CLOSE (Nachhaltiges Recycling von Brechsand aus Betonabbruch)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 591.03.19

Schlüsselwörter (Deutsch)

Betonabbruch, Sekundärrohstoff, Aufbereitung, Klinker, Beton, Zement,

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Bei der Aufbereitung von Betonabbruch entsteht u.a. Brechsand, bestehend aus Sand, hartem Zementstein und feinen Fremdpartikeln (z.B. Holz- und Plastikpartikel). Dieser muss heute z.T. kostenpflichtig entsorgt werden, obwohl er ein wertvoller Sekundärrohstoff sein könnte. Bis jetzt wird Brechsand allerdings aufgrund der mangelnden Qualität nur ungenügend wiederverwendet (geringe Mengen, Downcycling).

Durch eine gezielte Aufbereitung und Lagerung von Betonabbruch kann die Rückbindung von CO₂ (Karbonatisierung) im Zementstein deutlich erhöht und dadurch die CO₂-Bilanz der Betonproduktion verbessert werden. Als hochwertiger Sekundärrohstoff kann Brechsand oder spezifische Fraktionen davon, als CO₂ -armer Rohmehlersatz für die Klinkerherstellung, als Zumahlstoff in der Zementmahlung bzw. als Zusatz- oder Zuschlagstoff in der Betonproduktion eingesetzt werden. Jede dieser Verwendung stellt unterschiedliche Anforderungen an die Qualität (Toleranz von Fremdstoffen, Zementstein-Anteil, Karbonatisierungsgrad etc.) und damit auch an die Aufbereitung des Betonabbruchs. Damit Brechsand breitflächig in der Praxis eingesetzt werden kann, müssen die verschiedenen Verwendungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Qualitätsanforderungen untersucht sein.

Im Projekt CLOSE sollen die Datengrundlagen für die drei genannten Einsatzgebiete geschaffen werden. Auf diesen Grundlagen können Standards/Normen im Bauwesen, Empfehlungen/Richtlinien in der Abfallwirtschaft sowie Konzepte zum Qualitätsmanagement in der Baustoffindustrie aufgebaut werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. 9 Brechsand-Muster (6 Mörtelmischungen aus dem Labor, 3 Brechsandmuster aus Recyclinganlagen) mit gemessenem Karbonatisierungsgrad stehen bereit (ca. 190 kg pro Muster). MS 1

    

2. Verwertung des gemahlenen Brechsandes (Zementstein-Sand-Gemisches) als Rohmaterialersatz bei der Herstellung von Zementklinker:

    

   Die maximale Rohmehlsubstitution wurde aufgrund der Eigenschaften (chemische Zusammensetzung, Verhältnis Kalk, Ton, Mergel/Brechsand) so berechnet, dass für alle Gemische ein identisches Ausgangmaterial für die Klinkerproduktion entsteht. MS 2

    

3. Verwertung des gemahlenen Zementstein-Sand-Gemisches als Zumahlstoff im Zement:

    

   Die 9 Brechsandmustern wurden zu je 3 unterschiedlichen Anteilen in Mörtelsandmischungen eingesetzt. Exemplarisch wird ein Beton produziert und geprüft (Frischbetonkontrolle, Druckfestigkeit, E-Modul), mit dem gültigen Normenwerk abgeglichen und die maximale Klinkersubstitution abgeschätzt. MS 3

    

4. Verwertung des Brechsandes (Zementstein-Sand-Gemisches) als Ersatz von natürlichen Kiessanden im Beton:

    

   9 Betonproben mit einer Gesteinskörnung (0/32 mm) und unterschiedlichen Substitutionsraten von Natursand 0/4 durch 9 verschiedene Brechsandmuster  werden hergestellt. Die produzierten Betonproben sind geprüft (Frischbetonkontrolle, Druckfestigkeit, E-Modul, Frost-Tausalz-Widerstand, Chloridwiderstand, Karbonatisierungswiderstand, Wasserleitfähigkeit und Schwinden), mit dem gültigen Normenwerk abgeglichen und die maximale Natursand-Substitution abgeschätzt. MS 4

    

5. Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten sind in Bezug auf das CO₂ -Reduktionspotential, den veränderten Rohmaterialverbrauch, die Ökobilanz und die Kosten evaluiert.

    

6. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 5. und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben. Im Bericht sind auch die Risiken für die Zement- und Betonqualität sowie mögliche Qualitätsanforderungen für die Aufbereitung formuliert.

