Juli 2010 ISSN Jahrgang Nr. 1. Dr.-Ing. A. Ehrenberg Typ II

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1 REPORT FEhS INSTITUT FÜR BAUSTOFF-FORSCHUNG e.v. Bliersheimer Str DUISBURG Telefon: 02065/ Telefax: 02065/ fehs.de Internet: Juli 2010 ISSN Jahrgang Nr. 1 Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff Typ II Inhalt Seite Dr.-Ing. A. Ehrenberg Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff Typ II 1 Hintergrund 2006 erschien die harmonisierte Stoffnorm EN "Hüttensandmehl zur Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel". Teil 1 regelt die stofflichen Anforderungen [1], Teil 2 die Konformitätsbewertung [2]. EN enthält keine Anwendungsregeln für den Beton. Diese sind in der nicht harmonisierten europäischen Betonnorm DIN EN sowie dem zugehörigen nationalen Anwendungsdokument DIN festzuschreiben. In beiden Normen ist Hüttensandmehl jedoch noch nicht erfasst. In Deutschland ist zurzeit die Anwendung von Hüttensandmehl nach DIN EN an eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt geknüpft. Noch in 2010 soll zusätzlich gemäß des für Flugasche und Silikastaub, zwei weiteren Betonzusatzstoffen vom Typ II (puzzolanisch oder latent hydraulisch), anerkannten k-wert-konzepts ein allgemeiner, d. h. hüttensandmehlunspezifischer niedriger k-wert von 0,4 eingeführt werden [3]. Unterschied zu Hüttensand als Zementbestandteil In Deutschland wird Hüttensand traditionell seit rd. 130 Jahren in Portlandhütten-, Portlandkomposit- und Hochofenzementen verwendet [4]. Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff wird aus einem oder mehreren Hüttensanden in einem Mahlwerk auf Zementfeinheit aufbereitet und erst im Betonwerk mit den anderen Betonbestandteilen gemischt. Bild 1 zeigt eine solche Hüttensandmahlanlage in Fos sur mer (Frankreich). Diesbezügliche Erfahrungen wurden zwar auch in Deutschland seit den 1920er Jahren gemacht, enden aber zu Beginn der 1970er Jahre [5-9]. In anderen Ländern ist die Verwendung als Betonzusatzstoff teilweise seit Jahrzehnten etabliert, so unter anderem in Großbritannien, den Niederlanden, Irland, den USA, Südafrika, China oder Japan [10]. Vor dem Hintergrund der vielen Erfahrungen weltweit kann man davon ausgehen, dass beide Verfahrenswege prinzipiell zu dauerhaften und ökologisch vorteilhaften Betonen führen. Welcher Weg eingeschlagen wird, hängt von Traditionen, dem mehr oder weniger vorhandenen technischen Wissen und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. DIN EN In [12] wurden 2006 die wesentlichen Inhalte der seinerzeit fast fertiggestellten DIN EN diskutiert, insbesondere die stofflichen Anforderungen an das Hüttensandmehl. Für die Summe aus CaO + MgO + SiO 2, die Basizität (CaO+MgO)/SiO 2 und den Glasgehalt gleichen sie den Anforderungen an Hüttensand als Zementbestandteil in DIN EN Darüber hinaus wurden aber weitere Parameter zusätzlich aufgenommen. Die Anforderungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Konformitätsbewertung ist in DIN EN [2] geregelt. Sie ist an der Konformitätsbewertung von Zement orientiert (System 1+). Der Hersteller muss für jedes zertifizierte Hüttensandmehl im Rahmen der werkseigenen Produktionskontrolle ein System interner Überwachungsprüfungen für verschiedene Parameter (vgl. Tabelle 1) nachweisen. Deutsche Erfahrungen A. Ehrenberg Untersuchungen zur Eignung von Schachtofenschlacke für den Wasserbau M. Dohlen, R. Bialucha Neubau einer Rohkohlesiloanlage im Gleitbauverfahren K. Lehmann Das Wirtschaftsjahr 2009 Produktion und Einsatz von Hochofen- und Stahlwerksschlacke Th. Merkel Bereits früh gab es auch in Deutschland kontroverse Diskussionen über die Vor- und Nachteile der Anwendungen von Hüttensand als Zementbestandteil oder als Betonzusatzstoff. Bereits 1884 war es die Position Report des FEhS-Instituts 1/2010 1

2 Bild 1: Hüttensandmahlanlage in Fos sur mer (Frankreich) [11] Parameter Anforderung 45 % CaO + MgO + SiO 2 2/3 (Massenanteil) (CaO+MgO)/SiO 2 > 1,0 MgO 18 M.-% Sulfid 2,0 M.-% Sulfat 2,5 M.-% Glühverlust 3,0 M.-% Chlorid 1) 0,10 M.-% Feuchte 1,0 M.-% Glasgehalt 2/3 (Massenanteil) Mahlhilfen 1,0 M.-% organische Mahlhilfen 0,2 M.-% Zusatzstoffe keine Mindestfeinheit 275 m²/g (Blaine) Erstarrungsbeginn 2) max. doppelte Länge Aktivitätsindex 7 Tage 2) Aktivitätsindex 28 Tage 2) 70 % 1) 2) Bild: Ecocem France SAS Hüttensandmehl darf mehr als 0,10 M.-% Chlorid enthalten. Dieser Wert ist aber anzugeben. Ermittelt an Mischungen aus je 50 % Hüttensandmehl und Portlandzement. Anforderungen an den Portlandzement: Festigkeitsklasse 42,5, Blainewert 300 m²/g, C 3 A-Gehalt 6-12 M.-%, Na 2 O-Äquivalent 0,5-1,2 M.-%. Tabelle 1: Anforderungen der DIN EN [1] Bild 2: Zementfabrik Thuringia in Unterwellenborn (Thüringen) um 1930 [5] des Zementchemikers Michaelis, dass "niemals der Konsument eine auch nur annähernd zweckentsprechende Wahl der Zumischmittel treffen" könne und dass "er dieselben höchstwahrscheinlich niemals so innig dem Zement inkorporieren kann, wie es geschieht, wenn die Zumischmittel den ganzen Zerkleinerungsprozeß des Zementklinkers in der Fabrik mit durchmachen" [13]. Hingegen stellte 1902 der Verein deutscher Portland-Cementfabrikanten fest, "dass das Mischen von Portland-Cement mit Hochofenschlacke und anderen Stoffen besser nicht in der Fabrik, sondern auf der Baustelle vorgenommen werden sollte, damit der Bauleiter sich nicht auf Angaben zu verlassen braucht " [14]. In Deutschland vermarktete ab 1923 die Sächsisch-Thüringische Portland-Cement- Fabrik Prüssing & Co. AG im Werk Thuringia in Unterwellenborn, Thüringen (Bild 2), unter dem Namen "Thurament" einen "stark hydraulisch wirkenden Zuschlag ohne nennenswerte Eigenfestigkeit". Hierzu wurden frischer Hüttensand der Maximilianshütte, ältere "Haldenschlacke" sowie Gips verwendet. Thurament wurde "mit Portlandzement, Hüttenzementen oder Kalk", unmittelbar im Beton verarbeitet. Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften, die Diskussion verschiedener betontechnischer Fragen und zahlreiche Anwendungsbeispiele sind in [5] zusammengestellt. Auf Grund der unterschiedlichen Anforderungen an Betone hinsichtlich Festigkeit und chemischen Widerstand sowie der unterschiedlichen Portlandzementqualitäten wurden vom Hersteller unterschiedliche Mischungsverhältnisse angegeben (Tabelle 2). Die besonderen spezifischen Eigenschaften des Thuraments glichen denen hüttensandreicher Zemente: Geringe Hydratationswärmeentwicklung, geringe Schwindneigung, hohe Dichtigkeit und geringe Ausblühneigung sowie insbesondere hoher Widerstand gegen chemischen, beispielsweise sulfatischen Angriff [5, 6, 10, 15, 16]. Thurament kam bei einer Vielzahl von Betonbauwerken zum Einsatz, die sich als dauerhaft erwiesen haben. Der Schwerpunkt lag dabei im Massenbeton (Brücken, Fundamente) und Tiefbau, aber auch Rohre und Mörtel wurden hergestellt. Das vielleicht eindrucksvollste Beispiel für die Anwendung sind die Wasser- und Brückenbauwerke für die Saalekaskade in Thüringen. Dazu zählen die erbaute Bleilochtalsperre bei Saalburg ( m³ Beton) sowie die Report des FEhS-Instituts 1/2010 2

