Ressourcen schonender Beton – Werkstoff der nächsten Generation
01.11.2014 bis 31.10.2018
HeidelbergCement AG
Mineralische Bauabfälle stellen mit Abstand die größte Abfallfraktion dar. Bislang werden diese aufbereiteten Werkstoffe überwiegend für nicht gleichwertige Anwendungen wie z. B. im Tief- und Wegebau eingesetzt, d. h. das Potenzial zur Herstellung hochwertiger Werkstoffe wie z. B. Beton wird nicht genutzt (downcycling). Setzt man voraus, dass diese Verwertungswege in der Zukunft nicht weiter ausbaufähig oder sogar rückläufig sein können ("Sättigungseffekte" im Bereich von Infrastrukturmaßnahmen), so kommt einer verstärkten Verwendung im Betonbau eine große Bedeutung zu.
Es ist an der Zeit, mineralische Bauabfälle als Rohstofflager aus Altbaustoffen zu erkennen und sie ihrem Nutzungspotenzial entsprechend als hochwertige Werkstoffe einzusetzen. Dies trägt in erheblichem Maße zu einer Schonung der natürlichen Ressourcen bei und liefert einen entscheidenden Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung in diesem großen und wichtigen Baustoffsegment.
R-Beton ist ein innovativer Werkstoff. Als rezyklierte Gesteinskörnung (nachfolgend RC-Gesteinskörnung) können Altbaustoffe aus dem Hochbau wieder in den Hochbau zurückgeführt werden, indem sie zu Werkstoffen für die Beton- und Zementproduktion aufbereitet werden. Bislang wird R-Beton nur durch wenige Transportbetonwerke hergestellt, wobei das Anwendungspotenzial dieses Werkstoffs selbst in diesen Fällen nicht ausgeschöpft wird, da fast ausschließlich auf Altbetone für die Herstellung der RC-Gesteinskörnung zurückgegriffen wird.
Einer weitergehenden hochwertigen Verwendung der erzeugten Sekundärstoffe im Sinne eines geschlossenen Baustoffkreislaufs steht derzeit noch eine Reihe von Hemmnissen im Wege, die durch das Projekt ausgeräumt werden sollen.
So wird beispielsweise die Verwendung von feiner RC-Gesteinskörnung bisher ausgeschlossen und grobe RC-Gesteinskörnung nur in engen Grenzen zugelassen. Dies gilt insbesondere für den Einsatz von Gesteinskörnungen mit Anteilen aus gebrochenen Mauerwerksziegeln. Diese Regelungen beruhen auf dem Stand der Technik der 90er Jahre und berücksichtigen die deutlichen Fortschritte – z. B. im Bereich der Betonzusatzmittel und der Aufbereitungstechnik – nicht. Generell muss der Einsatz von R-Beton auch unter Umweltgesichtspunkten deutlich vorteilhaft sein, was über das Forschungsprojekt nachgewiesen werden wird.
Das Projekt umfasst die gesamte Wertschöpfungskette und greift alle Aspekte auf, die einer breiten Markteinführung des Werkstoffs R-Beton aus heutiger Sicht entgegenstehen. Im Ergebnis sollen praxisgerechtere Anwendungsregeln geschaffen werden, die sowohl für die Altbaustoffrecyclingunternehmen als Produzenten der Gesteinskörnungen als auch für die Transportbetonindustrie gegenüber dem Status Quo deutliche Fortschritte ermöglichen. Nur dann ist sichergestellt, dass sich diese ressourcenschonende Lösung durchsetzen kann und geschlossene Materialkreisläufe im Hochbau erreicht werden.
Abt. Entwicklung und Anwendung
Oberklamweg 6, 69181 Leimen
Dipl.-Ing. Raymund Böing
T: +49-6221-48113-797 | F: +49-6221-48113-757
raymund.boeing(at)heidelbergcement.com
13N13119
Teilvorhaben: R-Beton aus Sicht der praxisgerechten Anwendung
Das Teilvorhaben 7 steht in enger Beziehung zu den Teilvorhaben 2, 3, 4 und 6. Die im AP 2.1 entwickelten Zemente sollen in einem Zementwerk der HeidelbergCement AG großtechnisch hergestellt werden, anschließend in einem Transportbeton- und einem Fertigteilwerk der HeidelbergCement AG bzw. der Heidelberger Beton GmbH in der Betonproduktion getestet und in Bauteilen zur Anwendung kommen. Es besteht die Möglichkeit die zu testenden Betone im Rahmen der Small House Village der TU Kaiserslautern in einem Großdemonstrator einzubauen. Die Betone werden im Herstellwerk umfangreichen Prüfungen bezüglich der Verarbeitbarkeit, der Tragfähigkeit, des Verformungsverhaltens und der Dauerhaftigkeit unterzogen. Die Erkenntnisse sollen in einem
Leitfaden zusammengefasst werden. Dies geschieht in gleicher Weise
Im AP 7 werden verschiedene Betone in Balkenversuchen getestet, um Aussagen bzgl. des Bemessungsverfahrens zu treffen. Diese Betone werden in einem Transportbetonwerk der Heidelberger Beton AG hergestellt und dort wie vor beschreiben umfangreichen Prüfungen unterzogen.
