch, Brechsand, Hausmüllverbrennungsasche, Biomasseasche, Papierschlamm, Klärschlamm, Rückstände aus Industrieabwasser, Gießereirestsand, Katalysatorabfall, Braunkohlenflugasche

6 Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung Grundlagen der Eignungsbewertung europäische Produktnormen für Bauprodukte (Baustoffe) nationales Regelwerk = Anwendungsnorm Bauregelliste BRL (zusätzliche Anforderungen für Deutschland, z.b. Nachweis der in allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung) Für RC-Baustoffe, die von keiner europäischen oder nationalen Norm erfasst werden, ist für die Verwendung im Beton generell eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung durch das DIBt notwendig. Festlegungen zu Prüfungen (Art, Durchführung und Umfang) und Ergebnisbewertung auf Grundlage von Normen, DIBt-Zulassungsgrundsätzen, DAfStb-Richtlinien durch den Sachverständigenausschuss

7 Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung zur Historie, Herkunft und Herstellung der Sekundärrohstoffe bzw. der damit hergestellten Bauprodukte Untersuchungen von und gesundheitlicher Unbedenklichkeit Analyse der, Unschädlichkeit und der Recyclingstoffe Betontechnologische Untersuchungen zum Nachweis der n Einsatz im Beton und Ermittlung der Frisch- und Festbetoneigenschaften unter Berücksichtigung von Festigkeits- und Expositionsklassen Nachweis der des Betons (Schwinden, Frostwiderstand, Karbonatisierungswiderstand, Alkaliempfindlichkeitsklasse)

8 Beispiele Blähgranulat Filterrückstand 2 mm 1 cm Herstellung aus Mauerwerkbruch über thermischen Prozess Material der Körnung 2-4 und 4-8 mm Deponierung (Mauerwerkbruch) leichte Gesteinskörnung nach DIN EN für die Herstellung von Beton nach DIN EN und DIN Rückstand aus Aufbereitung von Abwässern der Kieselsäureproduktion Material als feuchter Filterkuchen oder trockenes Granulat < 2 mm Deponierung, Tagebauverfüllung Betonzusatzstoff in Anlehnung an DIN EN DIBt-Zulassungsgrundsätze Anorganische Betonzusatzstoffe"

9 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

10 Blähgranulat Anteil vom Grenzwert in % Zulassungsgrundsätze für die Bewertung der Auswirkungen von Bauprodukten 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 Auswirkungen auf die Beschaffenheit von Boden und Grundwasser , µs/cm 150 mg/l 600 mg/l BG 2-4 mm BG 4-8 mm ph s Cl SO4 4 As Pb Cd Crges Cu Ni V Zn Cr ges Eluatuntersuchung der Blähgranulate (Grenzwerte nach DIBt-Zulassungsgrundsätzen LAGA 20 für Z2)

11 Blähgranulat der Produkteigenschaften ( und ) Einfluss der Variationsbreite der Ausgangsstoffe auf die Produkteigenschaften Mauerwerkbruch 0 8 mm Woche 1KW 1 Monat 4 KW 3 Monate 12 KW Mauerwerkbruch 8 32 mm insgesamt 24 Einzelproben je Hersteller Probenahmeplan Mauerwerkbruch

12 Blähgranulat Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN chemische DIN EN Schüttdichte , Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN , Reindichte + Porosität DIN weitere mechanische, physikalische und thermische DIN EN 1097, DIN EN 1367 Siebdurchgang in % BG 2-4 mm BG 4-8 mm 99, ,1 0,2 0,2 0,2 0,2 1,9 11,2 0 0,2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,06 0,13 0,25 0,50 1,0 2,0 4,0 8,0 16,0 31,5 63,0 Korngröße in mm Sieblinie der Blähgranulate

13 Blähgranulat Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN chemische DIN EN Schüttdichte , Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN , Reindichte + Porosität DIN weitere mechanische, physikalische und thermische DIN EN 1097, DIN EN 1367 Kornfestigkeit in in N/mm² mm 4-8 mm Blähgranulat A L Kornfestigkeit der Blähgranulate (Vergleichsmaterial handelsüblicher Blähton)

14 Blähgranulat Korngrößenverteilung + Kornform DIN EN 933 Kornfestigkeit DIN EN chemische DIN EN Schüttdichte , Rohdichte + Wasseraufnahme DIN EN , Reindichte + Porosität DIN weitere mechanische, physikalische und thermische DIN EN 1097, DIN EN 1367 Wasseraufnahme in % in % A 2-4 mm L 2-4 mm BG 2-4 mm A 4-8 mm L 4-8 mm BG 4-8 mm Zeit in min Wasseraufnahme der Blähgranulate (Vergleichmaterial (Vergleichsmaterial handelsüblicher Blähton)