3 erbaute 75 m hohe Gewichtsstaumauer bei Hohenwarte (Bild 3). Beide Talsperren waren nach ihrer Fertigstellung die größten in Europa erfolgte die allgemeine baupolizeiliche Zulassung für Thurament. Diese schrieb eine Mindestfeinheit, eine Mindestbasizität und die Kombination ausschließlich mit Portlandzement vor, begrenzte den maximalen Thuramentanteil auf 50 M.-% (in Ausnahmefällen auf 66 M.-%), gestattete die Anrechnung auf den Mindestzementgehalt und regelte sowohl Prüfungen auf der Baustelle als auch die Werksüberwachung. Die Anwendung war auf solche Bauteile beschränkt, "die zum Schutz gegen vorzeitige Austrocknung länger feucht gehalten werden können, wie z. B. Fundamente, Widerlager, Pfeiler, Talsperren, Wehre". Von der Verwendung bei feingliedrigen Stahlbetonteilen war Thurament ausgeschlossen [7]. Zement Thurament Portlandzement M.-% Eisenportlandzement M.-% Hochofenzement M.-% in besonderen Fällen: M.-% Tonerdezement fallweise M.-% Tabelle 2: Empfohlene Bindemittelmischungsverhältnisse für "Thurament" [5] Nach dem zweiten Weltkrieg erfolgte die Herstellung von Thurament auch bei der Portland-Zementwerke Heidelberg AG in Sulzbach-Rosenberg (Bayern). Hierzu wurde 1952 eine allgemeine baupolizeiliche Zulassung erteilt [8], die sich inhaltlich an die von 1943 anschloss. Die letzte Zulassung erfolgte war auch für "Lahyment" ein auf Basis des Hüttensands der Westfalenhütte Dortmund hergestellter Betonzusatzstoff eine allgemeine baupolizeiliche Zulassung erteilt worden [9], über dessen Verwendung bisher jedoch wenig bekannt ist. Aktuelle Situation in Deutschland Bauaufsichtliche Zulassung Auf Grund des Fehlens aktueller Erfahrungen mit Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff in Deutschland wurde 2006 vom DAfStb empfohlen, dass in Deutschland zur Anwendung von Hüttensandmehl gemäß DIN EN zunächst für jedes einzelne Hüttensandmehl individuell eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt eingeholt werden muss. Dies ist ein relativ langwieriges und kostenintensives Prozedere. Es liegt bisher nur eine solche allgemeine bauaufsichtliche Zulassung vor [18]. Sie wurde nach dem Prinzip der gleichwertigen Betonleistungsfähigkeit nach Abschnitt der DIN EN erteilt, die in umfangreichen Prüfungen nachgewiesen werden musste. Demnach werden bestimmte Kombinationen des Hüttensandmehls, das aus Hüttensand eines bestimmten Stahlstandorts hergestellt wird, Bild 3: Saale-Talsperre bei Hohenwarte, erbaut mit m³ Beton (1 Mio. t Gesteinskörnung, t Traßzement 40/60, t Thurament) [5, 17] mit beliebigem Portlandzement der Mindestfestigkeitsklasse 42,5 N den verschiedenen hüttensandhaltigen Zementen der DIN EN zugeordnet (Tabelle 3). Die Anwendung der Hüttensandmehl-Portlandzement-Mischungen richtet sich weitestgehend nach den für die hüttensandhaltigen Zemente geltenden Regelungen. k-wert-konzept Der k-wert ist ein Äquivalenzfaktor, der in generalisierter Form die Zementwirksamkeit eines Betonzusatzstoffes abbilden soll. Er wird über Festigkeitsvergleiche bei Betonen ohne und mit Zusatzstoff ermittelt. Seine Festlegung im betontechnischen Regelwerk berücksichtigt auch die Dauerhaftigkeit der mit Betonzusatzstoffen unter Verwendung eines k-werts hergestellten Betone. Das "k-wert-konzept" für die Anwendung von Betonzusatzstoffen [19, 20] ist in den Betonnormen DIN EN und DIN für Steinkohlenflugasche und Silikastaub anerkannt. In Deutschland wird bei der Ermittlung der k-werte so verfahren, dass die Druckfestigkeiten von Betonen verglichen werden [22], die mit Portlandzement und mit Betonzusatzstoff- Zement-Kombinationen hergestellt werden. Die Herstellung erfolgt bei konstantem Wassergehalt und unterschiedlichen Bindemittelgehalten also unterschiedlichen w/b- Werten bei ähnlicher und ggf. durch Zusatzmittel eingestellter Konsistenz. Dies entspricht dem grundlegenden Prinzip der Walz-Kurve, die unabhängig von der Zementart lediglich in Abhängigkeit vom w/z- Wert und der Festigkeitsklasse des Zements die Betondruckfestigkeit ableitet [21]. Für Hüttensandmehl wird ergänzend zur deutschen Regelung über bauaufsichtliche Zulassungen (vgl. Abschnitt "Bauaufsichtliche Zulassung") noch in 2010 ein allgemeiner k-wert eingeführt werden [3]. Über die Bauregelliste A, Teil 1 (Ausgabe 2/2010, Anlage 1.52) werden die Eignung von Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff Typ II und die Eignung des k-wert-ansatzes dafür anerkannt. Es werden sinngemäß die Regelungen für Steinkohlenflugasche gelten. Dies führt zu einem k-wert von 0,4 bei Kombinierbarkeit mit verschie- Report des FEhS-Instituts 1/2010 3

4 CEM I - HSM - Mischung Zement nach DIN EN CEM I 42,5 N HSM-Gehalt Zementart Hüttensandgehalt CEM II/A-S 6-20 M.-% CEM II/B-S M.-% ) CEM III/A 2) M.-% ) M.-% CEM III/B 3) < 30 > 70 4) M.-% 1 ) lt. abz nicht für XF 4 zulässig 2 ) lt. DIN für XF 4 42,5 oder 32,5 R und max. 50 % Hüttensand 3 ) lt. DIN für XF 4 nur Meerwasserbauteile und Räumerlaufbahnen 4 ) lt. abz nicht zulässig Tabelle 3: Zuordnung von Hüttensandmehl-Portlandzement-Mischungen zu den hüttensandhaltigen Zementen nach DIN EN [18] Aktivitätsindex (28d) [%] HSM 317 (a) / CEM I (I) HS-Nr.: HSM 317 (b) / CEM I (I) HSM 317 (a) / CEM I (II) HSM 317 (b) / CEM I (II) HSM 317 (a) / CEM I (III) HSM 317 (b) / CEM I (III) HSM 320 (a) / CEM I (I) HSM 320 (b) / CEM I (I) HSM 320 (a) / CEM I (II) denen Zementarten und einem maximalen Hüttensandmehl/Zement-Verhältnis von 0,33. Eine gemeinsame Verwendung mit Steinkohlenflugasche ist nicht vorgesehen. Der niedrige k-wert von 0,4 basiert auf einer im Auftrag des DIBt am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen von 2005 bis 2009 durchgeführten Worst Case- Betrachtung [22]. Diese resultierte aus den niedrigen Normanforderungen an Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff, vgl. Tabelle 1 [1]. Sie spiegelt daher nicht annähernd die reale Leistungsfähigkeit von gemahlenem Hüttensand wider, wie er bisher in Deutschland als Zementbestandteil oder in anderen Ländern, wie z. B. England, Irland oder den Niederlanden, als Betonzusatzstoff Anwendung findet [23-27]. Das zeigen auch Ergebnisse erster Voruntersuchungen des ibac zum k-wert von marktrelevanten Hüttensandmehlen [28]. Die CEM I (I) CEM I (II) CEM I (III) CEM I (I) CEM I (II) CEM I (III) CEM I (I) CEM I (II) CEM I (III) HSM a/b: 5090 / 4280 cm²/g 5210 / 4240 cm²/g 5090 / 4180 cm²/g a b a b a b a b a b a b a b a b a b HSM 320 (b) / CEM I (II) HSM 320 (a) / CEM I (III) HSM 320 (b) / CEM I (III) HSM 325 (a) / CEM I (I) HSM 325 (b) / CEM I (I) HSM 325 (a) / CEM I (II) HSM 325 (b) / CEM I (II) DIN EN HSM 325 (a) / CEM I (III) HSM 325 (b) / CEM I (III) Bild 4: Signifikanter Einfluss unterschiedlicher Prüfzemente auf die Aktivitätsindizes von Hüttensandmehlen gemäß DIN EN k-werte solcher Hüttensandmehle überstiegen bei spezifischen Oberflächen von 4000 und 5000 cm 2 /g nach 28 Tagen den k-wert 1,0 z. T. deutlich (HSM/CEM I = 0,33). Aktuelle Voruntersuchungen des FEhS- Instituts bestätigen dies. Ein Grund für die deskriptive Festlegung eines pauschal niedrigen k-werts war das Fehlen unterschiedlicher Hüttensandmehlklassen in DIN EN , denen man unterschiedliche k-werte hätte zuordnen können. Eine Klassenbildung war zwar bei der Entwicklung der Norm diskutiert worden, jedoch seinerzeit nicht mehrheitsfähig gewesen. Im Zuge der kontrovers geführten aktuellen europäischen Diskussion (vgl. Abschnitt "Revision der europäischen Betonnorm") wird eine Klassifizierung von Hüttensandmehlen wieder thematisiert, ist jedoch nicht einfach. Beispielsweise verweist DIN EN in einer Anmerkung darauf, dass der Aktivitätsindex keine direkte Information über den Festigkeitsbeitrag des Hüttensandmehls im Beton liefert und dass die Zementsubstitutionsrate nicht auf die bei seiner Ermittlung verwendeten 50 % beschränkt ist. Ähnliche Hinweise finden sich bereits in den Thurament-Zulassungen. Dass der Aktivitätsindex allein keinesfalls ein