Die vom Recycler zur Verfügung gestellten feinen und groben Gesteinskörnungen sind zu charakterisieren. Die beim Hersteller nicht möglichen umfangreichen regelmäßigen Prüfungen erfolgen im Labor der Abteilung Entwicklung und Anwendung der HeidelbergCement AG in Leimen. Die Ergebnisse des Gesamtvorhabens werden aufbereitet und im Gesamtkontext der Zielsetzung, R-Beton flächig im Markt einzuführen, ausgewertet. Die Fachöffentlichkeit wird mittels Publikationen, Internet (www.R-Beton.de) bzw. Veranstaltungen über das Forschungsvorhaben, dessen Ergebnisse und dessen Fortschritt regelmäßig informiert. Neue Erkenntnisse werden in die nationalen und europäischen Regelwerkgremien (DAfStB, DIN, CEN etc.) eingebracht.
Vorträge
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Entsorgung,
Rheinhorststr. 63, 67071 Ludwigshafen
Dipl.-Kfm. Herr Stephan Heberger
T: +49-621-67150-0 | F: +49-621-6780-14
13N13122
Innerhalb des Gesamtverbunds ist die Herstellung der RC-Gesteinskörnung einer der zentralen Punkte. Insbesondere die Herstellung eines homogenen, reproduzierbaren Gemisches aus dem insgesamt inhomogenen mineralischen Abfallstrom als Grundlage der Erforschung der Eigenschaften dieses Gemisches stellt die zentrale Herausforderung dieses Teilvorhabens dar.
Eine wesentliche Aufgabe besteht daher darin, die Abfallmassenströme zu identifizieren, aus denen sich geeignete Gesteinskörnungen für die Betonproduktion gewinnen lassen und die zugleich in ausreichender Menge zur Verfügung stehen.
Die Fa. Scherer + Kohl verfügt über langjährige Erfahrungen in der Aufbereitung der unterschiedlichsten Ausgangsmaterialien bzw. mineralischen Bauabfälle. Die Möglichkeiten der verschiedenen in der Praxis üblichen Aggregate und Aufbereitungsanlagen sind bekannt. Ebenso bekannt sind die Möglichkeiten, die Verwertungsergebnisse über ein gutes auf die Erfordernisse abgestimmtes Stoffstrommanagement zu unterstützen.Auf Basis dieses Wissenstands werden neue Ansätze in der Aufbereitung von mineralischen Abfällen gesucht.
Nicht zuletzt über entsprechende Feldversuche sollen sinnvolle Aufbereitungsstrategien für verschiedene Ausgangsmaterialien erforscht werden. Dabei wird eine wichtige Aufgabenstellung darin bestehen, die unterschiedlichen Massenströme so zu Gesteinskörnungen zusammenzuführen, dass die Gemische / Produkte in einem gewissen Rahmen auch über lange Zeiträume und große Massenströme hinweg gleichbleibende Verarbeitungseigenschaften aufweisen.
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Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen
Gottlieb-Daimler-Straße 60, 67663 Kaiserslautern
Prof. Dr.-Ing.
Wolfgang Breit
T: +49-631-205-2297 | F: +49-631-205-3101
wolfgang.breit(at)bauing.uni-kl.de
13N13121
Innerhalb des Teilvorhabens 3 soll eine Aufweitung der vorhandenen Anwendungsbeschränkungen für Beton mit rezyklierter feiner und grober Gesteinskörnung unter Berücksichtigung der Bemessungsansätze nach EC 2 wissenschaftlich untersucht und möglich gemacht werden.
Das Teilvorhaben umfasst drei Themenbereiche, die die gesamten werkstoffwissenschaftlichen Fragestellungen für die Verwendung rezyklierter Gesteinskörnung im Beton abdecken. Es wird von betontechnologischer Seite die Verwendung von feinen rezyklierten Gesteinskörnungen für die Betonherstellung sowie die Verwendung von groben rezyklierten Gesteinskörnungen im Beton untersucht. Aufbauend auf den so gewonnenen Erkenntnissen wird außerdem die Bemessung des Werkstoffes R-Beton bewertet.
