Verwendung von mechanisch reaktiviertem Altbetonbrechsand als alternatives Kompositmaterial im Zement
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Aufbereitung von Altbetonen und der beim Brechvorgang anfallenden Sandfraktion unter zwei Millimetern, die üblicherweise keine Anwendung findet und deponiert wird, müssen wirtschaftliche, verfahrenstechnische und ökologische Aspekte für eine potentielle Verwendung betrachtet werden. Im Projekt wurden zur Gewinnung von Sandfraktionen zwei Altbetone unterschiedlicher Herkunft verwendet, die jeweils mit zwei separaten Methoden aufbereitet wurden. Die Aufbereitung mit einem Laborbackenbrecher, anschließender Siebung und Mahlung der Fraktion unter zwei Millimetern ist zeitaufwendiger und ineffektiver als der durchgängige Trennprozess in einer Vertikalmühle. Mit der Vertikalmühle gelang in den großtechnischen Versuchen durch die gezielte Anpassung der Maschinenparameter eine ertragreichere und sauberere Freilegung der natürlichen Gesteinskörnung durch niedrige Druckbeanspruchung im Gutbett (arretierende Beanspruchung) und parallelem Austrag der feinen Fraktion unter 300 µm mittels Windsichtung. Die gewonnene Gesteinskörnung, dies zeigen die peripheren Untersuchungen, kann hochwertig bei der Herstellung neuer Bauteile genutzt werden und leistet somit einen Beitrag zur Schonung der Primärressourcen in der angestrebten geschlossenen Kreislaufwirtschaft. Auch bezüglich der Reinheit des separierten Zementbindemittels (RC-Fein) schneidet die Aufbereitung in der Vertikalmühle deutlich besser ab als die Aufbereitung auf Basis eines Laborbackenbrechers. Im RC-Feinst aus der Aufbereitung durch Brechen mit dem Laborbackenbrecher, anschließender Siebung und konventioneller Mahlung in der Kugelmühle ist ein höherer Anteil an natürlicher Gesteinskörnung aus den Altbetonen vergleichend zum Sichterfeingut, welches aus der Vertikalmühlenbearbeitung stammt, nachweisbar. Insgesamt ist die Anreicherung des Zementbindemittels in den Sichterfeinguten deutlich höher als beim mehrstufigen Prozess auf der Basis des Laborbackenbrechers. Die angereicherten Bindemittelfraktionen (RC-Fein) aus beiden Aufbereitungsarten zeigten im Vergleich zu herkömmlichen Zementen eine gröbere Korngrößenverteilung, höhere spezifische Oberfläche nach BET und Gesamtporenvolumina trotz angepasster Oberfläche nach BLAINE. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die gewonnenen Mehle unabhängig von der Aufbereitungsart keine signifikante Eigenreaktivität besitzen. Auf der Basis der gewonnenen RC-Fein Materialien wurden Recyclinzemente mit Substitutionsgraden zwischen 5 und 35 % hergestellt. In der Verarbeitung der Recyclingzemente sind die erwähnten Eigenschaften der Ausgangsmehle verantwortlich für leicht erhöhte Wasseransprüche. Darüber hinaus ist ein klarer Trend erkennbar, dass mit steigendem Substitutionsgrad des Normalzementes der Erstarrungsbeginn sowie das Erstarrungsende zeitlich später eintreten. Im Vergleich zur Referenz konnte bei den Zementen mit RC-Feinanteil (Recyclingzemente) auch eine erhöhte Porosität im Zementstein nachgewiesen werden. Bei den Betonprüfungen (Recyclingzemente mit Substititionsgrad 20 %) hatte dies negativen Einfluss auf das Karbonatisierungsverhalten der Betone mit Recyclingzementen. Dennoch konnten gute Frostwiderstände und Druckfestigkeiten erreicht werden. Nach anfänglichen Verzögerungen beim Abbinden der Recyclingzemente betrugen nach 28 Tagen Hydratationszeit die Abweichungen der Druckfestigkeit vom Normalbeton, trotz Einsparung von 20 M.-% Zement, nur etwa 15 %. Ein geringer Reaktivitätsbeitrag ist somit, anders als bei den reinen Zementuntersuchungen, feststellbar. Vergleichend dazu liegt die Differenz zwischen der Betonmischung mit vollständigem Zementanteil und der Referenzmischung mit 20 % inerten Quarzmehl erwartungsgemäß bei etwa 21 %. Die anschließende Ökobilanzierung der Recyclingzemente zeigte, dass durch den Einsatz von RC fein (Zementsteinfüller) als Kompositmaterial im Zement der kumulative Energieaufwand, das Versauerungs- und das Treibhauspotential signifikant gesenkt werden können. Die größten Auswirkungen auf die Umwelt sind dem Transportprozess während der Herstellung des Sichterfeingutes zuzuschreiben. Dennoch ist, selbst bei einer maximal angenommenen Lieferdistanz der Sichterfeingute von 450 km, der anwendbare Substitutionsgrad von 20 M.-% als Kompositmaterial im Zement immer noch als ökologisch sinnvoll zu betrachten. Auf der Basis der angestellten Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit entsprechender Recyclingzemente sollte der Einsatz im Beton zunächst auf weniger stark exponierte nichttragende Innenbauteile begrenzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High energy milling of tricalcium silicate. In: Cement and Concrete Research, Nr. 120 (2019), S. 102-107
Reformat, M.; Bellmann, F.; Ludwig, H.-M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.03.015) - Zementmahlung – Untersuchungen zum Zusammenhang von Mahlaggregat und Materialeigenschaften. Dissertation, Bauhaus-Universität Weimar, 2020
Reformat, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4279)
