Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller Fachtagung Recycling R 10 Weimar, 22./

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1 Qualitätsverbesserungen von Rezyklaten durch neue Technologien Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller Fachtagung Recycling R 10 Weimar, 22./

2 2/46 Stand des Recyclings von Bauabfällen Aufkommenszahlen von Bauabfällen Verwertungs- und Substitutionsquoten Aufbereitungstechnologien und Einsatzgebiete von RC-Produkten Konventionelle Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Mehrstufige Zerkleinerung Feinkornarme Zerkleinerung Sortierung nach der Kornform Modifizierte Setzsortierung Advanced technologies Aufschlussverfahren für Betonrezklate Automatische Sortierung Rohstoffliche Verwertung von Mauerwerkbruch Visionen für die Recyclingfabrik von morgen

3 3/46 Stand des Recyclings Aufkommenszahlen von Bauabfällen [Mio. t] Bauschutt (aus dem Hochbau) Straßenaufbruch Gemischte Bau- und Abbruchabfälle (ab 2004 inkl. Gipsabfälle) Gesamt Vergleich mit Abfallentstehung ,1 17,6 7,5 83, ,5 14,6 4,0 77, ,5 22,3 11,8 88, ,1 16,6 4,3 73, ,8 19,7 2,2 72,4 Vergleich mit Rohstoffverbrauch ,1 14,3 11,3 82,7 Siedlungsabfälle 14 % Bau- und Abbruchabfälle 26 % + Boden, Steine, Baggergut 32 % Stand: ,9 Mio. t Bergematerial 12 % Produktionsabfälle 16 % Quelle: Stat. Bundesamt 2009 Recycling-Baustoffe 9 % Industrielle Nebenprodukte 5 % Naturstein 35 % Sand und Kies 51 % Stand: ,5 Mio. t Quelle: 5. Monitoring- Bericht 2007

4 4/46 Stand des Recyclings Verwertungs- und Substitutionsquoten Definitionen anhand der Stoffbilanz für den Bausektor Materialinput M & in ΔM Δt M & + & rec M dep ΔM Δt & in = + M& rec + M M& dep Recyclingquote = Substitutionsquote = Bauabfälle (D) Vergleichswerte Länderspezifisch 1 Materialspezifisch M rec Mdep M rec [%] 68,6 % 9 % 10 (E) 98 (B) % Asphalt: 82 % 2 Beton: 68,6 % M rec M in 100 [%] 2 (E) 35 (B) % Asphalt: 23 % 2 Beton: 1,5 % 3 Quellen:1-13. F.I.R.-Interforum, Salzburg 2005; 2-Asphaltproduktion in Deutschland, Stand März 2008, dav; 3-Zahlen und Daten, , BDZ

5 5/46 Stand des Recyclings Aufbereitung in mobilen Anlagen Robuste Produkte für Hinterfüllungen, Überschüttungen Baugrubenverfüllungen Vegetationsschichten Lärmschutzwälle, Dämme Unterbau Untergrundverbesserung Prallbrecher Vorsiebmaterial 0/X Vorsieb 0/X Produkt Bauschutt Fe-Schrott Anzahl der mobilen Anlagen: 1648 Aufbereitete Bauschuttmenge: 33 Mio. t Produktsieb 0/45 Produkt

6 6/46 Stand des Recyclings Aufbereitung in stationären Anlagen Produkte RC-Baustoffe für den qualifizierten Straßenbau Rezyklate für die Betonherstellung Fe-Schrott Vorabsiebung 0/X CDW Produktsiebung Prallbrecher Backenbrecher Vorsiebmaterial Anzahl der stationären Anlagen: 642 Aufbereitete Bauschuttmenge: 27 Mio. t Windsichter gereinigte RC-Körnungen Leichte Störstoffe 16/32 8/16 Fe-Schrott 16/32 8/16 4/8 0/4 RC-Körnungen Produktsiebung

7 7/46 Stand des Recyclings von Bauabfällen Aufkommenszahlen von Bauabfällen Verwertungs- und Substitutionsquoten Aufbereitungstechnologien und Einsatzgebiete von RC-Produkten Konventionelle Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Mehrstufige Zerkleinerung Feinkornarme Zerkleinerung Sortierung nach der Kornform Modifizierte Setzsortierung Advanced technologies Aufschlussverfahren für Betonrezklate Automatische Sortierung Rohstoffliche Verwertung von Mauerwerkbruch Visionen für die Recyclingfabrik von morgen

8 8/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Mehrstufige Zerkleinerung Variante 1 Altbeton < 140 mm Variante 2 Altbeton < 140 mm Auswirkungen auf die Wasseraufnahme Brechprodukt Variante 3 Brechprodukt Backenbrecher Prallbrecher Altbeton < 140 mm Sand < 4 mm Wasseraufnahme nach 24 h [%] Backenbrecher Prallbrecher Backenbrecher/ Prallbrecher Korngröße [mm] Brechprodukt Quelle: J. Hutterer, Diplomarbeit, Bauhaus-Universität, Weimar 1999.

