Stand Februar 1998

Technische Universität Darmstadt
Institut für Massivbau
Baustoffe, Bauphysik, Bauchemie
Baustoffkreislauf im Massivbau
Teilprojekt G/01
Industrielle Betonherstellung zur Erstellung von
Bauwerken unter Verwendung von Beton mit
Sekundärzuschlag aus Bauschutt
(Demonstrationsbauvorhaben)
Zwischenbericht
Stand Februar 1998
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Peter Grübl
Dipl.-Ing. Andrew Nealen
Alexanderstraße 5
64283 Darmstadt
Tel.: 06151/16-3945
BIM
1.
Teilprojekt G/01
Seite 2
Zielstellung
Die Bauverein AG, Bismarckstraße 15, Darmstadt, ist Auftraggeber des Bauvorhabens
Vilbeler Weg, bei dem ein Gewerbe- und Parkhaus erstellt wird (Bild 1). Ein kompletter Abschnitt dieses Gebäudes wird dabei ab der Erdgeschoßdecke mit Beton aus rezykliertem Zuschlag hergestellt. Dabei wird die Betontechnologie und Logistik vom Institut für Massivbau
der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Ziel dieses Projektes ist es, die praktische Anwendbarkeit der aktuellen Forschungsergebnisse zu demonstrieren und dabei die
Grundzüge einer praktikablen Qualitätssicherung zu definieren.
Bild 1: Grundriß und Schnitt des Bauvorhabens Vilbeler Weg
2.
Durchgeführte Arbeiten im Berichtszeitraum
Die zur Herstellung des Betons notwendige Mischanlage mit Sandfeuchtekorrektur der Firma
ELBA wurde in der Zeit vom Oktober 1996 bis Juni 1997 auf dem Gelände der Firma Kiebert
GmbH & CO. KG in Darmstadt-Arheilgen errichtet und in Betrieb genommen. Weiterhin aufgestellt wurden eine Restbeton-Recyclinganlage der Fa. BIBKO, die ungenutztes Zugabewasser und Zuschlag in den Produktionskreislauf zurückführt, sowie eine Zuschlag-Heizanlage
der Fa. WEHO.
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Teilprojekt G/01
Seite 3
Um einen Beton mit rezykliertem Zuschlag einsetzen zu können, ist eine Zustimmung im Einzelfall der zuständigen Bauaufsichtsbehörde erforderlich. Zu diesem Zweck wurden im Frühjahr 1997 mit mehreren Betonmischungen der Festigkeitsklasse B35 umfangreiche Versuche
durchgeführt, um deren Frisch- und Festbetoneigenschaften zu belegen. Diese bildeten die
Grundlage des Antrags auf Zustimmung im Einzelfall, welcher im Juli 1997 eingereicht und
im September 1997 genehmigt wurde. Zugelassen ist derzeit ein B35 mit 16mm und 32mm
Größtkorn.
Die daraufhin eingeführte anlagentechnische Qualitätssicherung beschäftigt sich in erster
Linie mit den Eigenschaften und der Zusammensetzung des zum Einsatz kommenden
Rezyklats. Die Baustoffaufbereitung K+S in Büttelborn ist mit der Anlieferung der
rezyklierten Kornfraktionen 2/8, 8/16 und 16/32, sowie eines bauaufsichtlich zugelassenen
Recyclingsandes der Fraktion 0/2a beauftragt. Die Eingangskontrolle bei Anlieferung umfaßt
dabei Siebline, stoffliche Zusammensetzung und Rohdichte aller Kornfraktionen.
Die Erstellung der ersten Bauteile aus Beton mit rezykliertem Zuschlag (Erdgeschoßdecke)
begann am 11.11.1997. Zum jetzigen Zeitpunkt geht der Rohbau in die Endphase und wird
voraussichtlich Mitte Februar 1998 abgeschlossen sein. Insgesamt sind derzeit 461m3 Beton
aus rezykliertem Zuschlag der Festigkeitsklasse B35, Größtkorn 16mm, eingebaut worden.