Es sollen die Verwertungsmöglichkeiten feiner rezyklierter Gesteinskörnungen (< 2 mm) erschlossen und die Verwendbarkeit dieser feinen Gesteinskörnung bei der Betonherstellung umfassend untersucht werden. Dabei wird auf bestehende Untersuchungsergebnisse aufgebaut und durch weiterführende Forschung, unter Berücksichtigung der vielseitigen innovativen Entwicklungen im Bereich der Betonzusatzmittel in den zurückliegenden Jahren, ein möglichst umfassender Einsatz der bisher von der Verwendung bei der Betonherstellung ausgeschlossenen feinen rezyklierten Gesteinskörnung ermöglicht werden.
Im Zuge der Untersuchungen zur Verwertung der groben RC-Gesteinskörnung sollen mehrere Ansätze verfolgt werden, die sich aus den derzeitigen Einschränkungen der DAfStb-Richtlinie ergeben. Insgesamt gilt es dabei, die vorhandenen Einschränkungen durch das aktuell gültige Regelwerk (Typenauswahl, Mengenbegrenzung, Festigkeitsgrenzen…) unter Berücksichtigung moderner Betontechnologie zu überprüfen und den Anwendungsbereich und somit die Akzeptanz des Werkstoffs R-Beton deutlich zu erweitern. Die entwickelten Betonzusammensetzungen sollen dabei so gestaltet sein, dass eine Umsetzung in die Praxis unmittelbar möglich ist. Um dies zu ermöglichen werden praxisgerechte Stoffmassenströme identifiziert und verwendet, außerdem sind die Umweltrelevanz und Ökobilanz der erforschten Werkstoffe, sowie die Problematik der Alkali-Kieselsäure-Reaktion zu beachten. Dies erfolgt über Schnittstellen zu den entsprechenden Teilvorhaben des Gesamtverbundprojekts. Darüber hinaus stehen die zu erarbeitenden Betonzusammensetzungen im Zusammenhang mit der Erforschung von speziellen R-Zusatzmitteln, die im Teilvorhaben 4 erarbeitet werden.
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EB/TD-B01
83308 Trostberg
Dr. Klaus Lorenz
13N13123
Das Ziel des Teilvorhabens der BASF im Rahmen des Projektes besteht darin, nach neuen, robusten Zusatzmitteln zu forschen, die in der Lage sind, die Nachteile der RC-Gesteinskörnung in Beton zu minimieren und deren breiteren Einsatz in Bauprodukten zu ermöglichen.
So wird beispielsweise die Verwendung von feiner RC-Gesteinskörnung bisher ausgeschlossen und grobe RC-Gesteinskörnung nur in engen Grenzen zugelassen. Dies gilt insbesondere für den Einsatz von Gesteinskörnungen mit Anteilen aus gebrochenen Mauerwerksziegeln. Diese Regelungen beruhen auf dem Stand der Technik der 90er Jahre und berücksichtigen die deutlichen Fortschritte – z. B. im Bereich der Betonzusatzmittel und der Aufbereitungstechnik – nicht.
Im Zusammenspiel aus optimierter Aufbereitung der mineralischen Altbaustoffe und der Herstellung von RC-Gesteinskörnungen definierter Eigenschaften und Güte auf der einen Seite sowie der Verwendung optimal abgestimmter Zusatzmittel auf der anderen Seite, sollte der Einsatz von Gesteinskörnungen mit höheren Anteilen möglich gemacht werden können.
Der Einsatz von Recyclingmaterialien zur Betonherstellung erfordert gezielt hierauf maßgeschneiderte Zusatzmittel zur Regulierung des Wasserbedarfs über die Zeit, des Schwindverhaltens, der Rheologie, der Anfangsverflüssigung und der Konsistenzhaltung. Dazu soll zunächst die grundlegende Wirkungsweise der Zusatzmittel auf die Eigenschaften von Betonen mit R-Gesteinskörnung untersucht werden. Somit können die Anforderungen an die Zusatzmittel definiert -und erforderlichenfalls gezielte Modifikationen bereits vorhandener Zusatzmittel vorgenommen werden. Zudem kann die Zugabe der Zusatzmittel sowohl bei der Aufbereitung der Gesteinskörnung, als auch direkt in den Beton erfolgen. Die Wirksamkeit der ausgewählten Zusatzmittel wird in Grundlagenversuchen vergleichend und orientierend beurteilt werden. Mittels Beton-Prüfungen und begleitenden Untersuchungen grundlegender Aspekte wie der Zusammensetzung der Porenlösung und der Mikrostruktur, Adsorption und Porosität der RC-Gesteinskörnung, werden die am besten geeigneten Zusatzmittel identifiziert und abschließend im Rahmen von Feldversuchen in der Praxis getestet. Ein weiterer Aspekt können auch Zusatzmittel sein, die bei der Mahlung von Klinker mit R-Gesteinskörnung < 2mm gewinnbringend eingesetzt würden.