15 Blähgranulat Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN , DIN Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN Druckfestigkeit in N/mm² BG L A d 28 d 56 d Druckfestigkeit der Betone mit Blähgranulat als Gesteinskörnung Sieblinie A/B 8 mit 0-2 mm Sand, 2-4 und 4-8 mm leichter Gesteinskörnung CEM I 32,5 R, 450 kg/m³, Konsistenz F4 w/z = 0,50 und Absorptionswasser % der 60 min-wasseraufnahme

16 Blähgranulat Frostwiderstand DIN EN , DIN CEN/TS Karbonatisierungswiderstand DIN CEN/TS Schwindverhalten DIN Alkaliempfindlichkeitsklasse DAfStb Alkali-Richtlinie Längenänderung in mm/m 0,0-0,2-0,4-0,6-0,67-0,8 L A BG Zeit in Tagen Schwindverhalten der Betone mit Blähgranulat als Gesteinskörnung

17 Filterrückstand Abwasser aus der Produktion von Kieselsäuren beim Neutralisieren mit H 2 SO 4 /MgO fällt Kieselsäure aus Eindicken und Abpressen des Filterprodukts

18 Filterrückstand Anteil vom Grenzwert in % Zulassungsgrundsätze für die Bewertung der Auswirkungen von Bauprodukten auf Boden und Grundwasser, Teile 1-3, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Mai µs/cm 0,2 0,2 0,05 0,05 ph s As Pb Cd Crges Cu Ni Hg Zn TOC PI Cr ges 1,0 Eluatuntersuchung des Filterrückstands (Grenzwerte nach TA Siedlungsabfall) 0,2 0,005 2,0 20, 0 0,2

19 Filterrückstand der Produkteigenschaften als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrundsätze, DIN EN Aktivitätsindex nach DIN EN AKTIVITÄTSINDEX f Prisma(90% CEM 10% KFR),28d f Prisma(100% CEM ),28d 100%

20 Filterrückstand der Produkteigenschaften als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrundsätze, DIN EN Wärmefreisetzungsrate (mj/s g) Referenzmischung w/z = 0,5 10 % FS w/b = 0, Zeit (h) Einfluss des Filterprodukts auf die Wärmefreisetzungsrate von Zementleim (bzgl. Bindemittelgehalt)

21 Filterrückstand der Produkteigenschaften als puzzolanischer Zusatzstoff DIBt-Zulassungsgrundsätze, DIN EN Hydratationswärme (J/g) Referenz w/z = 0,5 10 % FS w/b = 0,5 12 h 1 d 2 d 4 d 7 d Alter Einfluss des Filterprodukts auf die Hydratationswärme von Zementleim (bzgl. Zementgehalt)

22 Filterrückstand chemische DIBt-Zulassungsgrundsätze, DIN EN , DIN 51729, DIN EN Korngrößenverteilung DIN EN Feinheit DIBt-Zulassungsgrundsätze spezifische Oberfläche DIN ISO 9277, DIN EN Wasseraufnahme Erstarren + Raumbeständigkeit DIN EN Bestandteil in M.-% SiO 2 MgO ges CaO ges SO 3 K 2 O/Na 2 O 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 Eigenschaft Dichte in g/cm³ Spez. Oberfläche in m²/g Mesoporenvolumen in cm³/g Häufigster Porenradius in nm Filterprodukt 2, ,77 16 Filterprodukt aufbereitet 2, ,90 15 Grenzwert * -- * DIBt-Zulassungsgrundsätze > 18 < Chemische und physikalische des Filterrückstands

23 Filterrückstand Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN und 6 Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN , DIN Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN 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

24 Filterrückstand Konsistenz + Frischbetonrohdichte DIN EN und 6 Festbetonrohdichte + Porosität DIN EN , DIN Druckfestigkeit + Biegezugfestigkeit DIN EN 196-1, DIN EN dynamischer + statischer E-Modul DAfStb Heft 422, DIN EN Frostwiderstand DIN EN , DIN CEN/TS Karbonatisierungswiderstand DIN CEN/TS Schwindverhalten DIN Alkaliempfindlichkeitsklasse DAfStb Alkali-Richtlinie Längenänderung in mm/m 0,2-0,2-0,6 Mörtel 0 % 5 % 10 % KFR 0 % 5 % -1,0-1, Alter in Tagen Alter in Schwindverhalten der Mörtel mit Filterrückstand als Betonzusatzstoff 0,2-0,2-0,6

25 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 (, Eignung, Verhalten im Beton) vorgestelltes Untersuchungskonzept zur Eignungsbewertung

26 Projekt Aufbaukörnungen , Förderkennzeichen 033R015D Projekt NanoKiesel , Förderkennzeichen 03X0081J Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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