9 9/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Auswirkungen auf die Porosität und die Kornfestigkeit Auswirkungen auf die Porengrößenverteilung Verteilungsdichte dv/dlog x / ml/g 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Backenbrecher Prallbrecher Zweistufige Zerkleinerung Porositätsabnahme gegenüber Aufgabematerial [Vol.-%] 4,5 5,7 10,1 Kornfestigkeit [Absplitterungen in M.-%] 32,7 31,0 26,5 Backenbrecher / Prallbrecher Backenbrecher Prallbrecher 0,00 0,001 0, Porendurchmesser x / µm

10 10/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Auswirkungen auf das Ausbringen an Sand und Splitt Zunahme der Sandfraktion ca. 8 % Abnahme der Splittfraktion ca. 10 % Quelle: Takafumi Noguchi, Progress of Recycling in the Built Environment, Sao Paulo 2009.

11 11/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Feinkornarme Zerkleinerung Fräsbrecher / Stachelwalzenbrecher Geeignet u.a. für Ziegel, Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton. Aktives Material Zufuhr-System Federgelagerter Brechkamm und Wartungsklappe Quelle: K. Schober, Asphalt-Seminar, Willingen 2009.

12 Auswirkungen auf die Produktfeinheit Siebdurchgang [Vol.-% aufbereiteter Mauerwerkbruch aus verschiedenen RC-Anlagen min. Ziegelgehalt 19 M.-% max. Ziegelgehalt 78 M.-% 16 im Walzenbrecher aufbereiteter Ziegelbruch ,125 0,25 0, ,5 63 Maschenweite/Lochweite [mm] /46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Sieblinienvergleich von Körnungen aus unterschiedlichen Brechern

13 13/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Sortiersiebung zur Trennung von kubischen und prismatischen Partikeln Mineralische Bestandteile: Kubische Kornform dominiert. Störstoffe (Metalle, Kunststoffe, Holz): Prismatische Kornform dominiert.

14 14/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Patente zur Sortiersiebung DE C1 Anordnung zum Trennen nach der Form Veröffentlichungstag: BSR Naturstein-Aufbereitungs GmbH Stolberg Schmitz, Axel Anordnung zum Trennen von einem aus zwei unterschiedlichen Fraktionen bestehenden Feststoffgemisch nach der Form. Erste Fraktion länglich, zweite Fraktion kubisch, z.b. Feststoffgemische aus der Aufbereitung von Beton-Eisenbahnschwellen, bestehend aus annähernd kubischen Betonpartikeln und länglichen Fremdkörpern wie Dübel bzw. Dübelbruchstücke. EP Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln Veröffentlichungstag: Technische Universität Bergakademie Freiberg Unland, Georg; Folgner, Thomas; Steuer, Martin Sortierung nach der Kornform durch serielle Klassierung nach mindestens zwei geometrischen Merkmalen der Partikelmakrogestalt, z.b. nach den Parametern Nadeligkeit, Kubizität oder Plattigkeit. Erfindungsgemäß erreicht durch Begrenzung des Freiraums zwischen Sieb und Siebboden.

15 15/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen 3D-Sortiertrommel für die Sortierung von Gewerbeabfällen Quelle: Jarno Busschers Busschers Staalwerken B.V., NL

16 16/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen 3D-Sortiertrommel für die Sortierung von Gewerbeabfällen Quelle: Jarno Busschers Busschers Staalwerken B.V., NL

17 17/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Sortierergebnisse einer Altholzaufbereitung bei einem Sieblochdurchmesser von 290 mm Inputmaterial: Altholz

18 18/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Sortierergebnisse einer Altholzaufbereitung bei einem Sieblochdurchmesser von 290 mm Inputmaterial: Altholz Produkt