Die noch ausstehende Restmenge bis Rohbauende beträgt ca. 15m3.
Der Beton wird mit einer Konsistenz im Bereich a=40-52cm in Arheilgen hergestellt und bei
einer Fahrtzeit von ca. 20-25 Minuten zur Baustelle transportiert. Je nach vorhandener Kernfeuchte der Fraktion 2/16, welche bei der Einwaage nicht berücksichtigt wird, ist eine unterschiedliche
Ausgangskonsistenz
sowie
ein
unterschiedliches
Ansteifverhalten
des
Frischbetons zu beobachten. Deshalb ist es notwendig, die von der Bauleitung gewünschte
Konsistenz (a=55cm) vor Ort einzustellen. Dabei wird das Fließmittel FM26 der Fa.
Woermann dosiert, in Abhängigkeit von der Frischbetonkonsistenz bei Anlieferung an die
Baustelle. Diese wird per Ausbreitmaß ermittelt und schwankt bei Ankunft zwischen 34 und
42 Zentimeter. Der Beton wird bei Wandbauteilen per Kran und Betonkübel eingebracht, bei
den Decken allerdings bis zu 43 Meter per Betonpumpe in die Höhe gefördert.
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Teilprojekt G/01
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Im Vergleich zur DIN 1045 wird die Anzahl der Probewürfel zur Ermittlung der Druckfestigkeit erhöht. Es werden je Betoniertag und je 25m3 Beton sowohl an der Mischanlage als auch
auf der Baustelle jeweils eine Serie à 3 Probewürfel mit 150mm Kantenlänge hergestellt. Zeitpunkt der Probennahme ist an der Mischanlage nach dem Einfüllen des Betons in den Fahrmischer und auf der Baustelle nach erfolgter Fließmitteldosierung einschließlich der sich anschließenden 10 minütigen Durchmischung im Fahrmischer.
3.
Durchgeführte Untersuchungen und Ergebnisse
3.1
Betonrezeptur
Die aus der Zustimmung im Einzelfall hervorgegangene und verwendete Betonrezeptur (M21)
ist in Tabelle 1 dargestellt. Aus Bild 2 wird die in Laborversuchen ermittelte Festigkeitsentwicklung ersichtlich.
Tabelle 1: Betonrezeptur nach Zustimmung im Einzelfall
M21
Zugabewasser [kg/m³]
170
Zementgehalt
CEM I 42,5 R [kg/m³]
310
Zuschlag [kg/dm³]
1698
Sand 0/2a [kg/m³]
585
Rezyklierter Zuschlag 2/8
[kg/m³]
Rezyklierter Zuschlag
8/16 [kg/m³]
Flugasche [kg/m³]
545
568
40
Der Zuschlag der Fraktionen 2/16 wurde bei den Laborprüfungen in kernfeuchtem Zustand
verwendet, um den Praxisbedingungen an der Mischanlage gerecht zu werden. Die Kernfeuchte wurde an Darrproben bestimmt und auf insgesamt 4,7 M.-% (auf den trockenen Zuschlag bezogen) beziffert.
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Teilprojekt G/01
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Die Sieblinie wurde im Bereich AB16 so eingestellt (Körnungsziffer k=4,2), daß sich eine
Ausgangskonsistenz des Frischbetons zwischen KR und KP ergibt (a=41cm).
Druckfestigkeit [N/mm2]
60
50
40
30
20
Mischung M21, 16mm Größtkorn
10
0
0
7
14
21
28
Tage [d]
Bild 2: Druckfestigkeitsentwicklung der verwendeten Betonrezeptur (M21, Laborversuche)
3.2
Stoffliche Zusammensetzung des rezyklierten Zuschlags
Die Ergebnisse der augenscheinlichen Prüfung im Rahmen der Vorversuche sind in den
Tabellen 2a und 2b dargestellt.