ausreichendes Kriterium für eine Klassifizierung darstellen kann, geht aus Bild 4 hervor. Untersuchungen des FEhS-Instituts mit 3 unterschiedlichen Prüfzementen CEM I (I-III) und den 3 Hüttensandmehlen 317/320/325 in je 2 Feinheiten ( bzw cm²/g) bestätigten, dass der Aktivitätsindex deutlich von der Wahl des verwendeten Prüfzements abhängt. Der Einfluss dieses Zements kann so groß sein, dass deutliche Unterschiede sowohl der chemischen Zusammensetzung als auch der Feinheit des Hüttensands kompensiert werden. Nach 91 Tagen ist der Einfluss des Prüfzements allerdings kleiner, da dann die wesentlichen Portlandzementreaktionen bereits abgeschlossen sind. Aktuelle Situation in Europa In anderen Ländern werden für Hüttensandmehl sowohl deutlich höhere k-werte als 0,4 (allerdings bei sehr begrenzten Zementsubstitutionsraten) als auch und insbesondere andere Anwendungskonzepte verwendet. Letzteres gilt gerade für die Länder, in denen Hüttensand in nennenswertem Maß als Betonzusatzstoff verwendet wird (Großbritannien, Irland, Niederlande). Dabei handelt es sich im Wesentlichen um das Konzept gleicher Bindemittelleistungsfähigkeit ("Equivalent performance of combinations concept", EPCC) und das Konzept gleicher Betonleistungsfähigkeit ("Equivalent concrete performance concept", ECPC) [10]. Die Anwendung des Konzepts gleicher Betonleistungsfähigkeit ist in Deutschland Report des FEhS-Instituts 1/2010 4

5 bisher gemäß DIN generell nur im Rahmen einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung gestattet. Zum Konzept gleicher Bindemittelleistungsfähigkeit gibt es bisher keine Regelungen. Hüttensandmehlanwendung außerhalb Europas Es gibt weltweit eine Vielzahl von Bauwerken, die mit Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff hergestellt wurden und die sich auch bei aggressiven Expositionsbedingungen als dauerhaft erwiesen haben. Der grundsätzliche Nachweis der Eignung dieser Bauweise ist also in der Praxis erbracht. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel ist die 1998 eröffnete Akashi-Kaikyo-Brücke bei Kobe (Japan, Bild 5). Bei dieser 4 km langen Hängebrücke wurden 1,4 Mio. m³ Beton verbaut. Allein die Unterwasserfundamente für die beiden über 290 m hohen Brückentürme benötigten und m³ Beton. Dieser wurde zur Begrenzung der Hydratationswärme mit einer Bindemittelmischung (320 kg/m³), bestehend aus Portlandzement (16 %), Hüttensandmehl (54 %) und Steinkohlenflugasche (30 %), hergestellt. Auch die Anker für die Stahlseile der Brücke mit einem Betoniervolumen von m³ bzw m³ wurden mit hüttensandmehlund flugaschehaltigem, z. T. selbstverdichtendem Beton (260 kg/m³) hergestellt, um Rissbildung in der massiven Konstruktion zu vermeiden [29, 30, 31] (Bild 6). Noch während der Bauphase überstanden diese Konstruktionen unbeschadet das am die Stadt Kobe mit einer Stärke von 7,2 verwüstende Erdbeben, das den Abstand der beiden Brückentürme um immerhin 80 cm vergrößerte [32]. Revision der europäischen Betonnorm Betonleistungsfähigkeit, Konzept gleicher Bindemittelleistungsfähigkeit, k-wert-konzept. In den Normentext sollen nur kurze und allgemeine Beschreibungen dieser Prinzipien aufgenommen werden; eine ausführliche Darstellung mit Beispielen ist einem CEN-Technical Report vorbehalten. Die konkrete Festlegung der jeweiligen Anwendungskonzepte, z. B. des k-werts/der k-werte, wird nationalen Regelungen obliegen. Zukünftig sollen nicht nur Kombinationen mit CEM I-, sondern auch mit CEM II-Zementen geregelt werden. Ein Zwischendiskussionsstand hinsichtlich des k-wert-konzepts war, dass für beliebige Hüttensandmehle nach EN ein maximaler k-wert von 0,6 bei Kombination mit CEM I- und CEM II/A-Zementen sowie ein maximaler Zementaustausch von 50 % definiert werden könnten. Aus dem Statusbericht von TG 5 vom September 2009 geht allerdings hervor, dass bisher kein einstimmiger Kompromiss hinsichtlich eines minimalen k-werts oder hinsichtlich in Abhängigkeit von Aktivitätsindex, Feinheit und Glasgehalt definierter unterschiedlicher k-werte zwischen 0,6 und 1,0 gefunden werden konnte [36]. Problematisch ist, dass nur wenige publizierte Daten für k-werte für Hüttensandmehle vorliegen, da in den Ländern, die in großem Umfang Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff verwenden, nicht nach dem k-wert-konzept verfahren wird. Die CEN/TC 104/SC 1-Resolution 365 [37] vom September 2009 besagt, dass TG 5 ihre Arbeit mit folgenden Hauptthemen fortsetzen soll: Bild: Honshu-Shikodu Bridge Expressway Company Ltd. Bild: Honshu-Shikodu Bridge Expressway Company Ltd. Bild 5: Akashi-Kaikyo-Brücke bei Kobe (Japan) [33] Präzise Beschreibung der Grundlagen der drei Anwendungskonzepte Nationale Festlegung von k-werten und maximaler Substitutionsrate Empfehlung geeigneter k-werte und maximaler Substitutionsrate Basis der k-wert-ableitung soll der Vergleich der Dauerhaftigkeits-/Festigkeitseigenschaften von Betonen mit Zement und mit Zement-/Hüttensandmehlmischungen unter Variation des w/z-werts und der Substitutionsrate sein. Die europäische Betonnorm EN steht ab 2010 zur Überarbeitung an, die vom CEN/TC 104 "Concrete and related products" vorgenommen wird. Seit 2007 erfolgen hierzu Vorarbeiten in verschiedenen Arbeitsgruppen. Für den Teilaspekt 'Einbezug von Hüttensandmehl nach EN als Typ II-Zusatzstoff' ist die CEN/TC 104/SC 1/TG 5 "Use of additions" zuständig. Basis hierfür sind die CEN/TC 104/SC 1-Resolutionen 341 [34] und 355 [35]. Es ist geplant, zukünftig alle drei wesentlichen in Europa etablierten Konzepte der Anwendung von Betonzusatzstoffen in die Norm aufzunehmen: Konzept gleicher Bild 6: Anker für die Trägerseile der Akashi-Kaikyo-Brücke [33] Report des FEhS-Instituts 1/2010 5

6 Mit Resolution 366 [38] wurde im September auch die WG 15 reaktiviert, um in EN Produktkategorien/Hüttensandmehlklassen zu definieren. Diese Klassen sollen als Basis für die Festlegung verschiedener k-werte durch TG 5 dienen (vgl. Resolution 365). Diese Aufgabe ist durchaus ambitioniert, da hierzu zum einen Kriterien gefunden werden müssen, an denen die Klassen festgemacht werden können (Aktivitätsindex als "Summenparameter", chemische Zusammensetzung, Glasgehalt, Feinheit...), und zum anderen die betontechnischen Kennwerte passend zu den Kriterien/Klassen ermittelt werden müssen. Es ist geplant, dass TG 5 bis zum Sommer 2010 einen Schlussbericht erstellt, der dann eine Grundlage für die Sitzung des CEN/TC 104/SC 1 im September 2010 in Delft bilden wird. Ausblick In die künftige revidierte Fassung der EN werden die drei wesentlichen in Europa etablierten Konzepte zur Anwendung von Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff aufgenommen werden. Spätestens mit Fertigstellung der EN ergibt sich durch die Überarbeitung der DIN auch in Deutschland ein Regelungsbedarf, der über den jetzigen Stand hinausgehen wird. Der zurzeit einzig gangbare Weg der Anwendung, nämlich für jedes einzelne Hüttensandmehl eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt beantragen zu müssen, ist zeit- und kostenintensiv. Die noch in 2010 zu erwartende allgemeine k-wert-regelung mit einem niedrigen, einer pessimalen Betrachtung geschuldeten k-wert von 0,4 entspricht nicht der tatsächlichen technischen Leistungsfähigkeit marktrelevanter Hüttensandmehle und dürfte vermutlich keinen Eingang in die Praxis finden. Zweifelsohne besteht zurzeit in Deutschland zum Thema Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff noch ein erheblicher Forschungsbedarf [10, 12, 39]. Zu lange liegen die begrenzten