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Abteilung Betontechnik
Tannenstraße 2, 40476 Düsseldorf
Dr.-Ing. Christoph Müller
T: +49-211-4578-372 | F: +49-211-4578-219
christoph.mueller(at)vdz-online.de
13N13125
Ziel des Teilvorhabens 5 ist es, einen "Leitfaden zur Verwendung feiner RC-Gesteinskörnung (Brechsand) in der Zementherstellung" zu erarbeiten. Auf Basis wissenschaftlich-technischer Untersuchungen werden Nachweise erbracht, wie und unter welchen Rahmenparametern feine RC-Gesteinskörnung als Rohstoff, Hauptbestandteil oder Nebenbestandteil im Zementherstellungsprozess eingesetzt werden kann. Auf der Basis sog. "R-Zemente" – die aus Portlandzementklinker sowie RC-Gesteinskörnung (hier als Haupt- bzw. Nebenbestandteil) bestehen und in großtechnischen Betriebsversuchen sowie in Laborversuchen herzustellen sind, werden Zement- und Betonprüfungen - insbesondere zur Dauerhaftigkeit, durchgeführt. Können die Rahmenparameter für die Anwendung von RC-Gesteinskörnung angesichts neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse erweitert werden, ergeben sich Möglichkeiten zur Aufhebung bisheriger Restriktionen in der Anwendung.
Des Weiteren soll eine praxisgerechte Vorgehensweise zur zielsicheren Vermeidung einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion erarbeitet werden. Zum Nachweis der Alkaliunempfindlichkeit von Betonen sollen nunmehr neue, in den letzten Jahren erprobte Verfahren genutzt werden, um die Alkaliempfindlichkeit von R-Betonen unter Verwendung von RC-Gesteinskörnungen praxisnah zu bewerten.
Auch die ökologische Bewertung, wie die vergleichende Ökobilanz aus Sicht der Zement- und Betonherstellung, sowie der Nachweis aller relevanten Arbeitsschritte im Praxistest und die wissenschaftliche Aufbereitung aller Versuchsergebnisse gehören zu den Arbeitszielen dieses Teilvorhabens.
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Wilckensstraße 3, 69120 Heidelberg
Florian Knappe
13N13124
Mineralische Bauabfälle fallen jährlichen in erheblichen Mengen zur Entsorgung an. Sie umfassen zahlreiche verschiedene Abfallarten und Stoffströme, die sich in ihren stofflichen und physikalischen Eigenschaften deutlich unterscheiden. Durch die erheblichen Änderungen in der jüngeren Vergangenheit hinsichtlich Bauweisen und verwendeten Baumaterialien werden sich Aufkommen und Charakteristik dieser Abfallstoffströme verändern. In einem ersten Schritt gilt es daher für die Zukunft die Abfallmassen zu prognostizieren und zu beschreiben, die sich in ihren stofflichen Eigenschaften und im Massenaufkommen als sekundärer Rohstoff für die Betonherstellung eignen können.
Die Verwendung der R-Betone müssen sich auch aus gesamtökologischer Sicht gegenüber den bisher üblichen konventionellen Betonen als vorteilhaft erweisen. Aufbauend auf Erkenntnissen aus verschiedenen Teilvorhaben wird eine Ökobilanz erstellt, die die Herstellung des Betons und seiner gesamten Rezepturbestandteile inkl. der Herstellung der RC-Gestenskörnung, seinen Einsatz auf der Baustelle, den Nutzungszeitraum des Gebäudes hinweg bis hin zur Entsorgung des dann beim letztendlichen Rückbau anfallenden Bauschutts umfasst.