19 19/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Sortierergebnisse einer Altholzaufbereitung bei einem Sieblochdurchmesser von 290 mm Inputmaterial: Altholz Produkt Abgetrennte Fraktion

20 20/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Modifizierte Setzsortierung Ausgangsmaterial: Baustoffgemisch Produkt Sortierrest Sortierung mittels Nasssetzen Z 2 LB 2 LB 1 B PB KS Z 1 B KS LB 1 Z 1 LB 2 PB Z 2 Rohdichte hoch Sortenreinheit variabel

21 21/46 Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Prinzip des Setzvorgangs Aufgabe Pulsation Leichtgut Schwergut Erreichte Trennung von Gips- und Betonpartikel Gipsgehalt im Produkt [M.-%] Abnahme des Gipsgehaltes Gipsgehalt im Produkt = 0,274*Gipsgehalt im Input Gipsgehalt im Input [M.-%]

22 22/46 Stand des Recyclings von Bauabfällen Aufkommenszahlen von Bauabfällen Verwertungs- und Substitutionsquoten Aufbereitungstechnologien und Einsatzgebiete von RC-Produkten Konventionelle Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Mehrstufige Zerkleinerung Feinkornarme Zerkleinerung Sortierung nach der Kornform Modifizierte Setzsortierung Advanced technologies Aufschlussverfahren für Betonrezklate Automatische Sortierung Rohstoffliche Verwertung von Mauerwerkbruch Visionen für die Recyclingfabrik von morgen

23 23/46 Advanced technologies Aufschlussverfahren für Betonrezyklate Merkmal von Betonrezyklaten: Von 1,9 bis 2,7 g/cm³ schwankende Rohdichten infolge unterschiedlicher Zementsteingehalte A: Reiner Zementstein Auswirkungen des Zementsteineintrags in den Beton: Minderung der Qualität von Betonen aus Rezyklaten Induzierung von Qualitätsschwankungen C: Reiner Zuschlag B: Komposit

24 Qualitätsminderung durch Zementsteineintrag Fall 1: Zementsteingehalt der Rezyklate 5 Masse-% Menge an eingebrachtem Altzementstein 36 kg/m³ Beton Δ Druckfestigkeit 0 Δ dyn. E-Modul 0 Fall 2: Zementsteingehalt der Rezyklate 25 Masse-% Menge an eingebrachtem Altzementstein 178 kg/m³ Beton Δ Druckfestigkeit ~ - 20 % Δ dyn. E-Modul ~ - 35 % Beton aus 45 Vol.- % feiner, rezyklierter + 55 Vol.-% grober, natürlicher Gesteinskörnungen; Δ Druckfestigkeit und Δ E-Modul berechnet nach Angaben von K. Weimann, Dissertation, Bauhaus-Universität Weimar Würfeldruckfestigkeit [N/mm²] Feine + grobe RC-Körnungen 24/46 Advanced technologies Qualitätsschwankungen in Abhängigkeit von der RC-Substitution Grobe RC- Körnungen 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Betonrohdichte [g/cm³] Nat. Gesteinskörnungen Quelle: Frank Roos, Dissertation, Technische Universität München, 2002.

25 Concrete Lumps 25/46 Advanced technologies Trockene Abrasionsbeanspruchung zur Erzeugung zementsteinfreier, rezyklierter Zuschläge Eccentric Tubular Mill Scrubbing External Cylinder Motor Trockenroh- Dichte Wasseraufnahme Recovery Transmission Gear JIS Class High 2,5 g/cm³ 3 M.-% Cyclite 2,58 g/cm³ 1,8 M.-% Quellen: Takafumi Noguchi, The University of Tokyo, 2006;

26 Thermisch-mechanische Behandlung von Altbeton 26/46 Advanced technologies Laboruntersuchungen zu den Auswirkungen von Behandlungstemperatur und Dauer der nachfolgenden Abrasionsbeanspruchung Laborofen Fraktion von Altbeton Variation von Temperatur Mühle Variation von Beanspruchungsdauer Grobprodukte: Ausgangsfraktion + weitere Fraktionen > 2 mm Behandlungsziele: Grobprodukte Rohdichte > 95 % der ursprünglichen Gesteinskörnung Feinprodukte Zementsteingehalt Max Klassierung Feinprodukte: Mehlkorn 0/0,125 mm + weitere Fraktionen < 2 mm Quelle: Y. Sui, Dissertation in Vorbereitung, Weiamr 2010.

