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Im Forschungsprojekt „Aufbaukörnungen“ wird eine Technologie zur Herstellung hochwertiger Leichtgranulate aus sekundären Rohstoffen auf der Basis von heterogenen und teilweise feinkörnigen Bau- und Abbruchabfallen entwickelt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Mauerwerkbruch, der größere Verwertungsdefizite als Betonbruch aufweist, Im Jahr 2010 fielen in Deutschland neben den rund 6 Mio. Tonnen reiner Ziegelabfälle mehr als 20 Mio. Tonnen ziegelhaltige Gemische als Bau- und Abbruchabfälle an. Der Verwertungsstrategie liegt die Idee des rohstofflichen Recyclings zu Grunde. Das heißt, nicht die physikalischmechanischen Eigenschaften des Mauerwerkbruchs, sondern sein Rohstoffpotenzial wird genutzt. Das Recycling baut auf der chemisch-mineralogischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials auf. Die Leichtgranulate(Aufbaukörnungen) werden am Ende eines mehrstufigen Herstellungsprozesses durch thermische oder hydrothermale Erhärtung produziert.
Im vorliegenden Beitrag werden der Herstellungsprozess beschrieben und die Ergebnisse zu den chemischen und physikalischen Eigenschaften der hergestellten Leichtgranulate denen von vergleichbaren handelsüblichen Blähtönen gegenübergestellt. Entscheidend für die Eignung einer leichten Gesteinskörnung ist jedoch letztlich ihre Leistungsfähigkeit im Beton. Daher wurden Betone mit den neuartigen Leichtgranulaten hergestellt. Über die Festbetoneigenschaften wird ebenfalls berichtet.
Heterogene und feinkörnige Bauabfälle aus Mauerwerkbruch lassen sich heute nur auf einem sehr geringen Qualitätsniveau verwerten. Um diese Situation zu überwinden, wurde das Material als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen verwendet, die ähnlich wie Blähtone und Blähschiefer in einem thermischen Prozess erzeugt werden. Auf der Grundlage einer Literaturübersicht wurde zunächst die grundsätzliche Eignung von Mauerwerkbruch bewertet. Es folgten experimentelle Untersuchungen, in welchen nachgewiesen werden konnte, dass Leichtgranulate mit definierten, einstellbaren Eigenschaften aus Mauerwerkbruch herstellbar sind. Sie sind in ihren Eigenschaften den leichten Gesteinskörnungen aus natürlichen Rohstoffen mindestens ebenbürtig. -----------------------------------------------------
At present heterogeneous and fine-grained masonry rubble is recycled at a very low level. To overcome this situation the material is used as feedstock for the generation of lightweight aggregates, produced by a thermal process similar to the manufacturing of expanded clays and shales. On the basis of a literature review the suitability of masonry rubble as raw material is evaluated generally. Then materials from different recycling plants were experimentally tested. The results show, that expanded granules with defined, adjustable properties can be produced from masonry rubble. The properties of these secondary lightweight aggregates are at least equivalent to the properties of the known expanded clay aggregates.
Neue leichte Gesteinskörnungen werden durch rohstoffliches Recycling aus heterogenem und feinkörnigem Mauerwerkbruch hergestellt. Die Erprobung dieser Aufbaukörnungen im Leichtbeton liefert Aussagen zu ihrer Qualität und Eignung. Nach einer kurzen Charakterisierung der für die Betonherstellung ausgewählten Aufbaukörnungen werden die entworfene Betonrezeptur vorgestellt und einige Ergebnisse der Festbetonuntersuchungen diskutiert.----------------------------------------------------------------------------------------------------------
New lightweight aggregates are produced by feedstock recycling from heterogeneous and fine-grained masonry rubble. Testing of these tailor-made expanded aggregates in lightweight concrete provides information about their quality and performance. Following a brief characterization of the tailor-made expanded aggregates used in concrete production, the concrete mix design is presented and some results of the tests of hardened concrete are discussed.