Erfahrungen zurück und zu sehr unterscheiden sich die prinzipiell nutzbaren und in Europa etablierten Anwendungskonzepte voneinander. Daher werden sich zukünftige Forschungsarbeiten hinsichtlich der Konzepte gleicher Beton- bzw. Bindemittelkombinations-Leistungsfähigkeit mit deren Eignung für eine Anwendbarkeit in Deutschland beschäftigen müssen. Hinsicht- lich des k-wert-konzepts wird die Ermittlung von verschiedenen k-werten zwischen 0,4 und 1,0 für chemisch und physikalisch unterschiedliche Hüttensandmehle zu behandeln sein. Weitere Arbeiten werden sich der möglichen Festlegung unterschiedlicher Hüttensandmehlklassen widmen, die in DIN EN bisher noch nicht definiert sind. Hierbei wird insbesondere zu diskutieren sein, mit Hilfe welcher Parameter die Klassen gebildet werden können, wie die zugehörigen Grenzwerte aussehen und welche k-werte mit Hüttensandmehlen dieser Klassen zielsicher eingehalten werden können. Ein Hauptkriterium aller Arbeiten wird die Dauerhaftigkeit der mit Hüttensandmehl hergestellten Betone sein. Dabei kann auf die jahrzehntelangen positiven deutschen Erfahrungen mit hüttensandhaltigen Zementen und auf die im Ausland vorhandenen Erfahrungen mit Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff zurückgegriffen werden. Literatur Eine Liste der zitierten Literatur ist auf Nachfrage hin verfügbar.. Untersuchungen zur Eignung von Schachtofenschlacke für den Wasserbau Dr. rer. nat. M. Dohlen, Dr.-Ing. R. Bialucha Einleitung In einem neuartigen Schachtofen der ThyssenKrupp Steel Europe AG in Duisburg-Hamborn werden neben Roheisen aus hüttentypischen Reststoffen auch Schlacken, sog. Schachtofenschlacken (SOS) erzeugt. Da es für dieses neue Produkt bisher noch keine Erfahrungen zur Eignung als Wasserbaumaterial gab, wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens [1] die technischen Eigenschaften bzw. die Umweltverträglichkeit sowie das langfristige Verhalten bei einer Verwendung im Wasserbau untersucht. Um ein möglichst breites Einsatzspektrum abzudecken, wurde zwischen den beiden Anwendungen "Wasserbausteine" (grobe Körnung, wie z. B. 45/125 mm) und "Kornfilter" (z. B. Körnung 0/32 mm) unterschieden. Materialauswahl und Untersuchungen Für die Untersuchungen sind über einen Zeitraum von mehreren Wochen Durchschnittsproben entnommen worden, um einen möglichst guten Überblick über die Eigenschaften der produzierten Schachtofenschlacke zu erhalten. Aus diesem Grund sah das Forschungsprogramm vor, für die Laboruntersuchungen insgesamt sechs frische, d. h. nicht abgelagerte Schachtofenschlackenproben unterschiedlicher Produktionschargen in den Körnungen 45/125 mm und 0/32 mm zu untersuchen, die den Rahmen der Schwankungsbreite der technischen und chemischen Eigenschaften möglichst gut abdecken sollten. Um das Ziel des Forschungsvorhabens zu erreichen, wurden die Schachtofenschlackenproben zunächst im Labor einer umfassenden Charakterisierung sowohl hinsichtlich der bautechnischen Eigenschaften als auch der chemisch-mineralogischen Kennzeichnung unterzogen. Zum Nachweis der Umweltverträglichkeit kamen verschiedene Auslaugverfahren zum Einsatz. Zur Prüfung des kurzfristigen Auslaugverhaltens wurden das modifizierte DEV-S4-Verfahren [2] (Körnung < 1 mm, 8/11 mm und 45/90 mm), der compliance-test-1 [3] (Körnung 0/4 mm) und der compliance test-4 [4] (Körnung 0/10 mm) verwendet. Sechs Handstücke (Körnung 45/90 mm) wurden mittels Trogverfahren [5] untersucht. Für die Untersuchung des Langzeitverhaltens wurden eine Mehrfachelution nach dem DEV-S4-Verfahren (Körnung 8/11 mm), der Diffusionstest [6] ("Handstück"), der Verfügbarkeitstest [7] (Körnung < 125 µm) und das ph-stat-verfahren [8] (Körnung < 1 mm) durchgeführt. Weiterhin wurde die Schlacke auf ihre ökotoxikologischen Eigenschaften hin untersucht. Um zu untersuchen, wie sich die Schachtofenschlacke unter realen Einbaubedingungen verhält, wurde sie an einer bereits bestehenden Buhne im Rahmen von Erweiterungs- bzw. Reparaturmaßnahmen am linken Rheinufer in Duisburg-Rheinhausen eingebaut und rund zwei Jahre lang kontinuierlich beobachtet. Gleichzeitig wurde an einer zweiten Buhne, die sich in geringem Abstand befand, Naturstein (Grauwacke) eingebaut, damit ein direkter Vergleich zwischen den beiden Baumaterialien möglich war. Report des FEhS-Instituts 1/2010 6

7 Um den Einfluss der beiden Materialien auf den Verlauf der ökologischen Besiedelung durch Makrozoobenthos beobachten zu können, wurden die Wasserbausteine hinsichtlich des Aufwuchses mehrmals untersucht. Weiterhin wurde in gewissen Zeitabständen Porenwasser (Interstitialwasser) aus dem Innern der Buhnenkörper gesaugt, das dann auf seine Inhaltsstoffe im Vergleich zu dem anströmenden Flusswasser analysiert wurde. Die chemische Beschaffenheit des Interstitialwassers aus der mit Schachtofenschlacke gebauten Buhne wurde mit der aus Naturgestein gebauten Buhne verglichen. Ergebnisse Bautechnische Untersuchungen Um die generelle bautechnische Eignung der Schachtofenschlacke bei der Verwendung im Wasserbau zu untersuchen, wurden umfangreiche technische Prüfungen gemäß den Vorgaben der Technischen Lieferbedingungen für Wasserbausteine (TLW) [9] durchgeführt. Zusätzlich wurden Untersuchungen gemäß der europäischen Produktnorm für Wasserbausteine [10] sowie nach den Technischen Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TL Gestein-StB) [11] durchgeführt, um die Aussagen zur Eignung der Schlacke abzurunden. Die Wasserbausteine wurden in den Gewichtsklassen LMB 5/40 und LMB 10/60 beprobt und untersucht. Die Ergebnisse der technischen Untersuchungen zeigten, dass die Schachtofenschlacke die technischen Anforderungen für die Verwendung als Wasserbaustein bzw. als Kornfilter erfüllten. Umweltverträglichkeit In den S4-Eluaten der unterschiedlichen Körnungen der SOS lagen die meisten untersuchten Parameter unterhalb der Bestimmungsgrenze: < 1 mm: As, Cd, Co, Cr(VI), Fe, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, CN ges., N ges., NH 4 -N, NO 3 -N und P 2 O 5 8/11 mm: As, Cd, Co, Cr ges., Cr(VI), Cu, Fe, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, Zn, Cl, CN ges., N ges., NH 4 -N, NO 3 -N, P 2 O 5, AOX und Phenolindex 45/90 mm: As, Cd, Co, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Sn, Tl, Cl, CN ges., N ges., NH 4 -N, NO 3 -N und CSB Ebenso wiesen die Eluate im compliance test-1 und -4 der ausgelaugten Schlackenproben bei rund der Hälfte der untersuchten Parameter so geringe Werte auf, dass diese messtechnisch nicht bestimmt werden konnten. Selbst beim compliance test-1 ergaben sich für viele Schwermetalle trotz der relativ feinen Körnung (0/4 mm) und einem W/F-Verhältnis von 2:1 nicht zu bestimmende oder nur sehr geringe Konzentrationen. Auch die untersuchten Stickstoff- und Phosphatwerte, wie N ges., NH 4 -N und NO 3 -N sowie P 2 O 5, lagen immer unterhalb der Bestimmungsgrenze, so dass die Schachtofenschlacke in Gewässern nicht zu einer Eutrophierung beiträgt. Ein Vergleich zwischen den Ergebnissen der angewandten Schüttelverfahren (compliance tests und S4-Verfahren) mit unterschiedlichen Körnungen und W/F-Verhältnissen zeigte, dass die untersuchten Proben fast immer am stärksten im compliance test-1 auslaugten, was vor allem mit dem W/F-Verhältnis von 2:1 gegenüber 10:1 zusammenhing. Trogverfahren Ähnlich wie bei den verschiedenen Schüttelverfahren lagen viele Parameter in den Eluaten des Trogverfahrens (Körnung Ca-Konzentration [mg/l] SO4-Konzentration [mg/l] 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2, Wiederholungen der Elution 0, Wiederholungen der Elution 8,0 0,025 Si-Konzentration [mg/l] 6,0 4,0 2,0 Zn-Konzentration [mg/l] 0,020 0,015 0,010 0,005 0, Wiederholungen der Elution 0, Wiederholungen der Elution Bild 1: Verlauf der Mehrfachelution bei wiederholter DEV S4-Elution für die Parameter Ca, SO 4, Si und Zn Report des FEhS-Instituts 1/2010 7

8 10,0 120 ph-wert 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 SOS-1 SOS-2 SOS-3 Leitfähigkeit [µs/cm] SOS-1 SOS-2 SOS-3 6, Versuchsdauer [Tage] Versuchsdauer [Tage] 25 0,014 Ca-Konzentrtion in der Fraktion [mg/l] SOS-1 SOS-2 SOS Versuchsdauer [Tage] V-Konzentrtion in der Fraktion [mg/l] 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 SOS-1 SOS-2 SOS Versuchsdauer [Tage] Bild 2: ph-wert, Leitfähigkeit, Calcium- und Vanadium-Konzentrationen in den Eluaten der unterschiedlichen Fraktionen des Diffusionstests (64d-Standtest) 45/90 mm) im Bereich oder unterhalb der Bestimmungsgrenze. Unterhalb der Bestimmungsgrenze wurden für die nachfolgenden Parameter im Trogverfahren Konzentrationen grundsätzlich ermittelt: 45/90 mm: Al, As, Cd, Co, Cr(VI), Cu, Hg, K, Mo, Na, Sb, Se, Sn, Tl, V, Cl, CN ges., F, N ges., NH 4 -N, NO 3 -N und CSB Der Vergleich zwischen den Messwerten aus dem Trogverfahren und dem S4-Verfahren in der gleichen Körnung (45/90 mm) zeigte, dass die Auslaugung mittels Trogverfahren immer geringere Konzentrationen aufwies als beim S4-Verfahren, was vor allem auf die fehlende Bewegung des Eluenten und die dadurch reduzierte mechanische Beanspruchung zurückzuführen war. Mehrfachelution mittels DEV-S4- Verfahren Zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens der Stoffauslaugung wurde das Probenmaterial viermal nacheinander mittels S4-Verfahren eluiert. Der ph-wert nahm im Mittel der sechs Proben von 10,7 auf 10,3 während der Mehrfachelution ab. Eine Vielzahl der untersuchten Parameter, wie z. B. Arsen, Blei und Cadmium, lag bereits bei der ersten Elution unterhalb der Bestimmungsgrenze und überstieg diese im weiteren Verlauf nur sehr selten. Mit fortschreitender Elution nahmen in der Mehrzahl der Fälle die Konzentrationen ab, wie z. B. bei den Parametern Calcium, Natrium oder Sulfat, was auf eine rasche Auswaschung und eine endliche Quelle hinwies. Einige Elemente wiesen ähnliche Konzentrationen über alle vier Elutionsschritte auf, wie beispielsweise Mangan und Silicium. Daneben gab es auch Parameter, bei denen die Konzentration anstieg, wie beispielsweise beim Zink. Im Bild 1 sind beispielhaft die oben beschriebenen Typen des Auslaugverhaltens bei wiederholter Elution für die Parameter Ca, SO 4, Si und Zn dargestellt. Diffusionstest Die Ergebnisse der Diffusionstests (64d- Standtest) zeigten, dass sich die untersuchten Proben in ihrem Auslaugverhalten insgesamt nur sehr geringfügig voneinander unterschieden. Die untersuchten Parameter wiesen überwiegend geringe oder nicht nachweisbare Konzentrationen auf. Die ph-werte in den Eluaten der SOS- Proben waren insgesamt in ihrem Verlauf sehr ähnlich (Bild 2). Bei allen Proben konnte eine Abnahme um rund eine ph- Stufe während der Elution über 64 Tage nachgewiesen werden. Im Gegensatz zur Mehrfachelution mittels S4-Verfahren lagen die ph-werte in den Eluaten des Diffusionstests immer niedriger. Die Leitfähigkeit schwankte hingegen während der Versuchsdauer. Dies traf auch für andere Parameter, wie z. B. Aluminium, Barium, Calcium zu (siehe Bild 2). Die Konzentrationen dieser Parameter waren nach einem Rückgang in den mittleren Fraktionen am Ende des Versuchs (8. Fraktion) größer als bei der 1. Fraktion. Auch Silicium wies am Ende immer höhere Konzentrationen als zu Beginn auf. Sulfat war hingegen zum Ende immer geringer als zu Beginn. Nickel konnte meistens nur in der ersten Fraktion oberhalb der Bestimmungsgrenze bestimmt werden und sank anschließend darunter. Der Report des FEhS-Instituts 1/2010 8

9 Ba-Konzentration [mg/l] 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 ph-wert Si-Konzentration [mg/l] ,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 ph-wert Zn-Konzentration [mg/l] 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 ph-wert SO4-Konzentration [mg/l] ,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 ph-wert Bild 3: Mittelwerte der Löslichkeit von Ba, Si, Zn und SO 4 in den sechs SOS-Proben im ph-abhängigkeitsverfahren mit kontinuierlicher Säure-/Base-Zugabe Parameter Arsen war immer und Blei fast immer kleiner Bestimmungsgrenze. Vanadium wies keinen eindeutigen Verlauf auf. Betrachtet man beispielsweise die V-Freisetzung anhand der gemessenen Konzentrationen, so fällt auf, dass bei zwei Proben die Konzentrationen in etwa gleich blieben und nur in einer Probe während der Elution anstiegen (siehe Bild 2). Verfügbarkeitstest Der niederländische Verfügbarkeitstest (availability test) wurde entwickelt, um die maximal verfügbare Stoffmenge abschätzen zu können. Dazu wird das Probenmaterial in einer feinen Körnung (< 125 µm) und bei einem W/F-Verhältnis von 50:1 drei Stunden lang bei einem konstanten ph-wert von 7 und anschließend drei Stunden lang bei einem konstanten ph-wert von 4 ausgelaugt. Diese Elutionsmethode soll Informationen darüber liefern, welcher Anteil des Gesamtgehalts der Elemente eines Materials maximal mobilisiert werden kann. Die Ergebnisse der untersuchten Proben zeigten, dass trotz der intensiven Behandlung der Proben mit Säure (HNO 3 ) und der sehr feinen Körnung kein Arsen und Blei eluiert werden konnten. Vergleicht man die mittleren Werte von Barium, Nickel, Vanadium und Zink des Verfügbarkeitstests mit den Feststoffgehalten, so wird deutlich, dass maximal 0,03 des Bariums, 0,04 des Nickels, 0,002 des Vanadiums und 0,008 des Zinks mobilisiert werden konnten. Damit ergibt sich ein guter Hinweis darauf, wie fest diese Parameter mineralisch gebunden sind. ph-abhängigkeitsverfahren mit kontinuierlicher Säure-/Base-Zugabe Bei den ph-stat-elutionen lagen die Parameter Arsen, Blei, Nickel und Vanadium überwiegend unterhalb der analytischen Bestimmungsgrenze. Die Löslichkeit der übrigen Parameter stieg mit zunehmender Säurestärke (HNO 3 ) kontinuierlich an. Einzige Ausnahme bildete das Sulfat, das im basischen Milieu stärker auslaugte als bei niedrigen ph-werten. Bei der Zugabe der Base (NaOH) bis zu einem ph-wert von 12 zeigte sich ein ähnliches Bild wie bei der Säurezugabe. Mit zunehmender Basenstärke nahmen die Konzentrationen fast aller Parameter zu und erreichten ihren maximalen Wert bei ph 12. Das Sulfat unterschied sich von den anderen Parametern dahin gehend, dass es bei der maximalen Basenzugabe höhere Werte als bei der maximalen Säurezugabe aufwies. Warum beim ph-wert von 10, was in etwa dem natürlichen ph- Wert der SOS entspricht, die niedrigste Konzentration gemessen wird, ist nicht erklärbar. Generell gilt, dass selbst bei den sehr scharfen Auslaugbedingungen des ph-stat-verfahrens mit Korngrößen < 1 mm umweltrelevante Parameter meistens nur im ph- Wert-Bereich von < 5 mobilisiert werden. Diese Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse des availability tests, wonach die meisten untersuchten Elemente in der Schlackenmatrix der Schachtofenschlacke mineralisch sehr fest gebunden sind. Im Bild 3 sind die Konzentrationsverläufe ausgewählter Parameter über den ph-wert-bereich von 4 bis 12 dargestellt. Anhand des Verbrauchs der Säure / Base wurde die Säure- bzw. Baseneutralisationskapazität (ANC/BNC) berechnet. Aus den Ergebnissen der Messwerte war zu erkennen, dass der Verbrauch an Säure und dementsprechend der ANC-Wert umso höher war, je niedriger der angesteuerte ph-wert war. Analog dazu verhielt es sich bei der Zugabe der Base. Die durchschnittliche ANC betrug für die ph-stat-versuche bei einem eingestellten ph-wert von 4,0 im Mittel der sechs Proben 0,36 eq/kg. Report des FEhS-Instituts 1/2010 9

10 Ökotoxikologische Bewertung Für eine Einschätzung der Ökotoxizität der Schachtofenschlacke wurden Untersuchungen im Hinblick auf die akute Fisch-, Daphnien-, Algen- und Leuchtbakteriengiftigkeit [12, 13, 14, 15] durch das Hygiene- Institut des Ruhrgebiets durchgeführt. Im Hinblick auf die Toxizität gegenüber Wasserorganismen zeigten die durchgeführten Untersuchungen, dass die Wirkkonzentrationen der Schachtofenschlacke deutlich oberhalb der für den R-Satz: R 52 "Schädlich für Wasserorganismen" geltenden Kriterien der akuten Toxizität gegenüber Fischen (10 mg/l < LC mg/l), Daphnien (10 mg/l < EC mg/l) und Algen (10 mg/l < IC mg/l) lagen. Auch gegenüber Leuchtbakterien wies die Schachtofenschlacke keine Toxizität auf. Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass aus ökotoxikologischer Sicht die Schachtofenschlacke als unbedenklich zu bewerten ist. Dabei war auch von besonderer Bedeutung, dass der wasserlösliche Anteil und die Bioverfügbarkeit der toxikologisch relevanten Bestandteile, wie z. B. Cd, Cu, Pb und Zn, äußerst gering waren. In-situ-Untersuchungen Um die in den Laboruntersuchungen ermittelten Ergebnisse auch unter Praxisbedingungen zu verifizieren, wurden zwei verschiedene Untersuchungsansätze an den beiden Buhnen im Rhein ausgewählt. a) Entnahme von Interstitialwasser aus den Buhnenkörpern Um die potentielle Auslaugung der Schachtofenschlacke und des Vergleichsmaterials zu untersuchen, wurden während des Buhnenbaus Edelstahlrohre mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Länge von maximal 1,8 m, von denen 1,2 m seitlich geschlitzt sind, eingebaut. An insgesamt sechs Terminen innerhalb von rund zwei Jahren erfolgte die Entnahme von Interstitialwasser aus den Rohren und deren Analyse. Die Ergebnisse der Untersuchungen von Interstitialwasser (Porenwasser) aus den Buhnen sowie zum Vergleich einer Rheinwasserprobe ergaben, dass die untersuchten Proben untereinander und im Vergleich zum Rheinwasser keine signifikanten Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung aufwiesen. Die ph-werte zeigten bei beiden Varianten ähnliche Werte, die sich in einer Größenordnung von rund ph 8 bewegen. Das entspricht den Vergleichswerten des Rheinwassers und deutet darauf hin, dass sich die Schachtofenschlacke "inert" verhält. Diese Ergebnisse werden dadurch unterstützt, dass die untersuchten Parameter Al, As, V, Pb und Ni, nahezu über den gesamten Messzeitraum unterhalb der Bestimmungsgrenze lagen. Die anderen Parameter lagen bei allen Varianten oberhalb der Bestimmungsgrenze, was darauf hinweist, dass der Einfluss des Rheinwassers größer als die Beeinflussung durch das Material ist. b) Hydrobiologische Untersuchungen an den Buhnen Um Aussagen zur aquatischen Besiedelung (Sukzessionsentwicklung) der beiden Buhnen treffen zu können, wurden von Hydrobiologen der Universität Duisburg-Essen entsprechende Untersuchungen an insgesamt vier Terminen innerhalb von zwei Jahren jeweils im Frühjahr und Herbst durchgeführt. Nach Abschluss der Auswertungen kamen die Biologen zu dem Schluss, dass die für den Buhnenbau als Wasserbaustein eingesetzte Schachtofenschlacke keine negativen Auswirkungen auf das Makrozoobenthos ausübte. Es konnten vielmehr positive Effekte auf die Individuendichte (Abundanz) und teilweise auf die Artenzusammensetzung festgestellt werden. Im Vergleich zu der Buhne aus Naturstein waren die Individuenzahlen auf der Buhne aus Schachtofenschlacke höher. Die Artenzusammensetzungen der beiden Buhnen unterschieden sich kaum voneinander. Die Oberflächenstruktur der verwendeten Materialien ist dagegen von entscheidender Bedeutung. Die größere Porosität der Schachtofenschlacke bietet einer höheren Individuenzahl Schutz bzw. Nahrungsgrund, so dass die Individuendichte deutlich höher ist als auf der relativ gesehen glatten, mit weniger Poren durchsetzten Oberfläche der Natursteine (Grauwacke). Im zeitlichen Verlauf der vier Beprobungen zeigte sich eine deutliche Sukzession in der Artenzusammensetzung. Von einer artenarmen Pioniergesellschaft hat sich die Artengemeinschaft in Richtung zu einer stabileren Gesellschaft entwickelt. Allerdings scheint diese Entwicklung nach zwei Jahren noch nicht vollständig abgeschlossen zu sein, da auch noch bei der letzten Beprobung für beide Buhnen neue Taxa hinzukamen und andere verschwanden. Zusammenfassung Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten bautechnischen Untersuchungen im Labor bestätigen die grundsätzliche Eignung der Schachtofenschlacke für die Verwendung im Wasserbau für die beiden Einsatzgebiete Wasserbausteine und Kornfilter. Im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit ergaben die verschiedenen chemischen und ökologischen Labor- und Freilanduntersuchungen, dass die Schachtofenschlacke unbedenklich ist. Die Eluatkonzentrationen der untersuchten Proben zeigten auch bei verschiedenen Verfahren mit unterschiedlichen W/F-Verhältnissen und Körnungen, dass der Großteil der untersuchten Parameter vor allem aber umweltrelevante Schwermetalle unterhalb der jeweiligen Bestimmungsgrenze lagen. Auch bei chemischen Laborverfahren, die mit einer starken Zugabe von Base und Säure arbeiten, um die maximale Stofffreisetzung zu bestimmen, wurden keine kritischen Konzentrationen gemessen. Daraus lässt sich ableiten, dass das Langzeitverhalten der Schachtofenschlacke selbst bei wechselnden Umweltbedingungen umweltverträglich ist. Neben den hydrobiologischen Untersuchungen belegten auch die Untersuchungen des Interstitialwassers, dass unter realen Einbaubedingungen von Wasserbausteinen aus Schachtofenschlacke keine negativen Auswirkungen auf die Gewässerökologie zu befürchten sind. Auch die ökotoxikologischen Untersuchungen zeigten keine negativen Effekte auf aquatische Organismen. Insgesamt lassen sich die Ergebnisse des Forschungsvorhabens so zusammenfassen, dass die Schachtofenschlacke sowohl die technischen als auch die Anforderungen an die Umweltverträglichkeit für die Verwendung im Wasserbau erfüllt und damit als Baustoff gut geeignet ist. Danksagung Das IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung VDEh-Gesellschaft zur Förderung der Eisenforschung mbh wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Hierfür sei an dieser Stelle unser Dank ausgesprochen. Report des FEhS-Instituts 1/

11 Literatur [1] Bialucha, R.; Dohlen, M.: Untersuchungen zur Eignung von Schachtofenschlacke für den Wasserbau. Abschlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben Nr (2010) [2] Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau TP Gestein-StB, Teil Modifiziertes DEV-S4-Verfahren, Ausgabe 2008 [3] DIN EN ( ): Charakterisierung von Abfällen Auslaugung; Übereinstimmungsuntersuchung für die Auslaugung von körnigen Abfällen und Schlämmen Teil 1: Einstufiges Schüttelverfahren mit einem Flüssigkeits-/Feststoffverhältnis von 2 l/kg und einer Korngröße unter 4 mm (ohne oder mit Korngrößenreduzierung) [4] DIN EN ( ): Charakterisierung von Abfällen Auslaugung; Übereinstimmungsuntersuchung für die Auslaugung von körnigen Abfällen und Schlämmen Teil 4: Einstufiges Schüttelverfahren mit einem Flüssigkeits-/Feststoffverhältnis von 10 l/kg für Materialien mit einer Korngröße unter 10 mm (ohne oder mit Korngrößenreduzierung) [5] Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau TP Gestein- StB, Teil 7.1.2: Trogverfahren, Ausgabe 2008 [6] NEN 7375 ( ): Leaching characteristics Determination of the leaching of inorganic compounds from moulded materials with a diffusion test Solid earthy and stony materials [7] NEN 7371 ( ): Leaching characteristics Determination of the availability of inorganic compounds for leaching Solid earthy and stony materials [8] CEN/TS (2006): Charakterisierung von Abfällen Untersuchung des Auslaugungsverhaltens Einfluss des ph-wertes auf die Auslaugung bei kontinuierlicher ph- Wert-Kontrolle; Deutsche Fassung DIN CEN/TS 14997: 2007 [9] Technische Lieferbedingungen für Wasserbausteine (TLW) Ausgabe 2003, EG-Notifizierung Nr. 2003/ 0362/D vom 29. Dezember 2003 [10] DIN EN ( ): Wasserbausteine Teil 1: Anforderungen [11] Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau TL Gestein-StB, Ausgabe 2004 [12] OECD Guidelines for the Testing of Chemicals 203, Fish Acute Toxicity Test, 1992 [13] OECD Guidelines for the Testing of Chemicals 202, Daphnia sp. Acute Immobilisation Test, 1984 [14] OECD Guidelines for the Testing of Chemicals 201, Alga Growth Inhibitor Test, 1984 [15] DIN EN ISO ( ): Wasserbeschaffenheit Bestimmung der Hemmwirkung von Wasserproben auf die Lichtemission von Vibrio fischeri (Leuchtbakterientest) Teil 2: Verfahren mit flüssig getrockneten Bakterien Neubau einer Rohkohlesiloanlage im Gleitbauverfahren Dipl.-Ing. K. Lehmann Einleitung Die Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH (HKM) betreibt am Standort Duisburg-Huckingen ein integriertes Hüttenwerk, bestehend aus zwei Hochöfen und einem Stahlwerk. In die Hochöfen werden als Sekundär-Reduktionsmittel Schweröl und Erdgas als Ersatzbrennstoff für Koks eingeblasen. Aufgrund der nachhaltigen Veränderung der Rohstoffpreise soll zukünftig der Einsatz von Schweröl und Erdgas zumindest teilweise durch Kohlenstaub ersetzt werden. Hierzu baute HKM in den Jahren 2007 bis 2009 auf dem Werksgelände in Duisburg-Huckingen eine Kohlemahltrocknungs- und Einblasanlage (PCI- Anlage = pulverized coal injection). Kurzbeschreibung der Anlage Die Kohlemahltrocknungs- und Einblasanlage hat die Aufgabe, die vom Werkshafen über eine Bandlage angelieferte Rohkohle in einem Arbeitsgang zu Kohlenstaub aufzumahlen und zu trocknen. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus vier Rohkohlesilos als Vorrats- und Pufferbehälter mit den zum Transport der Kohle erforderlichen Transportbändern sowie den zwei Kohlemühlen mit anschließender Trocknung, die in einem Gebäude untergebracht sind (Bild 1). Der erzeugte Kohlenstaub wird mittels spezieller Einblaslanzen in die Hochöfen A und B eingeblasen. Sie wird ganzjährig kontinuierlich betrieben und soll eine Jahreskapazität von 1,08 Mio. t Kohlenstaub erreichen. Die vier neuen zylindrischen Stahlbetonrohkohlesilos mit einem Brutto- Fassungsvermögen je Silo von m 3 Rohkohle liegen auf der westlichen Seite der Hafeneinfahrt zum HKM-Werkshafen in Duisburg-Huckingen. Konstruktionsmerkmale Für die Herstellung der Silos galten folgende Bedingungen: Der Hafenbetrieb musste unter allen Umständen aufrecht erhalten bleiben, das angrenzende Landschaftsschutzgebiet durfte nicht beeinträchtigt und die bestehenden Uferwände durften nicht beschädigt werden. Die vorgegebene Bauzeit von 10 Monaten für alle Stahlbetonarbeiten musste unbedingt eingehalten werden. Unter diesen Voraussetzungen wurden vier Stahlbetonsilos mit einem Außendurchmesser von 15,60 m, bei einem lichten Abstand von 0,90 m untereinander errichtet. Dabei wurde von einer dauerhaftigkeitsrelevanten chemischen Beanspruchung des Stahlbetons der Gründungsbauteile, wie Bohrpfähle und Pfahlkopfplatte, aufgrund der vorgefundenen Sand- und Kiesauffüllungen nicht ausgegangen. Hinsichtlich der Report des FEhS-Instituts 1/

12 Allerdings musste bei einer Bauhöhe von 18,60 m die Gleitschalung umgebaut werden, um die vorgeschriebene Reduzierung der Wandstärke von 1 m auf 0,3 m zu erreichen. Der Umbau nahm einen Zeitraum von 12 Stunden in Anspruch. Dennoch war das Gleitbauverfahren für die je 47,00 m hohen Silos einschließlich des Umbaus der Schalung nach 10,5 Tagen je Silo abgeschlossen. Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesleistung von 4,20 m bei 24-stündigem Schichtbetrieb. Zwei Silos wurden während der Bauausführung zeitversetzt um 5 Tage parallel geglitten (Bild 3). Die Gleitbauarbeiten wurden in den Monaten Dezember 2007 und Januar 2008 ausgeführt. Bedingt durch die jahreszeitüblichen niedrigen Außentemperaturen kam in den Nachtstunden Warmbeton zum Einsatz. Dauerhaftigkeit und der Beanspruchung der Bauteile der Bauwerke wurden allerdings die Stahlbetonflächen der Silokonstruktion aufgrund des Schwefelgehaltes der Rohkohle in die Expositionsklasse XA1 "Betonangriff durch chemisch angreifende Umgebung" nach DIN 1045 eingestuft. Da die horizontalen Flächen der Hüttenflurebene teilweise auch mit luftbereiften Radladern befahren werden, konnte für diese Bauteile die Expositionsklasse XM2 nach DIN 1045 gewählt werden. Dies gilt auch für die Flächen innerhalb der Silos. Aus statischen Gründen erfolgte für den Einbau vorwiegend ein Beton der Festigkeitsklasse C35/45 Bild 1: Gesamtanlage PCI gemäß DIN Nur bei der Herstellung der Bohrpfähle und der Silodecke wurde ein Beton der Festigkeitsklasse C30/37 verwendet. Das Größtkorn der Gesteinskörnung betrug je nach Lage der Bewehrung 16 mm oder 32 mm. Aufgrund des gleichbleibenden Außendurchmessers und der vorgegebenen kurzen Bauzeit kam zur Herstellung der Stahlbetonsilos das Gleitbauverfahren zum Einsatz. Der Gleitvorgang ist mit einer kreisförmigen 1,20 m hohen Stahlschalung durchgeführt worden (Bild 2). Betonzusammensetzung und Betoneigenschaften Aufgrund der Lage des Bauwerks direkt am Rhein und im Einfahrtsbereich des Werkshafens der Hüttenwerke Krupp Mannesmann GmbH, Duisburg, kamen Betonzusammensetzungen mit einem hohen Widerstand gegenüber Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchungen sowie mechanischen und chemischen Beanspruchungen zum Einsatz. Die Betone im Bereich der Gründung, wie Pfähle und Bodenplatten, mussten zwangsläufig einen hohen Wassereindringwiderstand aufweisen. Zum Erreichen dieser Voraussetzung wurden daher bei allen Betonrezepturen als Bindemittel Hochofenzemente eingesetzt. Die verwendeten Zemente sind nachfolgend aufgeführt: Hochofenzement CEM III/A 32,5 N für Bauteile wie Bohrpfähle, Pfahlkopfplatte, Siloplatte und Silodecke Hochofenzement CEM III/A 42,5 N für Bauteile wie Pfahlkopfwände, Silowände (Gleitbeton), Trichterkonstruktionen und Wände für die Bandanlage Hochofenzement CEM III/A 52,5 N für Silowände als Gleitbeton bei sehr niedrigen Außentemperaturen Bild 2: Stahlschalung Gleitbau, Beginn des Gleitvorgangs Bild 3: Paralleles Gleiten, Silo 2, 3 und 4 Bei der Planung der Betonzusammensetzung musste aufgrund der mechanischen und chemischen Beanspruchung der Siloinnenflächen besonders viel Wert auf die Dauerhaftigkeit gelegt werden. Aus diesem Grund wurden die Expositionsklassen XC4, XF2/3, XA1, XD2/3 und XM2 gewählt. In der Regel wurde der Beton in der Konsistenzklasse F2/F3 eingebaut. Aus Report des FEhS-Instituts 1/

13 hielt der Beton das Bindemittel Hochofenzement CEM III/A 42,5 N oder CEM III/A 52,5 N. Der Einbau des Betons erfolgte mittels Krankübel. Die Zusammensetzung des Betons mit den aufgeführten Bindemitteln war ausschlaggebend für die Gleitgeschwindigkeit und den Gleitvorgang. Die geplante und erreichte Gleitgeschwindigkeit betrug i. M. 4,20 m/tag. Die hohe Gleitgeschwindigkeit konnte aufgrund der gleichmäßigen Betonkonsistenz, der konstanten Frischbetontemperatur und, da nachts keine extrem niedrigen Lufttemperaturen auftraten, über den gesamten Gleitvorgang aufrecht erhalten werden. Betonnachbehandlung Bild 4: Aufgerollte Nachbehandlung mit Langzeitschutz von der Nachlaufbühne Um die Dauerhaftigkeit aller Bauteile zu gewährleisten, mussten hohe Anforderungen an die Nachbehandlung des Betons gestellt werden. Die qualitative Umsetzung auf der Baustelle wurde ebenfalls ständig überprüft. Die vertikalen Siloinnenwandflächen wurden sofort nach dem Gleitvorgang mit einer aufsprühbaren Wachsemulsion gegen zu schnelles Austrocknen nachbehandelt. Die Siloaußenwandflächen konnten dagegen nach dem Gleiten und Abreiben der Flächen mit einem feuchtigkeitsverträglichen Oberflächenschutzsystem versehen werden. Von der Nachlaufbühne wurde dieses Material in zwei Arbeitsgängen auf die frisch abgeriebenen Betonflächen aufgerollt (Bild 4). Die gesamten Ausführungsarbeiten des Betoneinbaus wurden von Mitarbeitern des FEhS Instituts für Baustoff-Forschung e.v., Duisburg, überwacht. Zusammenfassung Bild 5: Fertiggestellte Rohkohlesiloanlage zeitlichen und wirtschaftlichen Gründen mussten die Silowände in Gleitbauweise hergestellt werden. Da die Betonierarbeiten in den kalten Wintermonaten Dezember bis Januar 2007/2008 erfolgten, waren für die geplante Gleitgeschwindigkeit besondere betontechnologische Bedingungen zu erfüllen. Die Frischbetontemperatur wurde auf + 20 C als Anlieferungstemperatur festgelegt. Die Konsistenz des Betons für die Gleitwände konnte mit einem Ausbreitungsmaß-Zielwert von 41 cm geplant und mit einer Toleranz von ± 2 cm eingebaut werden. Die Betonkonsistenz spiegelte sich beim Abreiben der Betonoberfläche nach dem Gleitvorgang wider. Variierende Ausbreitmaße des Frischbetons zeigten nach dem Gleitvorgang, dass die Betonoberfläche nicht mit gleichbleibender Qualität bearbeitet werden konnte. Um die angestrebte Grünstandfestigkeit auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen zu erreichen, mussten die Flächen der Gleitschalung an der Außenfläche der Nachlaufbühne mit Abplanungen geschützt werden. Der Bereich der Nachlaufbühne wurde nicht beheizt. Wie geplant und ausgeführt, ent- Für die Herstellung der vier zylindrischen Stahlbetonrohkohlesilos mussten m³ Beton eingebaut werden. Der Einsatz von Hochofenzementen war ein wichtiger Aspekt für die Dauerhaftigkeit dieser Bauwerke. Die Gleitbauweise mit Hochofenzementen stellte bei der Bauausführung eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Variante dar. Die geplante Gleitgeschwindigkeit wurde dabei auch in den Wintermonaten eingehalten, teilweise sogar übertroffen (Bild 5). Weitere detaillierte Angaben enthält die Veröffentlichung in "Beton-Informationen", Heft 5, 2009, Beton-Marketing GmbH. Report des FEhS-Instituts 1/

14 Das Wirtschaftsjahr 2009 Produktion und Einsatz von Hochofen- und Stahlwerksschlacke Dr.-Ing. Th. Merkel Das Jahr 2009 war gezeichnet von der größten Stahlkrise seit Der Rückgang der Stahlerzeugung etwa ein Drittel gegenüber den Vorjahren wirkt sich in ähnlichem Maße auch auf die Erzeugung der Schlackeprodukte aus. Die durch den Fachverband Eisenhüttenschlacken e.v. erhobenen Daten zur Produktion und zum Einsatz von Hochofen- und Stahlwerksschlacke bilden diese Ergebnisse ab. Sie sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengestellt. Nach 14,8 Mio. t im Jahr 2007 und 14,2 Mio. t im Jahr 2008 wurden im Jahr 2009 nur noch 9,8 Mio. t Hochofen- und Stahlwerksschlacke hergestellt. Dies führte dazu, dass sowohl bei der Hochofenschlacke als auch bei der Stahlwerksschlacke zwischengelagerte Bestände aus den Vorjahren abgebaut werden konnten. Erzeugung Schlacke aus Stahlroheisenerzeugung Schlacke aus sonstiger Roheisenerzeugung Gesamterzeugung davon: HS 4,88 HOS 0,57 Mio. t 5,39 0,06 5,45 Lagerabbau 0,23 Summe 5,68 Nutzung Tabelle 1: Erzeugung und Nutzung von Hochofenschlacken 2009 Mio. t HOS (Gesteinskörnungen) 0,09 HOS (Baustoffgemische) 0,69 Hüttenkalk < 0,01 HS zur Zementherstellung 4,48 HS für andere Einsatzgebiete 0,11 Eigenverbrauch der Werke 0,31 Summe 5,68 Bei näherer Betrachtung der einzelnen Daten zeigt sich, dass bei der Hochofenschlacke der Anteil des Hüttensands, der granulierten Hochofenschlacke, ein weiteres Mal angestiegen ist: Im Jahr 2009 wurden fast 90 % der erzeugten Hochofenschlacke granuliert. Dennoch konnte die absolute Menge der für die Herstellung von CEM-IIund CEM-III-Zementen in die Zementindustrie gelieferten Hüttensands nicht annähernd gehalten werden (Rückgang: ca. 2 Mio. t). Die aufgrund dessen erfolgte Umstellung von Rezepturen in der Zementund Betonindustrie wird sich im Hinblick auf den Absatz von Hüttensand sicher auch über das Jahr 2009 hinaus noch bemerkbar machen. Erzeugung Schlacke aus Oxygenstahlerzeugung Schlacke aus Elektrostahlerzeugung Mio. t 2,41 1,44 Schlacke aus Sonderverfahren 0,61 Gesamterzeugung Lagerabbau 4,46 0,16 Summe 4,62 Nutzung Tabelle 2: Erzeugung und Nutzung von Stahlwerksschlacken 2009 Mio. t Metallurg. Kreislaufführung 0,50 Düngemittel 0,40 Baustoffe (Straßenbau, Erdbau, Wasserbau etc.) 2,82 Sonstiges 0,52 Deponie 0,38 Summe 4,62 Haupteinsatzgebiet für die kristalline Hochofenstückschlacke ist der Einsatz als Baustoffgemisch zur Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel im Straßenoberbau, daneben die Lieferung von Gesteinskörnungen zur Herstellung von Asphalten und Betonen. Der durch die nochmals erhöhte Granulationsrate überproportionale Rückgang in der Erzeugung konnte durch den Abbau von Zwischenlagern zumindest abgemildert werden. Bei den Stahlwerksschlacken zeigen die Erzeugungszahlen naturgemäß ebenfalls einen deutlichen Einbruch. Hinsichtlich der Anteile der unterschiedlichen Nutzungsgebiete gibt es bei der metallurgischen Kreislaufführung, die ja auch wieder von der Stahlerzeugung abhängt, nur eine minimale Veränderung. Etwas zugenommen haben der Anteil der Düngemittel sowie der Anteil der Baustoffe, während die deponierte Stahlwerksschlacke sowohl anteilig als auch in absoluten Zahlen zurückgegangen ist. Ein Grund hierfür ist sicher in den durch die Konjunkturpakete angestoßenen zusätzlichen Infrastrukturmaßnahmen zu sehen. Hierdurch konnten auch die feinkörnigen Schlacken, die am Markt auf teils subventionierte Konkurrenzstoffe treffen, vermehrt eingesetzt werden. Beim Düngemittel- wie beim Baustoffmarkt kann davon ausgegangen werden, dass bei größerer Verfügbarkeit auch eine zusätzliche Nutzung möglich gewesen wäre. Ermöglicht wird dies durch die Qualität der Schlackeprodukte, aber auch durch den Aufwand, der vielerorts im Rahmen der Gütesicherung betrieben wird. So werden die Schlackeprodukte vieler Standorte auch entsprechend den RAL-Bestimmungen überwacht. Die Gütegemeinschaft Eisenhüttenschlacken e.v. überprüft im Rahmen von Eigen- und Fremdüberwachung die Einhaltung festgelegter Güte- und Prüfbestimmungen sowohl hinsichtlich technologischer Eigenschaften als auch bezüglich der Umweltverträglichkeit und verleiht bei Einhaltung der entsprechenden Anforderungen ein von RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.v. anerkanntes Gütezeichen. Die hierdurch gesicherte Qualität der Schlackeprodukte wird helfen, verloren gegangene Marktanteile zurückzugewinnen. Report des FEhS-Instituts 1/