Tabelle 2a: Stoffliche Zusammensetzung, Anteil höherfeste Bestandteile
Fraktion 2/8
[Gew.-%]
Höherfeste
Bestandteile
Bestehend aus:
Beton 1)
Kies, Naturstein 2)
Ziegel, Klinker
Keramik
1)
2)
Fraktion 8/16
[Gew.-%]
Fraktion 16/32
[Gew.-%]
98,9
97,4
94,6
43,9
54,5
45,2
51,1
44,4
42,2
0,5
-
1,1
-
5,8
2,2
Mörtelmatrix, Zuschlag mit anhaftenden Mörtelresten
Zuschlag aus dem aufbereiteten Abbruchbeton ohne Mörtelreste
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Teilprojekt G/01
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Bei jeder Zuschlaglieferung durch die Fa. K+S Baustoffaufbereitung wird diese augenscheinliche Prüfung durchgeführt und mit den in der Zustimmung im Einzelfall zugelassenen
Höchstwerten verglichen. Die Anteile an niedrigerfesten Bestandteilen sind dabei stets innerhalb der festgelegten Grenzen.
Tabelle 2b: Stoffliche Zusammensetzung, Anteil niedrigerfeste Bestandteile
Fraktion 2/8
[Gew.-%]
Niedrigerfeste
Bestandteile
Bestehend aus:
Putz, Mörtel
Leichtbeton
Asphaltgranulat
Schlacke,
Hochofengranulat
Restliche Stoffe
3.3
Fraktion 8/16
[Gew.-%]
Fraktion 16/32
[Gew.-%]
1,1
2,6
5,4
-
1,0
-
2,6
-
0,9
1,4
2,7
-
-
-
0,2
0,2
0,1
Trockenrohdichte
Die bei der Eingangskontrolle erfaßte Trockenrohdichte des rezyklierten Zuschlags verhält
sich über den gesamten Zeitraum des bisherigen Bauablaufs sehr konstant, so daß der
Kernfeuchtegehalt mit maximal ca. 4,5 M.-% bezogen auf den trockenen Zuschlag
betontechnologisch kein größeres Problem darstellt. Die ermittelten Kornrohdichten und
deren Schwankungen sind in Tabelle 3 aufgelistet.
Tabelle 3: Trockenrohdichte
Kornfraktion 2/8
[Kg/m3]
Kornfraktion 8/16
[Kg/m3]
Streubereich
2,35-2,45
2,30-2,44
Mittelwert
2,40
2,37
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3.4
Teilprojekt G/01
Seite 7
Druckfestigkeit
Zum jetzigen Zeitpunkt wurden die Druckfestigkeiten von 102 der insgesamt 162 Probewürfel
ermittelt und statistisch ausgewertet. Das sich ergebende Histogramm und die Verteilungsdichte (bei Annahme einer Standardnormalverteilung) sind in Bild 3 und 4 dargestellt. Dabei
wird zeitlich unterschieden zwischen der Probenentnahme an der Mischanlage und an der
12
Nach dem Mischen
10
Nach Fließmittelzugabe
Anzahl
8
6
4
2
0
35
37
39
41
43
45
47
49
Druckfestigkeit [N/mm2]
51
53
55
Bild 3: Histogramm der Druckfestigkeiten
Baustelle (Nach dem Mischen/ Nach Fließmittelzugabe). Da die Differenz der Druckfestigkeit
innerhalb einer Würfelserie (3 Würfel) mit maximal 2,1 N/mm2 relativ gering ist, wird die
Streuung insgesamt in erster Linie auf die variable Kernfeuchte der Zuschlagsfraktion 2/16
zurückgeführt. Die unterschiedliche Witterung während des Bauablaufs und die damit zusammenhängende Kernfeuchtevarianz führt zu unterschiedlichen wirksamen w/z-Werten, je nach
Restsaugvermögen des Zuschlags. Obwohl dieser Faktor bei der Zuschlag- und Wasserdosierung nicht berücksichtigt wurde, ist es gelungen, einen B35 mit einer Standardabweichung von 3 N/mm2 herzustellen (Tabelle 4). Die Sandfeuchte wurde hingegen mittels einer
kapazitiven Meßvorrichtung erfaßt und bei der Sand- und Wasserdosierung angerechnet.
