RC-Gesteinskörnung: Anwendung im Zement, Bewertung der Alkaliempfindlichkeit, Ökobilanzierung der Zement- und Betonherstellung

Feine rezyklierte Gesteinskörnungen aus der Aufbereitung mineralischer Bauabfälle, sog. Recyclingbrechsande, dürfen gemäß der aktuellen Regelungen der Recyclingrichtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) nicht als Gesteinskörnung zur Herstellung von Konstruktionsbeton verwendet werden. Im Hinblick auf die Frage alternativer Verwertungswege kann grundsätzlich auch eine Verwendung bei der Herstellung von Zement in Betracht gezogen werden.

Brechsande sind derzeit in DIN EN 197-1 nicht als Zementhauptbestandteil definiert und dürfen bei der Herstellung von Zementen nicht eingesetzt werden. Zemente mit gemahlenem Brechsand als Hauptbestandteil bedürfen einer Zulassung. Es müssen einerseits technische Nachweise zu den Eigenschaften nach den für Zemente geltenden Normen (z. B. DIN EN 196-1 bzw. DIN EN 197-1) erbracht werden. Die auf Basis dieser Zemente hergestellten Betone müssen Dauerhaftigkeitsprüfungen bestehen. Darüber hinaus müssen die im Zement verwendeten Brechsande umweltrelevante Eluat- und Feststoffparameter einhalten.

Ziel der Untersuchungen im Forschungsprojekt „R-Beton“ war die Erarbeitung von Hinweisen für die Verwendung von Brechsanden bei der Herstellung von Zement (im Rahmen des Projektes „R-Zement“ genannt). Der Großteil der R-Zemente wurde durch Mischen von 90 bzw. 70 M.-% Portlandzement CEM I 42,5 R bzw. 52,5 R mit 10 bzw. 30 M.-% gemahlenem Brechsand im Labor hergestellt. In großtechnischen Betriebsversuchen im Zementwerk wurden die R-Zemente durch gemeinsames Mahlen von Portlandzementklinker, Brechsand und einem Sulfatträger als Erstarrungsregler hergestellt. Es wurden Brechsande aus Betonbruch, Mauerwerksbruch, Dachziegelbruch, Gleisschotter und Bahnschwellen verwendet. Die R-Zemente entsprachen den Festigkeitsklassen 42,5 N bis 52,5 R. Die zulassungsrelevanten Bewertungskriterien für die Dauerhaftigkeit der Betone wurden unter Verwendung der Zemente mit bis zu 10 M.-% Brechsand eingehalten. Die Brechsande erfüllten zudem die umweltanalytischen Anforderungen gemäß DIN 4226-101.

Betrachtet man alle im Projekt mit R-Zementen erzielten Ergebnisse zusammen, ist festzustellen, dass diese Zemente mit bis zu 30 % Brechsand mindestens in Innenbauteilbetonen eingesetzt werden könnten. Voraussetzung wäre ein kontinuierlicher, gleichmäßiger Stoffstrom von entsprechender Qualität zwischen Aufbereiter und Zementwerk.

Bei Gesteinskörnungen für Beton nach EN 206-1 und DIN 1045-2 ist die Alkaliempfindlichkeitsklasse anzugeben. Der Betonhersteller wendet in Abhängigkeit von der Alkaliempfindlichkeitsklasse, dem Zementgehalt und den Umgebungsbedingungen vorbeugende Maßnahmen an, um Schäden infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) zu vermeiden. Bis zur Ausgabe 2010 der DAfStb-Richtlinie Beton mit rezyklierten Gesteinskörnungen waren bei rezyklierten Gesteinskörnungen, die nicht eindeutig einer unbedenklichen Alkaliempfindlichkeitsklasse zugeordnet werden konnten, Maßnahmen für E III-O-Gesteinskörnungen anzuwenden. Seit der Ausgabe 2007 der Alkali-Richtlinie bzw. 2010 der DAfStb-Richtlinie Beton mit rezyklierten Gesteinskörnungen sind rezyklierte Gesteinskörnungen in diesem Fall in die Alkaliempfindlichkeitsklasse E III-S (alkali-reaktiv) einzustufen. Dadurch änderten sich die vorbeugenden Maßnahmen im Vergleich zu den Maßnahmen für E III-O-Gesteinskörnungen (Kiese mit Opalsandstein und Flint aus Norddeutschland). Im Projekt wurden die Auswirkungen dieser Änderung auf das Risiko einer schädigenden AKR mit AKR-Performance-Prüfungen an Betonen überprüft.

Die Ergebnisse zeigen, dass die derzeitigen vorbeugenden Maßnahmen nach Alkali-Richtlinie zur Vermeidung von AKR-Schäden nicht in allen Fällen ausreichend sind, da der Fall E III-O hierdurch nicht abgedeckt ist. Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton passte die DAfStb-Richtlinie Beton mit rezyklierten Gesteinskörnungen auf der Basis dieser Ergebnisse entsprechend an.

In den Arbeitspaketen 10.1 und 10.3. des Verbundforschungsvorhabens wurde den Fragen nachgegangen, welchen Einfluss

• die Verwendung von Betonbrechsand auf die Ökobilanz der Zementherstellung und
• der Einsatz von RC-Gesteinskörnung auf die Ökobilanz der Herstellung von Beton haben können.

Über die Verwendung von gemahlenem Beton- oder Mauerwerksbrechsand bei der Zementherstellung lassen sich bei den meisten betrachteten Ökobilanzindikatoren Verringerungen der Umweltwirkungen erzielen. Wie sich in den Versuchen im VDZ zeigte, war beim „R-Zement“ im Vergleich zum Referenzzement der Zement feiner aufzumahlen, um vergleichbare technische Leistungsfähigkeit zu erreichen. Aufgrund der zusätzlich erforderlichen Mahlenergie kann der Primärenergiebedarf der Herstellung von „R-Zement“ gegebenenfalls höher liegen als der Primärenergiebedarf der Herstellung von Portlandzement ohne Brechsandanteil.

Die Umweltwirkungen der Aufbereitung von Betonabbruchmaterial zu rezyklierter Gesteinskörnung, die in der Ökobilanz der Herstellung von „R-Beton“ auszuweisen sind, waren in den untersuchten Fällen geringer als die Umweltlasten der Gewinnung/Aufbereitung natürlicher Gesteinskörnung. Die Ökobilanz der Betonherstellung kann daher durch den Ersatz von natürlicher Gesteinskörnung durch rezyklierte Gesteinskörnung verbessert werden. Zu beachten ist, dass sich aus dem großen Massenanteil der Gesteinskörnung im Beton je nach Transportentfernung zum Betonwerk ein erheblicher Einfluss der Umweltwirkungen aus dem Transport der Gesteinskörnung ergeben kann. Ob die Verwendung rezyklierter Gesteinskörnung in der Ökobilanz der Betonherstellung zu einer Verminderung der Umweltwirkungen führt, ist daher im Einzelfall zu betrachten und hängt insbesondere vom jeweiligen Verhältnis der Transportentfernungen von natürlicher zu rezyklierter Gesteinskörnung ab.

Mit Hilfe der Projektergebnisse wird Zement- und Betonherstellern die Einschätzung zur Frage erleichtert, unter welchen Voraussetzungen die Umweltwirkungen der Baustoffproduktion durch die Verwendung rezyklierten Betons vermindert werden können.