Die Qualität des Betons sowie Art und Menge der übrigen Rezepturbestandteile wird wesentlich über die als Zuschlag verwendete Gesteinskörnung und ihre Eigenschaften bestimmt. Im Rahmen einer ökologischen Begleitforschung gilt es daher sicherzustellen, dass sich die gesamte Prozesskette vondem Zugriff auf geeignete Ausgangsmaterialien aus dem Portfolio der mineralischen Bauabfälle, die verschiedenen Techniken und Prozesse der Aufbereitung bis hin zur Konfektionierung der Gesteinskörnung für die Betonherstellung gegenüber dem konventionellen Ansatz des Rückgriffs auf primäre Rohstoffe als vorteilhaft erweist. Gleichzeitig muss sich diese Produktionsausrichtung aus Sicht eines Bauschuttrecyclers gegenüber der Herstellung des konventionellen Produktportfolios an RC-Bauprodukten auch ökologisch rechnen. Nur wenn die Herstellung eines ressourcenschonenden R-Betons sich sowohl aus Sicht des Betonherstellers als auch aus Sicht des Bauschuttrecyclers als ökologisch vorteilhaft erweist und die geeigneten mineralischen Bauabfälle in ausreichender Menge als hierfür benötigte Rohstoffe zur Verfügung stehen, kann sich der mit dem Forschungsprojekt intendierte Impuls in Richtung Ressourcenschutz im Bau auch nachhaltig in der Baupraxis manifestieren.
Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen des IFEU-Institutes zum Thema R-Beton (siehe auch: www.r-beton.de); zum jetzigen Stand des Forschungsprojektes aber noch keine aus dem Projekt heraus entstanden.
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Institut für Bauforschung
Schinkelstraße 3, 52062 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Anya Vollpracht
T: +49-241-80-95116 | F: +49-241-80-92139
vollpracht(at)ibac.rwth-aachen.de
13N13120
Das Teilvorhaben umfasst zwei Themenbereiche, zum einen das Frischbetonrecycling (Arbeitspaket 6) und zum anderen die Untersuchung der umweltrelevanten Merkmale (Arbeitspaket 9).
Im Arbeitspaket 6 wird das Augenmerk auf die 125 Mio. t Restbeton gelegt, die jährlich weltweit anfallen. Der Restbeton wird von den Fahrmischern zu den Transportbetonwerken zurück transportiert und muss dort verwertet werden. Die heute gängigen Verfahren für die Aufbereitung sind relativ aufwendig und z. T. kostenintensiv. Die Firma Mapei S.p.A. hat für diese Baurestmassen ein neues Verfahren entwickelt, das umfassend auf seine Praxistauglichkeit untersucht werden soll. Wenn die Qualität und Dauerhaftigkeit von Betonen mit dem Frischbetonrezyklat nachgewiesen werden kann, soll im Nachgang zu diesem Projekt für das System eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung beantragt werden. Damit könnte dem deutschen Markt ein innovatives und kostengünstiges Verfahren zur Verwertung von Restbeton zur Verfügung gestellt werden.
Zielsetzung des Arbeitspakets 9 ist es, eine Datengrundlage zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von rezyklierten Gesteinskörnungen bzw. dem daraus hergestellten R-Beton zu schaffen. Derzeit muss jeder Anwender eine bauaufsichtliche Zulassung für seine spezifische RC-Gesteinskörnung vorweisen, um den Beton im Kontakt mit Boden und/oder Grundwasser einsetzen zu können. Die Bewertung erfolgt nach den Grundsätzen zur Bewertung der Auswirkungen von Bauprodukten auf Boden und Grundwasser des DIBt. Im ersten Schritt müssen die Inhaltsstoffe ermittelt werden. Die RC-Gesteinskörnung muss dabei unverdünnt und unvermischt analysiert werden.
Sind alle Ausschluss-kritierien für die Inhaltsstoffe eingehalten, so werden im zweiten Schritt die mobilisierbaren Inhaltsstoffe des zu bewertenden Bauprodukts ermittelt. Hierzu dienen Auslaugversuche, die dem spezifischen Baustoff und seinen Einbaubedingungen Rechnung tragen. Für Beton und Betonausgangsstoffe ist ein Langzeitstandtest maßgeblich, bei dem ein monolitischer Betonprobekörper nach vorgegebener Rezeptur hergestellt und in deionisiertes Wasser eingelagert wird. Das Wasser wird zu festgelegten Zeitpunkten gewechselt und analysiert. Die Prüfung ist sowohl zeit- als auch kostenintensiv.
Ein Teilziel des Arbeitspakets 9 ist es daher, ein alternatives, praxisgerechtes Prüfverfahren vorzuschlagen, das an der RC-Gesteinskörnung selbst durchgeführt wird. Wenn es gelingt, eine Vorgehensweise zur Bewertung der Umweltverträglichkeit zu finden, die schnell und unkompliziert ist und zuverlässig die Umweltverträglichkeit des R-Betons sicherstellt, so ist eine wesentliche Voraussetzung für die hochwertige Nutzung von RC-Baustoffen erfüllt.
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