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Teilprojekt G/01
Seite 8
Tabelle 4: Statistische Werte nach der Auswertung von 102 Probewürfeln
Nach dem Mischen
Nach
Fließmittelzugabe
Mittelwert [N/mm2]
45,5
45,8
Varianz
8,8
23,7
Standardabweichung
3,0
4,9
0,16
Nach dem Mischen, t=0min
0,14
Rel. Häufigkeit [-]
Nach Fließmittelzugabe
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Druckfestigkeit [N/mm2]
Bild 4: Dichteverteilung der Druckfestigkeiten bei Annahme einer Standardnormalverteilung
Die größere Streuung der Ergebnisse nach Fließmittelzugabe ist nicht geklärt. Ein direkter Zusammenhang zwischen zugegebender Fließmittelmenge und Druckfestigkeit ist nicht erkennbar. In Bild 5 ist die Abweichung der Druckfestigkeit nach Fließmittelzugabe im Vergleich
zur Druckfestigkeit nach dem Mischen aufgetragen. Legt man ein Regressionspolynom durch
die Ergebnisse der Abweichung, so wird eine Abnahme der Betonqualität ersichtlich. Ob diese
nun ein Nachlässigkeitseffekt ist oder z.B. einen Temperatureinfluß darstellt, ist noch nicht
genau nachvollziehbar. In Bild 6 sind alle Versuchsergebnisse in Abhängigkeit von der
erzielten Druckfestigkeit direkt nach dem Mischen und nach Fließmittelzugabe aufgetragen.
Teilprojekt G/01
Abweichung der Druckfestigkeit
[N/mm2]
BIM
6
Seite 9
Regressionspolynom
4
2
0
-2
-4
-6
Nach dem Mischen, t=0min
-8
Nach Fließmittelzugabe
-10
1
2
Polynomisch (Nach
Fließmittelzugabe)
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Würfelserie Nr.
Bild 5: Abweichung der Druckfestigkeit nach Fließmittelzugabe von der Druckfestigkeit nach
dem Mischen
Druckfestigkeit nach Fließmittelzugabe
[N/mm2]
55
50
45
40
35
35
40
45
50
Druckfestigkeit nach dem Mischen [N/mm2]
Bild 6: Erzielte Druckfestigkeiten vor und nach Fließmittelzugabe
55
BIM
4
Teilprojekt G/01
Seite 10
Zusammenfassung
Da der Rohbau in den kommenden Wochen abgeschlossen sein wird, kann die Auswertung
der Druckversuche ebenfalls beendet werden. Dabei ist die zum Teil große Qualitätsverschlechterung nach Fließmittelzugabe noch eingehender zu untersuchen, um ein sonst
erforderliches
„Druckfestigkeits-Vorhaltemaß“
auszuschließen.
Daß
trotz
variabler
Kernfeuchte durchweg eine gute Verarbeitbarkeit nach Fließmittelzugabe wiederhergestellt
werden konnte liegt zum einen an der konstant hohen Trockenrohdichte und der damit
zusammenhängenden geringen Wasseraufnahmekapazität des Rezyklats, und zum anderen an
der Tatsache, daß innerhalb des bisherigen Bauablaufs zu keinem Zeitpunkt eine völlige
Austrocknung des Zuschlags gegeben war, bedingt durch die eher feuchte Jahreszeit. Um
witterungsunabhängig einen konstanten Stoffraum, eine konstante Verarbeitbarkeit und einen
konstanten wirksamen w/z-Wert im Zusammenhang mit einer geringen Standardabweichung
der Druckfestigkeit zu gewährleisten, wird es in Zukunft erforderlich sein, das
Restsaugvermögen des rezyklierten Zuschlags bei der Einwaage zu berücksichtigen. Im
weiteren Verlauf dieses Teilprojektes wird deshalb untersucht, in welchem Maß eine
Regulierung der Zugabewassermenge erforderlich ist. Diskutiert werden in diesem
Zusammenhang sowohl Feuchtemeßverfahren als auch konsistenzgesteuerte Verfahren.
Darmstadt, den 10.2.1998