Immobilisierung von Schwermetallen im Recycling-Beton durch Modifizierung des Porengefüges - Jahr 3
Einleitung
Für eine nachhaltige Entwicklung unserer Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft gilt die sparsame und effiziente Verwendung natürlicher Ressourcen als Schlüsselstrategie. In Bezug auf Einsparmöglichkeiten spielt der Baustoff Beton eine zentrale Rolle. Neben der Reduktion des energieintensiven Klinkeranteils hat auch der Ersatz der natürlichen Gesteinskörnung, welche den mengenmäßig größten Anteil im Beton einnimmt, großes Potential. Die Verwendung von Recyclingmaterial oder industriellen Reststoffen als Alternative zur natürlichen Gesteinskörnung erlaubt deshalb die Schonung natürlicher Ressourcen und ermöglicht außerdem die Reduktion enormer Mengen an Abfall. Allerdings enthalten manche dieser Substanzen einen höheren Gehalt an gesundheits- und umweltrelevanten Schwermetallen welcher sich nicht negativ auf die Produktqualität und Sicherheit auswirken darf. Aus diesem Grund ist es für die Baubranche von außerordentlicher Wichtigkeit, die Vor- und Nachteile alternativer Rohstoffe für die Betonproduktion zu evaluieren.
Durchführung
Ausschlüsse zur Bestimmung des Gesamtgehalts an Spurenelementen
Im Laufe des dreijährigen Forschungsprojektes wurden deshalb zu Beginn die einzusetzenden Rohmaterialien eingehend untersucht. Im Zuge von Forschungsjahr 1 wurden insgesamt 7 Materialien für eine umfassende Charakterisierung ausgewählt und die chemischen und physikalischen Untersuchungen abgeschlossen. Besonders in Bezug auf den Schwermetallgehalt wurden unterschiedliche Aufschlussverfahren verglichen und eine reproduzierbare Messmethode (mittels ICP MS) entwickelt, welche insbesondere auf die breite Anwendbarkeit der Methode bezogen ein Highlight während der Projektentwicklung darstellt.
Hergestellte Probekörper für das Elutionsverfahren gemäß CEN TS16637-2
Im Forschungsjahr 2 erfolgte anschließend die Herstellung von Betonprobekörpern mit ausgewählten Ersatzgesteinskörnungen und deren betontechnologische Charakterisierung. Als Schwerpunkt im Forschungsjahr 2 wurde außerdem ein geeignetes Elutionsverfahren zur Beschreibung des Freisetzungsverhaltens von Spurenelementen implementiert. Dazu wurde eine Elutionsprüfung in Anlehnung an CEN/TS 16637- 2:2014 eingeführt, da dieses europäische Verfahren für alle monolithischen, plattenartigen und bahnenartigen Bauprodukte geeignet ist.
Das Forschungsjahr 3 hatte nun zum Ziel das Elutionsverhalten der hergestellten Betone mit Recycling-Gesteinskörnung gezielt zu beeinflussen. Dazu wurde intensiv untersucht, inwieweit die sonstigen Rohstoffe und verwendeten Chargen das Untersuchungsergebnis beeinflussen. Anschließend wurden Betone mit unterschiedlicher Rezeptur hergestellt, wobei die Konsistenz, der W/B-Wert und auch der Anteil an Recyclinggesteinskörnung variiert wurden. Des Weiteren wurde das Porengefüge gezielt durch Carbonatisierung und Hydrophobierung beeinflusst.
Ergebnisse
Grundsätzlich konnte das Elutionsverhalten von insgesamt 18 Elementen für 5 unterschiedliche Ersatz-Gesteinskörnungsmaterialien untersucht werden. Für 14 Elemente wurden Gehalte größer als der Blindwert eluiert und unterschiedliche Elutionsmechanismen konnten errechnet werden. Außerdem zeigte ein Vergleich zwischen den Materialien, dass nur in Ausnahmefällen Gehalte größer als aus dem Referenzbeton freigesetzt wurden. Dabei waren der Gehalt an Ersatzmaterial im Beton bzw. der W/B-Wert in vielen Fällen nicht ausschlaggebend, sondern tendenziell die Charge und der Ursprung des Materials.
Kumulative, flächenbezogene Freisetzung für die Elemente Chrom, Mangan und Blei für Mischen mit unterschiedlicher Gesteinskörnungszusammensetzung (W/B = 0,70)