    

7. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

    

8. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Die Verwendung von Brechsand aus Betonabbruch als Substitut in der Zement- und Betonproduktion ist für 3 alternative Verwendungen untersucht. Die Auswirkungen auf den Ressourcenverbrauch, die Kosten sowie mögliche Risiken für die Qualität der Endprodukte sind bekannt. Ökobilanzen zeigen den Einfluss auf die Umwelt, insbesondere die CO2-Emissionen und den Energie- und Landverbrauch auf. Die Anforderungen an Qualität und Quantität des Zementsteins für die jeweilige Verwendung sind formuliert.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das Projekt zeigt zwei vielversprechende Ansätze zur Verwendung von Brechsand aus Betonabbruch:

1. Eine möglichst weitgehende Trennung und Rückgewinnung des Zementsteins bei der Aufbereitung von Betonabbruch. Sie unterstützt eine Verwendung der rezyklierten Gesteinskörnung für die Produktion hochwertiger Betone und eine Verwendung des zurückgewonnenen Zementsteins in der Zementproduktion. Dabei ergeben sich folgende Anforderungen:
   1. Erhöhung des Zementsteingehalts im Brechsand. Der Zementsteingehalt limitiert den Substitutionsgrad, da der CaO-Gehalt und der daraus resultierende Kalkstandard massgebend für den Ersatz als Rohmaterial ist.
   2. Anerkennung der Klimaneutralität von geogenen CO₂-Emissionen aus dem Einsatz von Brechsand als Rohmehlersatz in der Zementproduktion.
2. Eine möglichst weitgehende Karbonatisierung des Zementsteins in der gesamten Prozesskette der Aufbereitung des Zementsteins im Betonabbruch (inkl. seiner Lagerung). Dadurch kann man CO₂ aus der Luft entziehen und im Baustoff speichern. Dafür ergeben sich folgende Anforderungen:
   1. Beim Einsatz des Betonabbruchs als Zumahlstoff muss der Fremdstoffanteil minimiert werden.
   2. Beim Einsatz des Betonabbruchs als Sandersatz (ohne Minimierung des Zementsteinanteils) sind zusätzliche betontechnologische Abklärungen und Massnahmen notwendig, um die Betonrezepturen zu optimieren.

Der grösste ökonomische und ökologische Vorteil dieser beiden Verwendungsmöglichkeiten ergibt sich durch die Verminderung des Ausstosses bzw. die Rückbindung von CO₂. Baustoffhersteller können ein derart optimiertes Verfahren als Massnahme zum Klimaschutz ansehen und diesen Vorteil gegenüber dem Gesetzgeber und den Kunden geltend machen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Idee zur Nutzung des Brechsands entwickelt, die – nach Kenntnisstand des Projektteams – in dieser Form noch nicht diskutiert wird. Aktuell beschäftigt sich die Forschung und Entwicklung vor allem mit der Nutzung von Betonabbruch für Gesteinskörnung und zur Speicherung von Kohlendioxid. Die Förderung der Rückbindung stellt dabei einen zusätzlichen Prozessschritt in der Herstellung der RC-Granulate dar. Das CLOSE-Projekt kommt aber zum Ergebnis, dass man ein besseres Ergebnis erzielt, wenn man nicht auf die Rückbindung von CO₂ fokussiert, sondern auf die Wiedergewinnung des Zementsteins aus dem rezyklierten Betonabbruch. Durch den Einsatz des Zementsteins reduziert man die klimarelevanten CO₂-Emissionen der Zementherstellung, spart Primärressourcen (Kalk, Mergel, Kiessande) und ermöglicht eine Optimierung der Herstellung RC-Betone. Dazu müssen die bestehenden Verfahren der Aufbereitung von Betonabbruch so weiterentwickelt werden, dass der Zementstein möglichst weitgehend vom Granulat getrennt wird. Ein zusätzlicher Prozessschritt zur forcierten Karbonatisierung ist hingegen nicht notwendig.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Bereits während des Projektes wurde das Projekt «CemRec» (durch Innosuisse finanziert) durch das UMTEC in Zusammenarbeit mit der Mühlebach AG durchgeführt, indem Methoden zur Aussortierung von reinem Kies aus Betonabbruch der Fraktion >4 mm untersucht wurde. Mit den erhaltenen Resultaten konnte gezeigt werden, dass eine trockene Sortierung von Kies und Zementstücken in Betonabbruch der Fraktion >4 mm möglich ist. Aktuell führt JURA Materials verschiedene verfahrenstechnische Test zur selektiven Auftrennung von Kies und Zementleim durch. Während der Revision des Zementwerks in Wildegg sollen erste Versuche mit Betonabbruch-Probematerial durchgeführt werden.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

“Sustainable Recycling of Concrete Fine from Demolition”; Konferenz-Beitrag zur “2nd International Conference of Sustainable Building Materials”, August 2019, Eindhoven, Niederlande

“Recycling of Concrete Fine from Demolition”; Konferent-Beitrag zur “HiPerMat 2020: 5th International Symposium on UHPC and High-Performance Materials”, März 2020, Kassel, Deutschland