27 27/46 Advanced technologies Ergebnisse zu den Behandlungsbedingungen Behandlungstemperatur und Mahldauer zur Erzielung einer bestimmten Rohdichte der Grobprodukte Behandlungstemperatur [ C] ρ Roh = 2,52 g/cm³ ρ Roh = 2,56 g/cm³ Mahldauer [min]

28 28/46 Advanced technologies Technologisches Schema für die thermisch-mechanische Behandlung Heating device Recovery of Coarse Aggregate Recovery of Fine Aggregate Bug Filter Sieve Tube Mill Tube Mill Fine Coarse Aggregate Aggregate Fine Powder Quelle: Takafumi Noguchi, Progress of Recycling in the Built Environment, Sao Paulo 2009.

29 29/46 Advanced technologies Technische Anlage zur thermisch-mechanischen Behandlung von Altbeton seit Juni 2009 in Betrieb, Durchsatz 4 t/tag Technologisches Schema für die thermisch-mechanische Tank Behandlung Dart Collector Powder Storage Heating device Recovery of Coarse Aggregate Recovery of Fine Aggregate Classifier Bug Filter Coarse Aggregate Tube Mill Mill Tube Mill Sieve Input Hopper Heating Tower Fine Coarse Aggregate Aggregate Fine Aggregate Mill Fine PowderRecycled Coarse Aggregate Recycled Fine Aggregate Quelle: Takafumi Noguchi, Progress of Recycling in the Built Environment, Sao Paulo 2009.

30 30/46 Advanced technologies Hochspannungs -Aufschlussverfahren Erzeugung von Beanspruchungen an der Phasengrenze zwischen Zementstein und Zuschlag Zerstörung durch direkten Durchschlag: Elektrodynamischer Effekt Spannungsanstieg Zerstörung durch Druckwelle: Elektrohydraulischer Effekt

31 31/46 Advanced technologies Hochspannungs -Aufschlussverfahren Erzeugung von Beanspruchungen an der Phasengrenze zwischen Zementstein und Zuschlag Zerstörung durch direkten Durchschlag: Elektrodynamischer Effekt Spannungsanstieg Zerstörung durch Druckwelle: Elektrohydraulischer Effekt

32 Sortierverfahren nach Baustoffarten Ausgangsmaterial: Baustoffgemisch Sortierung mittels Nasssetzen Produkt Sortierrest 32/46 Advanced technologies Z 2 LB 2 LB 1 B PB KS Z 1 B KS LB 1 Z 1 LB 2 PB Z 2 Sensorgestützte Sortierung Rohdichte hoch Sortenreinheit variabel Z 2 LB 2 LB 1 B PB KS Z 1 Z 2 Z 1 Sortenreinheit hoch Rohdichte variabel PB LB 2 KS B LB 1

33 33/46 Advanced technologies Sensorgestützte Sortierung Sensor Materialzuführung Weiterer Sensor (optional) Beschleunigung Akzeptiertes Material Abgewiesenes Material Druckluftventile Datenverarbeitung

34 Vergleich des Gehalts an Gipspartikeln im Produkt 34/46 Advanced technologies Gipsgehalt im Produkt [M.-%] Abnahme des Gipsgehaltes Gipsgehalt im Input [M.-%] Setzsortierung Gipsgehalt im Produkt = 0,274*Gipsgehalt im Input Sensorsortierung Gipsgehalt im Produkt = 0,092*Gipsgehalt im Input

35 35/46 Advanced technologies Vergleich der Effektivität der Sortiertechniken bei einem Gehalt an Gipspartikeln von 5 % im Aufgabematerial Ideale Trennung Leichtgut 100 % Gips Produkt 0 % Gips Input 5 % Gips Trennung mittels Setzsortierung Input 5 % Gips Trennung mittels Sensorsortierung Input 5 % Gips Produkt 95 % Leichtgut 5 % Produkt 76,8 % Leichtgut 23,2 % Produkt 93,8 % Reject 6,2 %

36 36/46 Advanced technologies Rohstoffliches Recycling Variante 1: Rückführung in das ursprüngliche Produkt Stoffsubkreisläufe Subkreislauf Mauerwerk Subkreislauf Ziegel + Subkreislauf Kalksandstein + Subkreislauf Porenbeton + Subkreislauf Leichtbeton + Subkreislauf Gipsbauplatten + Subkreislauf Mineralwolle + Voraussetzungen und Randbedingungen: Sortenreine Rückgewinnung Fremdbestandteile minimieren Zusatzmengen im Interesse der Produktqualität begrenzt Degradation über mehrere Rückführzyklen unvermeindlich Störstoffe, Fremdstoffe = interner Subkreislauf Mauerwerk/ Verwertungsebene 1: Primärbaustoffindustrie Quelle: H. Kurkowski, W. Eden Arbeitsentwurf Renmastec 2007.