Bau- und Abbruchabfälle stellen den größten Abfallstrom in Deutschland dar. Die anfallenden Mengen und die erreichten Recyclingquoten sind in den seit 1996 erscheinenden Monitoring-Berichten der Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftsträger Bau dargestellt. In dem 2013 erschienenen Bericht [BV Baustoffe 2013] wird ausgewiesen, dass im Jahr 2010 53.1 Millionen Tonnen Bauschutt (ohne Straßenaufbruch) bestehend aus Beton- und Mauerwerkabbruch anfielen. Im Jahr 2010 fielen in Deutschland neben den rund 6 Mio. Tonnen reiner Ziegelabfalle mehr als 20 Mio. Tonnen ziegelhaltige Gemische als Bau- und Abbruchabfälle an [destatis 2012], Das in stationären oder mobilen Anlagen aufbereitete Material wird hauptsächlich im Tief- und Landschaftsbau eingesetzt. Ein Einsatz im Hochbau erfolgt nur vereinzelt. Hierbei werden rezyklierte grobe Gesteinskörnungen für Normalbeton aus Betonbruch gewonnen. Heterogener Mauerwerkbruch, der Wandbaustoffe, Mörtel, Putz, Fliesen und weitere Bestandteile enthält, oder die bei der Aufbereitung zwangsläufig entstehenden Feinfraktionen finden bisher keine Verwendung. Ursachen dafür sind die erhebliche Heterogenität in Bezug auf die Materialzusammensetzung und der große Feinkornanteil. Die Verwertung als Verfullmaterial und im Deponiebau oder die Deponierung selbst wird zukünftig durch die strikte Anwendung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes bzw. den stetigen Rückgang von Deponiekapazitäten nicht mehr möglich sein.
Heterogene und feinkörnige Bauabflle aus Mauerwerkbruch lassen sich heute nur auf einem sehr geringen Qualittsniveau verwerten. Um diese Situation zu überwinden, wird deren Verwendung als Ausgangsstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen vorgeschlagen, die hnlich wie Blhtone und Blhschiefer in einem thermischen Prozess erzeugt werden. Dafür wurde zunchst die grundstzliche Eignung von Mauerwerkbruch bewertet. Es folgten experimentelle Untersuchungen, in welchen nachgewiesen werden konnte, dass Leichtgranulate mit definierten, einstellbaren Eigenschaften aus Mauerwerkbruch herstellbar sind. Sie sind in ihren Eigenschaften den leichten Gesteinskörnungen aus natürlichen Rohstoffen mindestens ebenbürtig. Die daraus hergestellten, gefügedichten Leichtbetone erzielen durchweg vergleichbare Werte wie die Leichtbetone mit herkömmlichem Blhton. Leichtgranulate aus Mauerwerkbruch stellen ein Produkt dar, dessen Herstellung nahezu ohne Primrrohstoffe auskommt. Das Verfahrensprinzip scheint außerdem prdestiniert für die hochwertige Verwertung auch anderer mineralischer Reststoffe zu sein.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Production of lightweight aggregate from masonry rubble. At present, heterogeneous and fine-grained masonry rubble can only be recycled at very low quality. To overcome this limitation, the material was employed as feedstock for the production of lightweight aggregates in a thermal process similar to that used in the manufacture of expanded clay and expanded slate. To that end, the fundamental suitability of masonry rubble as a raw material was evaluated. Experiments were carried out which indicated that lightweight granules with defined, modifiable proper-ties on a par with to those of natural-material- based aggregates could be manufactured from masonry rubble. Structural lightweight concretes produced with these secondary aggregates achieved comparable performance to lightweight concretes produced with conventional expanded clay. Lightweight recycled building material aggregates represent a product that hardly requires any primary resources in its manufacture. In principle, the technique also seems to be well suited for high-quality recycling of other mineral waste materials.
Bei mineralischen Bauabfällen und industriellen Reststoffen sind mit zu Heterogenität und Feinheit der Materialien auch die größten Verwertungsdefizite zu verzeichnen. Mangels geeigneter Trenn- und Sortierverfahren stellt eine stoffliche Verwertung im Prozess "Aufbaukörnungen" insbesondere für die feinen Fraktionen Alternative dar.
Die Eignung von Mauerwerkbruch mit unterschiedlichen Zusammensetzungen für die Herstellung von Aufbaukörnungen wurde nachgewiesen. Testreihen im Labor und unter Praxisbedingungen in einem Betonwerk zeigen, dass die Eigenschaften von Leichtbetonen mit Aufbaukörnungen als leichte Gesteinskörnung mit denen herkömmlicher Leichtbetone hervorragend vergleichbar sind.
Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts werden die Eignungsuntersuchungen von thermisch porosierten Leichtgranulaten für den Einsatz in Leichtbetonen -mörteln vertieft. Unter Einsatz der Leichtgranulate sollen Sonderbetone zur Herstellung von Leichtbetonelementen konzipiert werden. In Restauriermörteln und Steinersatzmassen für die Denkmalpflege sollen hingegen insbesondere die fein Leichtgranulate mit Korngrößen < 2 mm eingesetzt. werden.
Die Herstellung hydrothermal erhärteter Granulate ist eine Möglichkeit zur Wiederverwertung von ziegelhaltigem Mauerwerkbruch, der derzeit aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und hoher Feinanteile ein besonders hohes Verwertungsdefizit aufweist. Dabei ist die hydrothermale Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1.6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre eine Alternative mit geringerem Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Herstellung von Leichtgranulaten aus mineralischen Abfällen (Blähgranulate) oder Tonen und Schiefer (kommerzieller Blähton bzw. Blähschiefer), die bei Temperaturen von 1200-1300 °C im Drehrohrofen erfolgt.
Die Festigkeit der Hydrothermalgranulate entwickelt sich bei diesem Prozess durch die Ausbildung von Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln und hydratisiertem Kalk entstehen. Die so erzeugten Hydrothermalgranulate haben Rohdichten zwischen 1500 kg/m3 und 2000 kg/m3. Damit und auch durch andere Eigenschaften unterscheiden sie sich von den thermisch erhärteten Blähgranulaten bzw. Blähtonen. Ursache dafür ist letztendlich eine sehr unterschiedliche Gefüge- und Porenstruktur. Im vorliegenden Beitrag wird hauptsächlich über die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen an Hydrothermalgranulaten zusammen mit ihren technologischen Eigenschaften, wie Kornfestigkeit, Rohdichte und Wasseraufnahme, berichtet.
Mikrostrukturelle und mineralogische Eigenschaften leichter Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch
(2015)
Poröse RC-Leichtgranulate mit Rohdichten zwischen 600 kg/m³ und 1400 kg/m³ können nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess durch thermische Erhärtung bei 1180 °C aus ziegelhaitigern Mauerwerkbruch hergestellt werden. Diese Granulate erfüllen die Anforderungen an leichte Gesteinskörnungen nach DIN EN 13055 und es lassen sich damit Leichtbetone nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 herstellen. Ihre Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschatten sind mit denen herkömmlicher Leichtbetone mit Blähtonkörnungen sehr gut vergleichbar. Das ist das Fazit aus dem in den letzten Jahren durchgeführten Verbundforschungsvorhaben "Aufbaukörnungen". Um jedoch die Granulatentstehung bzw. den Vorgang der Porosierung besser verstehen, den Herstellungsprozess optimieren und die Eigenschaften der Granulate maßschneidern zu können, wurden zusätzlich zu den makroskopischen Charakteristika, wie beispielsweise Porosität und Wasseraufnahme, die chemisch-mineralogischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Leichtgranulate untersucht. Dazu dienten Analysen mittels ICP-Emissionsspektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und mikroskopischen Verfahren. Im Beitrag wird über die Ergebnisse der Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen an Leichtgranulaten im Vergleich zu herkömmlichem Blähton berichtet.
Das Projektziel bestand in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichter Gesteinskörnung für Beton und Mörtel aus ziegelhaltigen Bau- und Abbruchabfällen durch thermische Porosierung. Hierzu erfolgte nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess eine thermische Stabilisierung der RC-Granulate (RCG). Nach Laborversuchen wurden RCG im halbtechnischen Maßstab hergestellt. Als Ausgangsmaterial dienten Mauerwerkbruch bzw. Gemische aus Mauerwerkbruch und Ton. Dabei wurde die gesamte Prozesskette vom Granulieren der Ausgangsmehle bis zur thermischen Behandlung im Drehrohrofen in einem Produktionsschritt dargestellt. Die erzeugten RCG sind mit Rohdichten zwischen 780 und 1800 kg/m³ leichte Gesteinskörnungen. In den Applikationsuntersuchungen erfolgte eine vollständige Verwertung des gesamten beim Brennprozess entstehenden Materials, von den Körnungen kleiner 2 mm für leichte Steinergänzungsmörtel (Leichtmörtel) bis zu den Körnungen 2-8 mm für Leichtbeton. Die RCG und die damit erzeugten Betone wurden umfangreich charakterisiert. Die Leichtbetone mit RCG wurden abschließend in Applikationsversuchen eingesetzt.