37 37/46 Advanced technologies Variante 2: Verwendung als Rohstoff für ein anderes (Bau-) Produkt Mindestvoraussetzung: Erfüllung bestimmter Anforderungen an die chemische Zusammensetzung Beurteilung anhand der Lage der Baustoffe in relevanten Dreistoffsystemen Betrachtung sortenreiner Baustoffe

38 38/46 Advanced technologies Variante 2: Verwendung als Rohstoff für ein anderes (Bau-) Produkt Mindestvoraussetzung: Erfüllung bestimmter Anforderungen an die chemische Zusammensetzung Beurteilung anhand der Lage der Baustoffe in relevanten Dreistoffsystemen Betrachtung sortenreiner Baustoffe

39 39/46 Advanced technologies Beurteilung anhand der Lage der Baustoffe in relevanten Dreistoffsystemen Betrachtung von Bauabfällen Effekt der Autohomogenisierung

40 40/46 Advanced technologies Beurteilung anhand der Lage der Baustoffe in relevanten Dreistoffsystemen Betrachtung von Bauabfällen Effekt der Autohomogenisierung

41 41/46 Stand des Recyclings von Bauabfällen Aufkommenszahlen von Bauabfällen Verwertungs- und Substitutionsquote Aufbereitungstechnologien und Einsatzgebiete von RC-Produkten Konventionelle Aufbereitungstechniken für Qualitätsverbesserungen Mehrstufige Zerkleinerung Feinkornarme Zerkleinerung Sortierung nach der Kornform Modifizierte Setzsortierung Advanced technologies Aufschlussverfahren für Betonrezklate Automatische Sortierung Rohstoffliche Verwertung von Mauerwerkbruch Visionen für die Recyclingfabrik von morgen

42 von und 42/46 Recyclingfabrik von morgen Ibausil 2003 A W B Bauhaus-Universität Weimar Professur für Aufbereitung von Baustoffen und Wiederverwertung Ausblick Hypothesen und Visionen Baustoffentwicklungen UHPC SDC...???? Self Demolishing Concrete SCC MDF Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

43 43/46 Recyclingfabrik von morgen Zerkleinerung von Beton durch Grenzflächenversagen Zementmörtelprismen mit und ohne Zusatz direkt nach der Mikrowellenbehandlung Erwärmung Mikrowellen Zuschlag Zementstein mit Zusatz

44 44/46 Recyclingfabrik von morgen Hanau 2006

45 45/46 Recyclingfabrik von morgen Zusammensetzung Möglichkeiten der Produktherstellung eines hypothetischen Durchschnittsgebäudes Beton bewehrt ; 46,8 % Beton unbew.; 24,1 % Innenputz ; 2,6 % Aussenputz ; 1,3 % 100 Glas ; 0,14 % PVC; 0,08 % PE ; 0,05 % EPS ; 0,01 % PUR; 0,01 % PVC-Dichtungsbahn; 0,003 % PE-Dichtungsbahn; 0,005 % Farben; 0,04 % Ziegel; 18,1 % Gips ; 1,6 % Holz behandelt; 0,8 % Holz unbehandelt; 2,9 % Betonsplitt + Putz (anteilig): 54 % Elektro-Kabel; 0,007 % Stahl; 1,5 % 10 Ziegelsplitt: 11 % 1 Betonsand + Ziegelsand + Putz (anteilig) + Glas+ (Porenbeton) 0,1 + (Kalksandstein): 27 % Bestandteile [Masse-%] 0,01 Kunststoffe ohne PVC: 0,08 % 0,001 + belterra Holz: 3,7 % Rezyklierte Gesteinskörnung CO 2 Leichtgranulate Metalle: 2,7 % Gips: 1,6 % PVC: 0,08 % Mineralwolle Quelle: G.Doka, Ökoinventar der Entsorgungsprozesse von Baumaterialien, Zürich Faserzementplatten

46 46/46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Homepage: