Precast concrete products made with recycled demolition material

1 Production
Precast concrete products made with recycled demolition material
Betonfertigteile aus Sekundärzuschlag
Autoren
Dr. Marios Soutsos,
graduated in Civil and
Environmental Engineering,
University College London,
University of London, UK,
1988. PhD study at University
College London, University of
London, 1988–1992 “Mix
Design, Workability, Adiabatic
Temperature, and Strength
Development of High
Strength Concrete”. Worked in
Cyprus, Saudi Arabia, and
Bahrain with construction
repair companies, 1992–1994.
Worked at Queen Mary and
Westfield college as a postdoctoral researcher, 1994–1995,
before joining the University
of Liverpool as Lecturer, 1995,
and Reader, 2005. Dr. Soutsos
is the Programme Director for
the MEng (Hons) in Civil and
Structural Engineering programme of study in the
Department of Engineering,
The University of Liverpool.
[email protected]
Kang Kang Tang,
1999 graduated in Civil
Engineering at Chongqing
University, China. Thereafter
he joined the China HQ Contracting & Engineering Corporation (Beijing, China) as a
structural engineer. In 2004,
he obtained his MSc in Structural Engineering at the
University of Liverpool, “Lateral behavior of masonry infill
panels”. Currently he is a PhD
student in Civil Engineering,
the University of Liverpool,
UK.
[email protected]
1 In 1991 the European Commission initiated the Priority
Waste Streams Program for six waste streams. One of
these was construction and demolition waste (C&DW) [1].
The inert fraction or “core” C&DW, which is essentially the
mix of materials obtained when an item of civil engineering
infrastructure is demolished, i.e., the fraction derived from
concrete, bricks and tiles, is well suited to being crushed
and recycled as a substitute for newly quarried (primary)
aggregates for many potential uses.
This core C&DW amounted, according to a report published in 1999, to around 180 million tons per year in the
EU, corresponding to 480 kg/person/year. It was estimated that only about 28% was at the time re-used or recycled
[2]. Land filling of the other 72% would require the equivalent of landfill 10 m deep and roughly 13 square km in
surface area every year. It was estimated that 20 million
tons of C&DW arose in 1980 which rose to 70 and 109 million tons in 1999 and 2004 respectively. Of course it is recognized that the recycling rates have increased since 1999.
However, a major part of this waste stream still ends up in
the landfill sites for use in temporary roads and is thus lost
as a potential substitute for high value end applications
which currently use quarried aggregate. An attempt to address the environmental costs associated with quarrying
has been the introduction of the Aggregates Levy in April
2002 [3, 4].
The study at the University of Liverpool, which was
carried out between 2004 to 2008, investigated the use of
Fig. 1 Major movements in 2001 of crushed aggregates from one
region to another.
Abb. 1 Verschiebung größerer Mengen an gebrochenem Zuschlag
von einer Region zur anderen im Jahr 2001.
32
1 Im Jahr 1991 initiierte die Europäische Kommission das
Prioritäre Abfallströme-Programm (Priority Waste Stream
Program) für sechs Abfallströme. Bei einem dieser Abfallströme handelte es sich um Bau- und Abbruchabfälle [1].
Bei den inerten Fraktionen bzw. dem reinen Bauschutt handelt es sich im Wesentlichen um eine Materialmischung,
die man beim Abbruch eines Bauwerks erhält, d. h., die
Anteile stammen von Beton, Ziegel und Fliesen. Diese Mischung kann sehr gut zerkleinert und rezykliert als ein Ersatz für neu gewonnene Zuschläge (Primärzuschläge) vielseitig eingesetzt werden.
Laut einem Bericht aus dem Jahr 1999 fallen in der EU
jährlich bis zu 180 Mio. t dieses reinen Bauschutts an, das
entspricht 480 kg/Kopf/Jahr. Schätzungen zufolge wurden zu dieser Zeit lediglich etwa 28 % dieses Schutts wiederverwendet oder rezykliert [2]. Für die Deponierung der
restlichen 72 % wäre jedes Jahr eine Deponie von 10 m
Tiefe mit einer Fläche von etwa 13 km2 erforderlich. Für
das Jahr 1980 wird eine Produktion von 20 Mio. t Bauschutt angenommen, die 1999 auf 70 und 2004 auf
109 Mio. t anstieg. Dabei muss man natürlich einräumen,
dass auch der Anteil der Rückgewinnung seit 1999 gestiegen ist. Trotzdem wird ein Großteil dieses Abfallstroms
immer noch auf Deponien verklappt, um später für provisorische Straßen verwendet zu werden. Er kann dann also
nicht mehr als Ersatzzuschlag für hochwertige Endanwendungen genutzt werden, für die zurzeit noch Primärzuschlag eingesetzt wird. Als Versuch, der Schädigung
der Umwelt im Zusammenhang mit dem Abbau von Primärzuschlag entgegenzutreten, wurde im April das Aggregates Levy (Zuschlagabgabe) eingeführt [3, 4].
Eine Studie der Universität Liverpool, die zwischen
2004 und 2008 durchgeführt wurde, untersuchte die Verwendung von zerkleinerten Bau- und Abbruchabfällen,
d. h. Sekundärzuschlägen, bei der Produktion von Betonfertigteilen wie Mauerblöcken, Pflastersteinen und
-platten. Neben den technischen Einzelheiten der Betonproduktion mit Sekundärzuschlägen sind auch die wirtschaftlichen und praktischen Aspekte untersucht worden.
Das ganze Projekt ist in Form eines Netzwerks aufgebaut,
zu dem Abbruchunternehmer, Abfallsammel- und -entsorgungsbehörden, Stadträte und Hersteller von Betonfertigteilen zählen. Im Rahmen dieses Projekts wurden
klare Vorschriften und Spezifikationen für die Wiederverwendung von Bauschutt bei hochwertigen Bauprodukten
entwickelt. Die Untersuchungen darüber, in welchem
Maße eine Auswahl hochwertiger Betonfertigteile mit
Sekundär- statt mit Primärzuschlag hergestellt werden
kann, sind noch nicht abgeschlossen.
Die aktuelle Situation auf dem Markt
Der Markt für Betonfertigteile ist im Vereinigten Königreich (UK) und in anderen Ländern hart umkämpft, wobei große, multinationale Unternehmen, die in der Regel
BFT 06/2008
Produktion 1
crushed C&DW, i.e. recycled aggregates, in the production of precast concrete products, e.g., concrete building
blocks, paving blocks and flags. In addition to investigating the technicalities of producing concrete using recycled aggregates, the economics and practicalities involved
have also been studied. The project has set up a network
that encompasses demolition contractors, Waste Collection Authority (WCA) and Waste Disposal Authority
(WDA), councils and precast concrete product manufacturers. The project developed definitive designs and specifications for the reuse of demolition waste for high quality
building products. Investigations of the extent to which a
selection of high performance precast concrete products
can be produced using recycled demolition materials in
place of quarried materials is continuing.
Current market situation
The market for precast concrete products, in the UK and
elsewhere, is very competitive with large multi-national
companies, that generally also own quarrying operations,
dominating the sector. Aggregates are costly to transport
and therefore most manufacturers have been faced with a
choice between being located close to the raw materials or
close to the market. It appears that in the majority of cases
the decision is to have the precast factory close to or even
at the quarry site. In addition to the low value grey precast
concrete products, most manufacturers produce a special
range of more expensive architectural products. These
tend to be specific to the manufacturer and are sold nationally. Despite the wide variety of precast concrete products that are manufactured, the standard “grey” products
dominate sales. However, due to the much lower profit
margins, the standard precast concrete products are only
sold regionally; within a radius of 30 miles of the precast
factory because of transportation costs. Construction statistics by the UK Department of Trade and Industry (DTI)
indicated that approximately 360 million building blocks
were produced annually in 2005 [5]. The estimated aggregate consumption can be based on the assumption that
90% of each block is aggregate, i.e. aggregate consumption is 3.6 million tons per year. A single precast factory
can use up to 500 tons of aggregate on a single day. Based
on the construction output in North West England being
approximately 10% of the total output [5], it is estimated
that 360,000 tons of aggregates are needed annually for
the production of building blocks alone in North West
England.
Construction aggregates are a high-volume, low-unitvalue commodity, which makes the transportation cost a
determining factor in competing sources. Thus the location of resources may encourage the use of construction
and demolition waste (C&DW) derived aggregates in certain areas. For example, past surveys [6] have shown major
movements of quarry materials from one region to another; for instance, West Midlands and North Wales to the
North West of England (see Fig. 1). In considering future
supply patterns to the North West, assumptions will need
to be made about supplies from Wales, where planning
policies for aggregates are now matters for the devolved
administration. It cannot therefore be assumed that past
supply patterns will necessarily be maintained in the future. It is not surprising therefore that the Regional Waste
Strategy for the North West [7] aims to “promote the use of
recycled construction and demolition waste in construction projects and encourage developers and contractors to
BFT 06/2008
auch Eigentümer von Steinbrüchen sind, den Sektor dominieren. Der Transport von Zuschlägen ist sehr kostenintensiv, sodass die meisten Hersteller vor die Wahl gestellt wurden, sich entweder nahe an den Rohstoffen oder
nahe am Markt zu positionieren. In den meisten Fällen
hat man sich entschieden, das Fertigteilwerk in der Nähe
vom oder sogar direkt im Steinbruch zu errichten. Neben
den eher geringwertigen grauen Betonfertigteilen haben
die meisten Hersteller auch etwas speziellere und aufwändigere architektonische Produkte in ihrem Angebot.
Diese sind meist herstellerspezifisch und werden nur im
Inland verkauft. Nun wird zwar eine breite Vielfalt an Betonfertigteilen produziert, der Großteil der Verkäufe geht
aber weiterhin ganz klar auf die herkömmlichen „grauen“
Produkte zurück. Aufgrund der sehr viel niedrigeren Gewinnmargen und der hohen Transportkosten werden diese herkömmlichen Betonfertigteile jedoch lediglich regional in einem Umkreis von etwa 50 km um das
Fertigteilwerk verkauft. Die Baustatistik des britischen
Department of Trade and Industry (DTI) hat gezeigt, dass
im Jahr 2005 etwa 360 Mio. Mauerblöcke produziert worden sind [5]. Wenn man davon ausgeht, dass jeder dieser
Betonbausteine zu 90 % aus Zuschlag besteht, kann der
Zuschlagverbrauch auf etwa 3,6 Mio. t jährlich veranschlagt werden. Ein einziges Fertigteilwerk kann bis zu
500 t Zuschlag an nur einem Tag verarbeiten. Da etwa
10 % der gesamten Bautätigkeit auf Nordwest-England
entfallen [5], werden dort allein jährlich schätzungsweise
360.000 t Zuschlag für die Herstellung von Mauerblöcken
benötigt.
Bei Zuschlagstoffen handelt es sich um einen großvolumigen Rohstoff mit niedrigem Stückwert, und das
macht die Transportkosten zu einem entscheidenden Faktor bei der Suche nach alternativen Quellen. Gebiete mit
ungünstiger Lage zu Steinbrüchen könnten die Verwendung von Zuschlagstoffen aus Bau- und Abbruchabfällen
demnach fördern. So haben frühere Untersuchungen [6]
gezeigt, dass Primärzuschläge in größerem Maße von einer Region in die andere verschoben werden, unter anderem von den West Midlands und Nordwales nach Nordwest-England (siehe Abb. 1). Mit Blick auf zukünftige
Versorgungsstrukturen Richtung Nord West England
müssen Annahmen getroffen werden im Bezug auf die
Lieferungen aus Wales, wo die regionale Verwaltung jetzt
für die Bewirtschaftung der Zuschlagstoffe zuständig ist.
Man darf also nicht davon ausgehen, dass die Versorgungsstruktur der Vergangenheit auch in Zukunft aufrechterhalten wird. Es überrascht daher nicht, dass die
regionale Abfallpolitik für den Nordwesten [7] darauf abzielt, „die Verwendung von rezyklierten Bau- und Abbruchabfällen bei Bauvorhaben zu fördern und Bauträger
wie Bauunternehmer darin zu bestärken, wann immer es
im Bauprozess möglich ist, diese Materialien in die Ausschreibungen aufzunehmen”.
Liverpool ist als realistisches Beispiel zur Veranschaulichung ausgewählt worden. In dieser „Europäischen Kulturhauptstadt des Jahres 2008“ sind in den vergangenen
18 Monaten viele Renovierungs- und Sanierungsvorhaben umgesetzt worden. So sind zwischen 2001 und 2006
52 der 72 Hochhäuser in Liverpool abgebrochen worden.
Durch den Abbruch nur eines Hochhauses entstanden
15.000 t Bauschutt. Dieser „Abfall“ wurde zu einer nahe
gelegenen Brechanlage transportiert (siehe Abb. 2), wo er
zu Tragschichtmaterial des Typs 1 (laut Department of
Transport) für den Straßenbau verarbeitet wurde. In
Professor Steve Millard,
graduated in Engineering,
University of Leicester, UK,
1974. Worked with civil engineering contractors, John
Laing, 1974–1976 and civil engineering design consultants,
G Maunsell and Partners,
1976–1978. PhD study at University of Warwick, 1978–1981
“Shear transfer in cracked
reinforced concrete”. Joined
University of Liverpool as Lecturer, 1981, Senior Lecturer,
1992, Reader, 2005 and
Professor, 2006. Professor
Millard is Head of the Civil
and Infrastructure Research
Group in the Department of
Engineering, University of
Liverpool.
[email protected]
Emeritus Professor John Bungey
graduated in Civil Engineering, St. Andrews University,
UK, 1966, with MSc in Concrete Structures and Technology, Imperial College, London,
1969. Worked with consulting
engineers Scott Wilson Kirkpatrick, 1966–1968, and North
West Road Construction Unit,
1969–1971. Joined the University of Liverpool in 1971 as
Lecturer, with PhD 1984, and
Professor in 1994. Head of
Structures and Materials
Group, 1986–1997, and Head
of Department of Civil Engineering, 1997–2002.
[email protected]
Geoff Tickell
graduated in Civil Engineering
from Bristol University in
1965. After working with
Maunsell & Partners in the UK
and Australia, he joined the
University of Liverpool to
teach and research in Maritime Civil Engineering. He
retired from the University in
2007 and now acts as a consultant.
[email protected]
33
1 Production
Fig. 2 Crushing plant of a local demolition contractor.
Abb. 2 Brechanlage eines lokalen Abbruchunternehmers.
specify these materials wherever possible in the construction process”.
Liverpool has been selected as a realistic illustrative
example. As the designated European Capital of Culture
in 2008, Liverpool has seen a wide range of refurbishment
and reconstruction projects over the last 18 months.
52 out of the 72 tower blocks in Liverpool were demolished between 2001 and 2006. 15,000 tons of construction
and demolition waste resulted from the demolition of just
one tower block. This “waste” was transported to a nearby
crushing plant (see Fig. 2) where it was converted to Department of Transport, Type 1 road sub-base material.
Natural aggregate resources are limited in Liverpool, i.e.
there are no aggregate quarries, but resource supply or
feed material for a crushing plant can be guaranteed in an
urban area where replacement of infrastructure is ongoing. The feed material however may change, i.e. the tower
blocks were mainly constructed of in-situ concrete or precast concrete panels, while most of the local council housing expected to be demolished in the near future will be
mainly masonry, low rise buildings.
It appears that at least 4.5 million tons of hard C&DW
is crushed and/or screened annually for use as aggregate.
Very little evidence was found of hard C&DW that could
be recycled into aggregate being land filled as waste in the
Merseyside region. The majority of recycled C&DW material appears to be used as a sub-base for road construction.
Only very modest tonnages were identified as being used
in an unprocessed form and then it was mainly for landfill
engineering, see Table 1 [8]. However, the costs for crushing the C&DW, which is estimated to be approximately
£ 7 per ton, see Table 2 [8], is not recovered when it is sold
as road sub-base aggregate. The selling price depends
heavily on the demand and can vary between £ 2 (approx.
2.53 €) and £ 4 (approx. 5.06 €) per ton. Therefore, the
demolition contractors are still required to include for this
difference and they are faced with paying the recycling
plant operator to take away the C&DW. Operators of crushing plants would also welcome an increase in price per ton
and a guaranteed constant/regular demand for the recycled aggregate.
Block making factories appear to be very interested in
recycled aggregates, if the price is lower than that of quarried aggregate. Indicative price ranges for quarried aggregates are £ 8 to £ 10 per ton for 6 mm aggregate and £ 3 to
£ 4 for 4 mm-to-dust. A conservative value of £ 7 per ton
34
Liverpool sind die Ressourcen für natürliche Zuschläge
sehr begrenzt, d. h. es gibt dort keine Steinbrüche, dafür
kann jedoch in einer urbanen Region mit infrastrukturellem Umbau die Versorgung von Brechanlagen mit
Ausgangsmaterial problemlos sichergestellt werden. Allerdings kann sich das Ausgangsmaterial jedoch ändern,
d. h., die Hochhäuser wurden hauptsächlich mit Ortbeton
oder vorgefertigten Betonplatten errichtet, während es
sich bei den meisten lokalen Sozialwohnungen, die in absehbarer Zeit abgebrochen werden sollen, um Gebäude
von geringer Höhe aus Mauerwerk handelt.
Allem Anschein nach werden Jahr für Jahr mindestens 4,5 Mio. t harter Bauschutt für die Verwendung als
Zuschlag zerkleinert und/oder gesiebt. Es sind nur sehr
wenige Hinweise darauf gefunden worden, dass harter
Bauschutt, der für eine Verwendung als Zuschlag rezykliert werden könnte, in der Region Merseyside als Abfall
deponiert wurde. Der Großteil des rezyklierten Bauschutts scheint als Frostschutz- oder Tragschicht für den
Straßenbau Verwendung gefunden zu haben. Nur äußerst geringe Mengen sind in unverarbeiteter Form verwendet worden, und dann meist im Deponiebau, siehe
Tabelle 1 [8]. Allerdings werden die Kosten für die Zerkleinerung von Bauschutt, die schätzungsweise 7 £ pro Tonne betragen (siehe Tabelle 2 [8]), nicht abgedeckt, wenn er
für die Frostschutz- oder Tragschicht beim Straßenbau
verkauft wird. Der Verkaufspreis wird in hohem Maße
von der Nachfrage bestimmt und kann zwischen 2 £ (etwa
2,53 €) und 4 £ (etwa 5,06 €) pro Tonne schwanken. Die
Abbruchunternehmer müssen diesem Unterschied also
immer noch Rechnung tragen und sind oft gezwungen,
den Betreiber der Recyclinganlagen für die Entsorgung
des Bauschutts zu bezahlen. Auch die Betreiber der
Brechanlagen würden einen Anstieg des Preises pro Tonne und eine garantierte konstante/regelmäßige Nachfrage nach Sekundärzuschlag begrüßen.
Wie es scheint, wären Betonsteinwerke an Sekundärzuschlägen sehr interessiert, wenn der Preis unter dem
von Primärzuschlägen liegen würde. Die Preisangaben
für Primärzuschlag liegen zwischen 8 und 10 £ pro Tonne
für Zuschlag mit einer Körnung von 6 mm und zwischen
3 und 4 £ für Zuschlag mit einer Körnungsgruppe (0/4).
Ein konservativer Preis von 7 £ pro Tonne für Sekundärzuschlag mit einer Körnung von 6 mm würde sowohl
die Betreiber von Brechanlagen als auch die Betonsteinwerke zufrieden stellen. Somit erschien es also opportun, das Marktpotenzial für die Nutzung des Sekundärzuschlags in hochwertigen Anwendungen zu untersuchen.
Werden Sekundärzuschläge für den Einsatz in Betonfertigteilen vorgesehen, dann sind spezifisches Gewicht,
Absorption, Feinheit und Kantigkeit wichtige physische
Eigenschaften, die unbedingt berücksichtigt werden müssen. Die Liverpooler Studie machte Angaben zu Körnungen für Primärzuschläge aus Kalkstein, die von einem
Betonsteinwerk geliefert wurden, sowie für rezyklierte
Zuschläge aus gebrochenem Beton und Ziegel, die von
lokalen Abbruchunternehmen stammten. Der Betonabfall, der zu Zuschlägen zerkleinert wurde, stammte aus
den Fundamenten eines mehrgeschossigen Stahlbetonbaus, während der Ziegelabfall vom Abbruch niedriggeschossiger Sozialwohnungen kam. Die Zuschläge sind in
Abb. 3 dargestellt. Man ging davon aus, dass der nachteilige Einfluss auf die Druckfestigkeit durch die Zuschläge
aus aufbereitetem Mauerwerk größer sein würde als
BFT 06/2008
Produktion 1
BFT 06/2008
35
1 Production
North West Estimates
Schätzungen für Nordwest-England
Tons
(’000s)
Tonnen (in
Tsd.)
» hard C&D/excavation waste (CDEW) crushed and/or screened for use as aggregate
» zerkleinerter und/oder gesiebter harter Bau- und Abbruchabfall einschließlich Aushubmaterial für die
Verwendung als Zuschlag
» excavation waste/mixed CDEW screened for use as soil
» gesiebter Aushub/mit Bauschutt vermischter Aushub für die Verwendung im Baugrund
Sub-total 1: Recycled aggregate and soil/Zwischensumme 1: Rezyklierter Zuschlag und Erdreich
» hard C&D waste used for landfill engineering or restoration
» harter Bauschutt, verwendet für Deponiebau oder -sanierung
» excavation waste used for landfill engineering or restoration
» Aushub, verwendet für Deponiebau oder -sanierung
% of total
% der
Gesamtmenge
4,443
908
5,352
48.4%
138
715
» mixed CDEW (or unspecified material) used for landfill engineering or restoration
» mit Bauschutt vermischter Aushub (oder unspezifiziertes Material), verwendet für Deponiebau
oder -sanierung
Sub-total 2: Material used for landfill engineering or restoration
Zwischensumme 2: Für Deponiebau oder -sanierung verwendetes Material
» hard C&D waste used to backfill quarry voids
» harter Bauschutt, verwendet zur Verfüllung von Steinbrüchen
65
917
0
» excavation waste used to backfill quarry voids
» Aushub, verwendet zur Verfüllung von Steinbrüchen
832
» mixed CDEW (or unspecified material) used to backfill quarry voids
» mit Bauschutt vermischter Aushub (oder unspezifiziertes Material), verwendet zur Verfüllung von
Steinbrüchen
Sub-total 3: Material used to backfill quarry voids
Zwischensumme 3: Zur Verfüllung von Steinbrüchen verwendetes Material
» hard C&D waste (excluding road planings) spread on registered exempt sites
» harter Bauschutt (ausgenommen von Straßensplitt), entsorgt in registrierten, freigestellten Deponien
207
» clean, unmixed excavation waste spread on registered exempt sites
» sauberes, unvermischtes Aushubmaterial, entsorgt in registrierten, freigestellten Deponien
» mixed CDEW spread on registered exempt sites
» mit Bauschutt vermischter Aushub, entsorgt in registrierten, freigestellten Deponien
Sub-total 4: Material used at Paragraph 9 and 19 registered exempt sites
Zwischensumme 4: In registrierten, freigestellten Deponien gem. Paragraph 9 u. 19 verwendetes Material
» clean, unmixed hard C&D waste disposed of at landfills
» sauberer, unvermischter Bauschutt, entsorgt in Deponien
1,039
9.4%
110
3,071
185
3,366
30.4%
26
» mixed and/or contaminated hard C&D waste disposed of at landfills
» vermischter und/oder verschmutzter harter Bauschutt, entsorgt in Deponien
23
» clean excavation waste disposed of at landfills
» sauberer Aushub, entsorgt in Deponien
63
» mixed and/or contaminated excavation waste disposed of at landfills
» vermischter und/oder verschmutzter Aushub, entsorgt in Deponien
99
» mixed CDEW and unspecified materials disposed of at landfills
» mit Bauschutt vermischter Aushub und unspezifizierte Materialien, entsorgt in Deponien
Sub-total 5: Material disposed of at landfills/Zwischensumme 5: In Deponien entsorgtes Material
TOTAL/ GESAMT
8.3%
169
381
11,054
3.4%
Table 1 North West estimates for C&DW Material; year 2001.
Tabelle 1 Geschätzte Bau- und Abbruchabfallmaterialien in Nordwest-England für das Jahr 2001.
for 6 mm recycled aggregates would satisfy both the
operators of crushing plants as well as the block making
factories. It was therefore concluded that there was scope
for investigating a high-end value market for recycled aggregate.
If recycled aggregate are to be used in precast concrete
products, specific gravity, absorption, fineness, and angularity are all important physical properties that need to be
taken into consideration. In the Liverpool study, aggregate
gradings were obtained for limestone quarried aggregates, supplied by a block making factory, as well as recycled concrete and masonry derived aggregates supplied by
local demolition companies. The concrete C&DW that
was crushed to produce aggregates came from the foundations of a multi-storey reinforced concrete building while
the masonry C&DW came from the demolition of low-rise
36
durch die aus Beton. Deshalb hielt man es für ratsam, die
Auswirkungen von Zuschlägen aus aufbereitetem Mauerwerk und Beton getrennt zu untersuchen, mit der Möglichkeit, durch Interpolation die Auswirkungen einer Mischung beider Zuschläge zu erhalten. Der Prozentsatz an
Mauerwerk in der Mischung variiert abhängig davon, ob
der Abbruchunternehmer damit beauftragt wurde, mehrgeschossige Gebäude oder gemauerte Häuser abzureißen.
Das von der Brechanlage gelieferte rezyklierte Mauerwerk mit einer Körnung (0/4) war viel feiner als natürlicher Kalksteinzuschlag, während es beim Zuschlag aus
aufbereitetem Beton genau umgekehrt war. Um eine
kombinierte Körnungsverteilung ähnlich der von natürlichem Kalksteinzuschlag zu erhalten, musste der Anteil
des Feinkorns von Mauerwerk von 56 % auf 43 % reduziert werden, während der Anteil des Feinkorns von Be-
BFT 06/2008
Produktion 1
council houses. The aggregates are shown in Fig. 3. It was
expected that the detrimental effect of masonry-derived
aggregates on compressive strength would have been
higher than that of concrete-derived aggregates. It was
therefore considered prudent to investigate the effects of
concrete- and masonry-derived aggregates separately,
with the possibility of interpolating to obtain the effects of
a mixture of the two. The percentage of masonry in the
mixture is likely to vary depending on what contract,
whether multi-storey buildings or masonry houses, the
demolition contractor has secured.
As delivered from the crushing plant, the 4 mm-todust recycled masonry was found to be much finer than
natural quarried limestone while the opposite was found
to be true for the concrete-derived aggregate. In order to
obtain a combined grading similar to that of natural limestone, the proportion of masonry fines needed to be reduced from 56% to 43% while that of concrete fines needed to be increased from 56% to 61%. However, the initial
mixes indicated that the concrete fines could be reduced
to 45% and still get the same texture on the blocks as those
made with limestone aggregates. Both the concrete and
the masonry-derived recycled aggregate had very high water absorption values, as high as 18% for the 4 mm-todust, which are similar to the behavior of man-made lightweight aggregates in other applications. A mixing
procedure adopted for making concrete using lightweight
aggregates has thus been trialed and found to be successful when using recycled concrete aggregates, i.e. pre-mixing of half the mix water with the aggregate first and then
adding the cement and the remaining water.
Experimental work
Precast concrete factories are normally in operation round
the clock. Stoppage in production costs a lot of money and
therefore the investigation into the effect of replacing
quarried aggregate with recycled aggregate had to be done
in the laboratory. The first objective was therefore to replicate the industrial casting procedures using laboratory
equipment. Once this was achieved then the effect of partially replacing quarried with recycled aggregates was investigated. The industrial collaborators felt that there
should be no increase in the cement content if recycled
aggregate was to compete with quarried aggregates. The
aim therefore was to determine replacement levels that
only caused small and insignificant changes to the mechanical properties of the end products. The mix proportions and the mechanical properties sought for concrete
building and paving blocks and concrete paving flags are
shown in Table 3.
Laboratory replication of industrial casting procedures
6 mm
4 mm-to-dust/bis Staub
6 mm
(1.8 t/m3 total quantity less than 1,000 m3 )
(1,8 t/m3 bis zu einer Gesamtmenge von 1.000 m3)
Transportation of material from excavations or demolition places
to temporary stockpiles
Transport von Material vom Aushub- oder Abbruchgelände
zur Zwischenlagerung
Transportation of material from temporary stockpiles to the crushing plant
Transport von Material von der Zwischenlagerung zur Brechanlage
Establishing plant and equipment on site
Aufbau von Anlage und Ausrüstung vor Ort
Maintain & operate plant/Wartung und Betrieb der Anlage
£/m3
£/ton/
Tonne
1.25
0.69
1.00
0.56
0.75
0.42
3.75
2.08
Crushing hard materials on site/ Zerkleinerung von Hartmaterial vor Ort
5.50
3.05
Screening material on site/Sieben von Material vor Ort
0.75
0.42
Total costs of crushing materials
Gesamtkosten für die Materialzerkleinerung
13.00
7.22
Table 2 Costs for crushing C&DW.
Tabelle 2 Kosten für die Zerkleinerung von Bauschutt.
ton von 56 % auf 61 % erhöht werden musste. Die ersten
Mischungen zeigten jedoch, dass der Betonfeinkornanteil bis auf 45 % gesenkt werden konnte und die Betonsteine trotzdem dieselbe Struktur aufwiesen wie die Betonsteine aus Kalksteinzuschlag. Sowohl der rezyklierte
Beton als auch der rezyklierte Mauerwerkzuschlag wiesen
sehr hohe Werte bei der Wasseraufnahme auf; bei Körnung (0/4) lag der Wert bei 18 %, was dem Verhalten
künstlicher Leichtzuschläge in anderen Anwendungen
entspricht. Ein Mischverfahren, wie es für die Herstellung von Beton mit Leichtzuschlägen verwendet wird,
wurde ausprobiert und als geeignet beim Einsatz von rezyklierten Betonzuschlägen befunden. Das heißt, zunächst wurde die halbe Wassermenge mit dem Zuschlag
vermischt, dann kam der Zement hinzu und schließlich
die restliche Wassermenge.
Versuche
Betonfertigteilwerke sind normalerweise rund um die
Uhr in Betrieb. Ein Produktionsstopp kostet viel Geld,
und deshalb mussten die Untersuchungen mit dem Ziel,
den Primärzuschlag durch Sekundärzuschlag zu ersetzen, im Labor durchgeführt werden. Erste Aufgabe war
folglich, die industriellen Gießverfahren mit der Laborausrüstung zu reproduzieren. Danach wurde untersucht,
welche Auswirkungen der teilweise Austausch von Primär- durch Sekundärzuschlag hat. Die Mitwirkenden aus
der Industrie waren der Ansicht, dass der Zementgehalt
nicht erhöht werden darf, wenn der Sekundärzuschlag
sich gegen die Primärzuschläge behaupten will. Ziel war
es deshalb, Austauschanteile zu bestimmen, die nur geringfügigen und unwesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte haben. Die
4 mm-to-dust/bis Staub
6 mm
4 mm-to-dust/bis Staub
Fig. 3 Quarried limestone, concrete- and masonry-derived aggregate.
Abb. 3 Gebrochener Kalksteinzuschlag sowie Zuschlag aus aufbereitetem Beton und aus Mauerwerk.
BFT 06/2008
37
1 Production
Mischverhältnisse und die für Betonbausteine, Pflastersteine und Betonplatten gewünschten mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 3 angezeigt.
Fig. 4 Alignment compaction for making blocks.
Abb. 4 Verdichtung im Labor zur Herstellung von Bausteinen.
Building block
Baustein
Paving block
Pflasterstein
Paving slab
Pflasterplatte
100
380
320
Fine aggregate in kg/m3
Feinkornzuschlag in kg/m3
1,175
4 mm-to-dust
limestone
Körnung (0/4)
Kalkstein
1,520
sand/Sand
1,022
sand/Sand
Coarse aggregate in kg/m3
Grobkornzuschlag in kg/m3
1,075
6 mm limestone
Kalkstein (6 mm)
380
6 mm limestone
Kalkstein (6 mm)
770
6 mm limestone
Kalkstein (6 mm)
N/A
keine
Superplasticizer
Fließmittel
N/A
keine
Mix proportions:
Mischungsverhältnisse:
Cement CEM-1:42.5 in kg/m3
Zement CEM-1:42.5 in kg/m3
Chemical admixture
Chemiezusatz
Physical and mechanical properties/Physikalische und mechanische Eigenschaften:
Target density* in kg/m3
Zieldichte* in kg/m3
2,350
2,250~2,350
2,400
>7
> 49
N/A
keine
Tensile splitting strength in MPa
Spaltzugfestigkeit in MPa
N/A
keine
> 3.6**
N/A
keine
Flexural strength in MPa
Biegefestigkeit in MPa
N/A
keine
N/A
keine
3.5***
Compressive strength in MPa
Druckfestigkeit in MPa
*
Fully compacted density per cubic meter of concrete
Dichte pro Kubikmeter Beton bei vollständiger Verdichtung
**
Characteristic strength value (Target mean value of 3.9 MPa)
Charakteristischer Festigkeitswert (angestrebter Mittelwert 3,9 MPa)
*** Characteristic strength value (Target mean value of 4.0 MPa)
Charakteristischer Festigkeitswert (angestrebter Mittelwert 4,0 MPa)
Table 3 Typical mix proportions and required mechanical properties of concrete building blocks,
concrete paving blocks and concrete paving slabs.
Tabelle 3 Typische Mischungsverhältnisse und erforderliche mechanische Eigenschaften
von Betonbausteinen, Betonpflastersteinen und Betonpflasterplatten.
38
Reproduktion der industriellen Gießverfahren im Labor
Die in der Industrie verwendete Technik zur Herstellung
von Betonbausteinen und Pflastersteinen basiert auf
gleichzeitigem Rütteln und Verdichten. Dazu wird der
Beton während des Rüttelvorgangs mit einem schweren
Metallblock verdichtet. Dieses Verfahren ist im Labor mithilfe eines Elektrohammers reproduziert worden (siehe
Abb. 4). Während der Elektrohammer ausreichte, um die
Betonbausteine zu verdichten und so die erforderliche
Druckfestigkeit von > 7 MPa nach 28 Tagen zu erreichen,
war er für Pflastersteine nicht geeignet; hier war eine größere Verdichtung notwendig, um die erforderliche Steindichte zu erreichen. Man hat sich bemüht, den vorher
verwendeten Rahmen mit dem Elektrohammer zu verändern, sodass die Proben während der Verdichtung durch
ein anderes Verfahren als den Elektrohammer gerüttelt
werden konnten. So hat man einen kleinen Metalltisch
mithilfe eines Rüttlers zu einem Rütteltisch umgebaut.
Dies in Verbindung mit dem Einsatz eines Betonverflüssigers hat dazu beigetragen, dass die Feuchtdichte der
Pflastersteine,
die
mit
dem
Elektrohammer
alleine nur 2.230 kg/m3 betrug, auf 2.390 kg/m3 erhöht
werden konnte. Mit dieser Methode konnten Druckfestigkeiten von über 49 MPa und Spaltzugfestigkeiten von
mehr als 3,9 MPa erreicht werden. Die Struktur der im
Labor mit der verbesserten „Rüttelverdichtungstechnik“
gegossenen Pflastersteine ließ sich gut vergleichen mit
der Struktur der Pflastersteine, die in der Fabrik mit ähnlichen Mischverhältnissen hergestellt worden sind.
Für die in der Industrie eingesetzte WetCast-Technologie zur Herstellung von Pflasterplatten ist eine sehr
leicht zu verarbeitende Mischung erforderlich, damit der
Beton in die Form fließt, bevor er verdichtet wird. Durch
den Druck wird das Wasser an der Ober- und Unterseite
der Form herausgepresst. Dann wird die Betonpflasterplatte einer Vakuumextraktion unterzogen. Dieses industrielle Gießverfahren konnte im Labor mithilfe einer
entsprechend modifizierten Würfeldruckmaschine (siehe
Abb. 5) sowie einer Spezialform, die auch in der Industrie
verwendet wird (von Morris Bros Ltd. zur Verfügung gestellt), erfolgreich reproduziert werden. Die Form konnte
außerhalb der Würfeldruckmaschine gefüllt und dann
auf einem Stahlrahmen in die Maschine gerollt werden,
in der der Beton verdichtet wurde. Der Beton ist 15 Sekunden lang einem Druck von 12 MPa ausgesetzt worden. Eine ähnliche Druckbelastung (10 12 MPa) wird in
Betonfertigteilwerken eingesetzt, jedoch werden die
Pflasterplatten diesem Druck hier nur 12 Sekunden lang
ausgesetzt. Die zusätzlichen drei Sekunden sollten die
Zeit kompensieren, die die Verdichtungsmaschine benötigte, um 12 MPa zu erreichen. Die Vakuumabsaugung
des Wassers oben auf der Form wurde mithilfe von Druckluft und entsprechenden Geräten erreicht, die von Morris
Bros Ltd. zur Verfügung gestellt wurden. Es handelte sich
dabei um dieselben Geräte, die auch von der Betonfertigteilindustrie verwendet werden. Dann wurde die Form
aus der Verdichtungsanlage herausgerollt. Mithilfe einer
Hebevorrichtung wurde die stählerne Bodenplatte zusammen mit der Betonpflasterplatte nach oben und aus
der Form herausgedrückt. Dann wurde die Betonpflasterplatte wiederum mithilfe von Vakuumansaugung von der
BFT 06/2008
Produktion 1
The technique used by industry for making building and
paving blocks is based on applying vibration and compaction at the same time. A heavy metal block is used to compress the concrete while it is vibrated. This procedure was
replicated in the laboratory by the use of an electric hammer (see Fig. 4). While the electric hammer was sufficient
to compact the concrete building blocks and therefore
achieve the required compressive strength of > 7 MPa at
28-days, it proved not to be sufficient for paving blocks
which require more compaction to achieve a denser block.
Efforts concentrated on modifying the previously used
frame with the electric hammer, so that the specimens
could be vibrated from a source other than the electric
hammer, while they were being compacted. A small metal
table was modified to a vibrating table by mounting a
clamp-on-vibrator. Together with the use of a plasticizer,
this improved the wet density of the paving blocks to
2,390 kg/m3 compared to 2,230 kg/m3 by using the electric hammer alone. Compressive strengths greater than
49 MPa and tensile splitting strengths greater than
3.9 MPa were achieved by this method. The texture of concrete paving blocks cast in the laboratory with the improved “vibro-compaction” technique compared well with
that of paving blocks obtained from the factory and which
had similar mix proportions to the laboratory cast specimens.
The “wet” casting technique used by industry for making concrete flags requires a very workable mix so that the
concrete flows into the mould before it is compressed.
Compression squeezes water from the top as well as the
BFT 06/2008
Stahlplatte gehoben. Nun wurden die Betonpflasterplatten 24 Stunden lang an der Luft ausgehärtet und dann in
Wasser mit einer Temperatur von 20 ± 50 °C gelegt, bevor
sie getestet wurden.
Betonbausteine
Nach der erfolgreichen Reproduktion des industriellen
Verfahrens zur Betonbausteinherstellung im Labor wurde der Austausch von Primärzuschlag aus Kalkstein durch
Zuschlag aus aufbereitetem Beton untersucht. Die in
einem Betonsteinwerk eingesetzten Mischungsverhältnisse von Primärzuschlag aus Kalkstein (siehe Tabelle 3)
mussten in einen entsprechenden Volumenanteil umgewandelt werden und dann durch einen gleichwertigen an
Sekundärzuschlag ersetzt werden. Danach wurde wieder
das Gewicht dieser Anteile berechnet. Auf diese Weise
wurde sichergestellt, dass dieselben Volumenanteile ersetzt wurden, denn nur so konnte der Dichteunterschied
zwischen den Sekundärzuschlägen und den Primärzuschlägen aus Kalkstein berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wiesen Steine aus rezyklierten Betonzuschlägen geringfügig niedrigere Feuchtdichten auf als Steine
aus Kalksteinzuschlägen; so hatte ein Stein, bei dem die
Kalksteinzuschläge mit einer Körnung von 6 mm sowie
einer Korngruppe (0/4) zu 100 % durch Betonzuschlag ersetzt wurde, eine Dichte von 1.890 kg/m3, wogegen ein
Stein mit ausschließlich Kalksteinzuschlägen eine Dichte
von 2.125 kg/m3 aufwies.
Jede Mischserie begann mit einem Zementgehalt von
100 kg/m3. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass die Be-
39
1 Production
Fig. 5 Modified compression testing machine for making concrete
paving slabs.
Abb. 5 Modifizierte Druckprüfmaschine zur Herstellung von Betonpflasterplatten.
bottom of the mould. The concrete flag is then vacuumed
extracted. This industrial casting procedure was successfully replicated in the laboratory by using an appropriately
modified cube crushing machine (see Fig. 5), and a special
mold typical of what is used by industry (supplied by Morris Bros Ltd.). The mold could be filled outside of the cube
crushing machine and then rolled onto a steel frame and
into the machine for it to be compressed. The concrete
was compressed at 12 MPa for 15 seconds. A similar compressive stress (10 12 MPa) is used by precast concrete
factories but the duration of the flag being pressed is only
12 seconds. The additional 3 seconds were to account for
the time it took the compression machine to reach
12 MPa. Vacuum suction of the water at the top of the
mould was achieved through the use of a compressed air
supply and appropriate devices supplied by Morris Bros
Ltd. These devices were the same as used by the precast
concrete industry. The mould was then rolled out of the
compression machine and a jack was used to push the bottom steel plate of the mould, together with the concrete
flag, upwards and out of the mould. The concrete flag was
lifted off the steel plate, using again vacuum suction. Concrete paving flags were then air-cured for 24-hours before
being placed in water at a temperature of 20 ± 50 °C until
they were tested.
Concrete building blocks
After having successfully replicated the industrial blockmaking procedure in the laboratory, the replacement of
quarried limestone with concrete-derived aggregates was
investigated. The mix proportions of natural limestone
aggregate used by a block making factory, shown in
Table 3, had to be converted to equivalent volumes,
replaced by an equal volume of recycled aggregate, and
then converted back into weight. This ensured that the replacement was on a volumetric basis, which was required
in order to take into account the different densities of the
recycled aggregates compared with quarried limestone
aggregates. Blocks made with recycled concrete aggregates therefore had marginally lower wet densities than
quarried limestone blocks, e.g., 1,890 kg/m3 for a block
using 100% replacement of both 6 mm and 4 mm-to-dust
limestone aggregates with concrete-derived aggregates
compared to 2,125 kg/m3 for a block using only limestone
aggregates.
40
tonmischung eine ausreichende Verarbeitbarkeit aufweist, wenn sie nach dem festen Zusammendrücken mit
der Hand nicht auseinanderfällt. In diesem Zustand kann
sie in den Formen verdichtet werden. Nach einer 3-minütigen Durchmischung der Betonmasse, wurde eine Hand
voll entnommen. Wenn sie nicht zusammenhielt, wurde
zusätzliches Wasser hinzugefügt. Dann wurden zwei oder
drei Steine gegossen. Anschließend wurde der Mischung
etwas zusätzlicher Zement hinzugegeben, der Beton weitere zwei Minuten lang durchmischt und dann einer erneuten Sichtprüfung unterzogen. In der Sichtprüfung
wurde entschieden, ob der Beton eine ausreichende Verarbeitbarkeit zur Verdichtung in den Formen aufweist.
Durch diese schrittweise Erhöhung des Zementgehalts
sind Betonbausteine mit unterschiedlichem Zementgehalt, Wasserzementwert und somit auch unterschiedlicher Druckfestigkeit, hergestellt worden. Bereits nach
einem Tag war eine ausreichende Festigkeit erreicht, um
die Steine so zu bewegen und zu stapeln, wie es beim Produktionsprozess erforderlich ist. Nach sieben Tagen sind
alle Steine – mit Faserplatten an den Enden – getestet
worden und zur Angleichung an das Fabrikverfahren mit
einem Umrechnungsfaktor von 1,06 versehen worden,
um ausgehend von dieser Festigkeit die entsprechende
Festigkeit nach 28 Tagen zu ermitteln. In Abb. 6 werden
die für eine 28-tägige Aushärtung ermittelten Werte angezeigt. Danach sind Untersuchungen durchgeführt worden, bei denen entweder der Grobkorn- oder der Feinkornanteil ersetzt wurde (nicht beides), mit dem Ziel, die
jeweiligen Auswirkungen dieser Anteile zu messen. Bei
einem Austausch von 60 % des Grobkornanteils durch
Zuschlag aus aufbereitetem Beton waren die Ergebnisse
sehr viel versprechend, d. h., es waren keine nachteiligen
Auswirkungen auf die Druckfestigkeit feststellbar. Wurde
ausschließlich der Feinkornanteil durch entsprechenden
Betonzuschlag ersetzt, zeigten sich größere Beeinträchtigungen der Festigkeit als bei einem Ersatz des Grobzuschlags. Ein Austausch von mehr als 30 % des Feinkornzuschlags kann somit nicht empfohlen werden. Es wurde
geschlussfolgert, dass ein Ersatz von 60 % des Grobkornanteils und nicht mehr als 30 % des Feinkornanteils als
angemessen betrachtet werden könnten.
Die Auswirkung eines Austauschs neu gewonnener
Kalksteinzuschläge durch rezyklierten Zuschlag aus Mauerwerk wird auch in Abb. 6 gezeigt. Die nachteilige Auswirkung auf die Druckfestigkeit variierte beinahe linear
mit dem Prozentsatz des Austauschanteils. Die Entscheidung fiel auf eine Austauschmenge von 20 % der Grobund Feinzuschläge, da so immer noch Steine mit einer
Druckfestigkeit von über 7 MPa produziert werden konnten.
Betonpflastersteine
Pflastersteine müssen nach 28 Tagen eine Druck- bzw.
Zugfestigkeit von 49 MPa bzw. 3,9 MPa aufweisen, siehe
Tabelle 3. Es überrascht also nicht, dass der normalerweise verwendete Zementgehalt bei Pflastersteinen um einiges höher liegt als bei Betonbausteinen, d. h. 380 kg/m3
im Vergleich zu 100 kg/m3.
Bei Pflastersteinen wird ein viel höheres Fein-/Grobzuschlagverhältnis (4:1) eingesetzt als bei Betonbausteinen (Verhältnis bei 1:1), um eine bessere Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten. Dies bereitete zu Beginn einige
Probleme, da sich ja gezeigt hatte, dass der Feinkornanteil
die Druckfestigkeit von Betonbausteinen stärker beeinflusst als der Grobzuschlag. Die Abb. 7a und 7b zeigen,
dass trotz gewisser Beeinträchtigungen der Druckfestig-
BFT 06/2008
BFT 06/2008
fine aggregate
feinkörnige Zuschläge
Compressive strength/Druckfestigkeit (MPa)
Target strength
Zielfestigkeit
coarse aggregate
großkörnige Zuschläge
Target strength
Zielfestigkeit
fine aggregate
feinkörnige Zuschläge
Replacement Level
Mengenanteil Austauschstoff (%)
Fig. 6 Compressive strength versus replacement level (%) with recycled aggregates for building
blocks.
Abb. 6 Druckfestigkeit im Vergleich zur Austauschmenge (%) durch Sekundärzuschläge
bei Bausteinen.
keit diese vergleichbar waren mit denen des Grobkornanteils. Daraus lässt sich schließen, dass eine angemessene
Austauschmenge sowohl für den Grobkorn- als auch für
den Feinkornanteil für Zuschlag aus aufbereitetem Beton
bei bis zu 60 % liegt. Bei näherer Betrachtung überrascht
es nicht, dass ein hoher Prozentsatz an Ersatzzuschlag die
Festigkeit nur in geringem Maße beeinträchtigt – der
Grobkornanteil beträgt nämlich nur 20 % des Gesamtzuschlags.
Parallel zur Studie über die Betonbausteine und getrennt von den Zuschlägen aus aufbereitetem Beton, ist
auch der Ersatz neu gewonnener Kalksteinzuschläge
durch Zuschlag aus aufbereitetem Mauerwerk untersucht
worden. Wie in Abb. 9a und 9b zu sehen ist, liegt die für
Mauerwerkzuschläge angemessene Austauschmenge bei
60 % für den Grobkornanteil und 40 % für den Feinkornanteil. Weitere Untersuchungen mit kombiniertem Ersatz von Grob- und Feinzuschlägen haben jedoch gezeigt,
dass es ratsam wäre, höchstens 20 % des Feinkornanteils
durch Mauerwerkzuschläge zu ersetzen, damit sicherge-
Coarse concrete
Grobbeton
Fine concrete
Feinbeton
Replacement ratio
Anteil Austauschstoff (%)
Tensile splitting strength/Spaltzugfestigkeit (MPa)
Concrete paving blocks
Paving blocks are required to have 28-day compressive
and tensile strengths of 49 MPa and 3.9 MPa respectively,
see Table 3. It is not therefore surprising that the cement
content normally used is considerably higher than the one
used for building blocks, i.e. 380 kg/m3 compared to
100 kg/m3.
Concrete paving blocks, unlike concrete building
blocks, use a much higher fine/coarse aggregate ratio 4:1,
compared to about 1:1 for the building blocks, in order to
get a better surface finish. Initially this was worrying since
the fine fraction was shown to have a bigger detrimental
effect on the compressive strength of concrete building
blocks than the coarse aggregate. Fig. 9a and 9b show that
although there was some detrimental effect this was similar to the coarse fraction. It can be concluded that reasonable replacement levels would be up to 60% for the coarse
and similarly 60% for the fine fraction for concrete-derived aggregate. Upon reflection, it is not surprising that a
high percentage replacement only causes a small detrimental effect on strength; the coarse aggregate proportion
is only 20% of the total aggregate.
coarse aggregate
großkörnige Zuschläge
Replacement Level
Mengenanteil Austauschstoff (%)
Compressive strength/Druckfestigkeit (MPa)
Each series of mixes started with an initial cement
content of 100 kg/m3. Experience has shown that if the
concrete mix held together after it is squeezed tightly in
the hand, then the mix would have sufficient workability
to be compacted into the moulds. A handful of the concrete mix was taken after mixing for three minutes. If it
did not hold together then additional water was added.
Two or three blocks were then cast. An increment of additional cement was then added, the concrete was
re-mixed for another two minutes, and again a visual inspection again determined whether it had sufficient workability to be compacted into the moulds. Incremental increase of the cement content in this manner resulted in
blocks with various cement contents, water-cement ratios,
and therefore compressive strengths. Early age strengths,
i.e. 1-day, were sufficient to allow moving and stacking of
blocks as required in the manufacturing process. All
blocks were tested at 7-days using fiberboard end packing
and, following factory procedure, a conversion factor of
1.06 was used to convert this strength to the equivalent
28-day strength. The values shown in Fig. 6 are the equivalent 28-day strengths. Studies were then carried out with
the objective of replacing either the coarse fraction or the
fines fraction, but not both, in order to quantify the relative effects of each fraction. Promising results were obtained for a 60% replacement of the coarse fraction with
concrete-derived aggregate, i.e. there was no detrimental
effect on the compressive strength. Replacement of the
fine aggregate fraction only with concrete-derived aggregate had a more detrimental effect on strength than the
coarse aggregate replacement. Higher than 30% replacement level of fine aggregate is not recommended. It was
concluded that reasonable replacement levels would be
60% for the coarse fraction and not more than 30% for the
fine fraction.
The effect of replacing newly quarried limestone with
recycled masonry-derived aggregate is also shown in
Fig. 6 and the detrimental effect was found to vary almost
linearly with the percentage replacement level. 20% replacement level of coarse and fine aggregate was selected
as it still produced blocks with compressive strengths
above 7 MPa.
Compressive strength/Druckfestigkeit (MPa)
Produktion 1
Coarse concrete/Grobbeton
Fine concrete
Feinbeton
fine aggregate
feinkörnige Zuschläge
Replacement ratio
Anteil Austauschstoff (%)
Fig. 7 Strength versus replacement level (%) with concrete-derived aggregates for paving blocks.
Abb. 7 Festigkeit im Vergleich zur Austauschmenge (%) durch Zuschläge aus aufbereitetem Beton
bei Pflastersteinen.
41
1 Production
Coarse masonry
Grobkorn-Mauerwerk
Fine masonry
Feinkorn-Mauerwerk
Replacement ratio
Anteil Austauschstoff (%)
Compressive strength/Druckfestigkeit (MPa)
Compressive strength/Druckfestigkeit (MPa)
stellt werden kann, dass die angestrebte Druckfestigkeit
nach 28 Tagen immer noch erreicht wird.
Coarse masonry
Grobkorn-Mauerwerk
Fine masonry
Feinkorn-Mauerwerk
Replacement ratio
Anteil Austauschstoff (%)
Fig. 8 Strength versus replacement level (%) with masonry-derived aggregates for paving blocks.
(a) Compressive strength
(b) Tensile splitting strength
Abb. 8 Festigkeit im Vergleich zur Austauschmenge (%) durch Zuschläge aus aufbereitetem
Mauerwerk bei Pflastersteinen.
(a) Druckfestigkeit
(b) Spaltzugfestigkeit
The replacement of newly quarried limestone aggregate with masonry-derived aggregate has been investigated separately from concrete-derived aggregates for paving
blocks in parallel to the building blocks study. Fig. 8a and
8b show that reasonable replacement levels with masonry
derived aggregates would be 60% for the coarse fraction
and 40% for the fine fraction. However, further studies
with combined coarse and fine replacements indicated
that it would be prudent to recommend that only 20% of
the fine fraction be replaced with masonry-derived aggregates, in order to guarantee that the target strength is still
achieved at the age of 28 days.
Concrete slabs
Only a combination effect, i.e. replacing both coarse and
fine fraction with concrete-derived aggregates, was examined for concrete slabs. BS EN 1339:2003 requires the
characteristic splitting strength to be greater than
3.5 MPa. A target mean flexural strength of 4.0 MPa has
been set for this project after consultation with industrial
collaborators. With up to 60% of the coarse and 60% of the
fine fractions replaced with concrete-derived aggregates
(keeping recommended replacement values on the conservative side), the target flexural strength of 4.0 MPa was
still achieved at the age of 28 days (see Fig. 9a).
Fine masonry-derived aggregate appears to adversely
affect the flexural strength (or tensile splitting strength in
the case of paving blocks), more than it does to the compressive strength. Therefore a replacement level of 60/20%
of coarse and fine fraction is suggested as the maximum
replacement level with masonry-derived aggregates (see
Fig. 9b).
Factory trials
Factory trials for concrete building blocks took place at
Forticrete Ltd. in Buxton. Factory trials for concrete paving
products are scheduled to take place in the next few
months. The factory trials had to be done between shifts
and when there were sufficient number of storage bins
empty to hold the recycled aggregates. After placing the
aggregates in the hoppers, the mix proportions/weights
42
Betonplatten
Bei Betonplatten sind nur die Auswirkungen eines kombinierten Ersatzes von Grob- und Feinkornanteil durch
Zuschlag aus aufbereitetem Beton untersucht worden.
Laut BS EN 1339:2003 muss die charakteristische Spaltfestigkeit mehr als 3,5 MPa betragen. Nach Absprache
mit den Mitwirkenden aus der Industrie ist für dieses Projekt eine Zielgröße von 4,0 MPa für die mittlere Biegefestigkeit festgelegt worden. Bei einem Austausch von bis
zu 60 % des Grob- und ebenfalls 60 % des Feinkornanteils
durch Betonzuschläge (um auf der sicheren Seite der
empfohlenen Werte für einen Austausch zu bleiben),
konnte die Zielgröße von 4,0 MPa für die Biegefestigkeit
nach 28 Tagen immer noch erreicht werden (siehe
Abb. 9a).
Feinzuschlag aus Mauerwerk scheint sich eher negativ auf die Biegefestigkeit (bzw. Spaltzugfestigkeit bei
Pflastersteinen) als auf die Druckfestigkeit auszuwirken.
Aus diesem Grund wird eine Austauschmenge von
60/20 % des Grob- und Feinzuschlags als maximale Austauschmenge bei Mauerwerkzuschlag empfohlen (siehe
Abb. 9b).
Werksversuche
Die Werksversuche an den Betonbausteinen wurden bei
Forticrete Ltd in Buxton durchgeführt. Die Werksversuche
an den Pflastersteinen sind für die nächsten Monate geplant. Die Werksversuche mussten zwischen den Schichten durchgeführt werden, wenn genug leere Vorratsbehälter für den Sekundärzuschlag vorhanden waren. Nach
der Einlagerung der Zuschläge in den Silos wurden die
Mischungsverhältnisse/-gewichte in den Computer der
Dosieranlage eingegeben. Beim ersten Versuch musste
dreimal Zugabewasser nachdosiert werden, bevor die
Freigabe zum Gießen der Steine erteilt wurde. Dadurch
waren die Steine der ersten Charge etwas feuchter als normalerweise. Trotzdem wurde dieselbe Wassermenge auch
bei den höheren Zementgehalten verwendet. Die untersuchten Zementgehalte betrugen etwa 100, 175 und
250 kg/m3. Die Steine wurden gekennzeichnet und ein
Stein aus jeder Charge wurde gewogen. So konnte der
Zementgehalt genau bewertet werden. Man vermutete,
dass die rote Farbe des Mauerwerkzuschlags in den Steinen sichtbar werden würde. Es waren jedoch erst nach
sorgfältiger Prüfung der Betonbausteine ein paar Partikel
des Mauerwerkzuschlags auf der Oberfläche auszumachen. Der Zementleim hat den Mauerwerkzuschlag sehr
gut abgedeckt, sodass die Steine die normale dunkelgraue
Farbe hatten. Kommen die Steine zur Anwendung, wenn
für die Wand ein Putz vorgesehen ist, dann ist die Farbe
ein zweitrangiges Problem.
Die Steine wurden einen Tag lang in der Feuchtigkeitskammer des Betriebs gehärtet und fünf oder sechs
davon nach 7 und nach 28 Tagen auf ihre Druckfestigkeit
geprüft. Abb. 10a und 10b zeigen die Betonfestigkeit nach
28 Tagen. Hier zeigt sich, dass die industrielle Rüttelverdichtungstechnik effizienter arbeitete als die Labortechnik und durchweg größere Druckfestigkeiten erzeugte.
Deshalb wurde das Verhältnis zwischen Festigkeit und
Zementgehalt erhöht. Durch die erreichten Festigkeiten
bestätigte sich, dass die auf Grundlage der Laborarbeiten
gewählten Austauschmengen nicht zu einer wesentlichen
BFT 06/2008
Fine concrete
Feinbeton
All mixes have 60% of the coarse
fraction replaced.
Bei allen Mischungen wurden 60 %
des Grobkorns ausgetauscht.
Replacement level of fine fraction
Austauschanteil der Feinststoffe (%)
28-day Compressive strength/28 Tage Druckfestigkeit (MPa)
Flexural strength/Biegezugfestigkeit (MPa)
Produktion 1
Limestone (Factory)
Kalkstein (Werk)
60°C/30F “All-In”
concrete (Factory)
„All-In“-Beton
(Werk)
Limestone (LAB)
Kalkstein (Labor)
60C/30F
(LAB/Labor)
Cement content
Zementgehalt (kg/m3)
Fig. 9 Flexural strength versus replacement level (%) with recycled aggregates for paving slabs.
Fig. 10 Compressive strength versus cement
content replacement of 60% coarse and 30%
fine fraction with concrete-derived aggregates.
Abb. 9 Biegefestigkeit im Vergleich zur Austauschmenge (%) durch rezyklierte Zuschläge
bei Pflasterplatten.
Abb. 10 Druckfestigkeit im Vergleich zum
Zementgehalt bei einem Ersatz von 60 % des
Grobanteils und 30 % des Feinanteils durch
Zuschläge aus aufbereitetem Beton.
were input to the computer of the batching plant. The first trial required three additions of water before approval was given
for the blocks to be cast. This resulted in
the blocks from the first batch being
slightly wetter than the norm. Nevertheless, the same amount of water was maintained for the higher cement contents.
The cement contents investigated were
approximately 100, 175 and 250 kg/m3.
The blocks were labelled and one of the
blocks from each batch was weighed. This
enabled the accurate estimate of cement
content. There were concerns that the red
color of masonry-derived aggregate would
be apparent in the blocks. However, it was
only after careful inspection of the building blocks that one might find the odd masonry aggregate particle appearing on the
surface; the cement paste covered the masonry-derived aggregate effectively and
the color of the blocks was the normal
dark grey. If blocks are used in applications where the wall will be covered then
this issue is secondary.
The blocks were cured for one day in
the factory’s humidity chamber and five
or six were tested for compressive strength
at 7- and 28-days. The concrete strengths
obtained at 28-days are shown in Fig. 10a
and 10b. It is seen that the industrial vibro-compaction technique was more efficient than the laboratory technique and
produced higher compressive strengths
throughout. Therefore the relationships
between strength and cement contents
were shifted upwards. The strengths obtained confirmed that the replacement
levels selected, on the basis of the labora-
Verringerung der Festigkeit führten, d. h.
es war nicht notwendig, den Zementgehalt zu erhöhen, um die erforderliche Festigkeit von > 7 MPa zu erlangen. Allerdings scheint die Kurve, die der Hersteller
für Kalksteinzuschlag erhalten hat, sich
eher zu wenden als anzusteigen. Wenn
aus Bauschutt gewonnener Zuschlag für
Steine mit höherer Druckfestigkeit verwendet werden soll, sind deshalb also weitere Untersuchungen erforderlich. Die
Produktion herkömmlicher Steine mit einer Festigkeit von > 7 MPa unter Verwendung von Sekundärzuschlägen wäre für
die Hersteller nicht mit Zusatzkosten verbunden. Alles in allem sind die Werksversuche sehr zufrieden stellend ausgefallen.
BFT 06/2008
Schlussfolgerungen
Die Verwendung von Zuschlagstoffen aus
rezykliertem Bauschutt kann in gewissen
Gebieten durch eine ungünstige Lage zu
den Steinbrüchen gefördert werden. Den
Einschätzungen zufolge kann Liverpool,
das zurzeit einen Regenerationsprozess
mit großen Abbruch- und Neubauprojekten erlebt, von einer hochwertigen
Endnutzung von aus Bauschutt gewonnenen Zuschlägen profitieren. Marktuntersuchungen haben gezeigt, dass der
Großteil der jährlich produzierten
4,5 Mio. t Bauschutt zerkleinert und/oder
gesiebt wird, um hauptsächlich als geringwertiger Zuschlag für Frost- oder
Tragschichten im Straßenbau Verwendung zu finden. Allerdings werden die
mit der Zerkleinerung der Bau- und Abbruchabfälle verbundenen Kosten nicht
43
28-day Compressive strength/28 Tage Druckfestigkeit (MPa)
1 Production
Limestone (Factory)
Kalkstein (Werk)
Limestone (LAB)
Kalkstein (Labor)
20C/20F
Masonry (Factory)
Mauerwerk (Werk)
20C/20F
Masonry (LAB)
Mauerwerk (Labor)
Cement content
Zementgehalt (kg/m3)
Fig. 11 Compressive strength versus cement
content replacement of 20% coarse and 20%
fine fraction with masonry-derived aggregates.
Abb. 11 Druckfestigkeit im Vergleich zum
Zementgehalt bei einem Ersatz von 20 % des
Grobanteils und 20 % des Feinanteils durch
Zuschläge aus aufbereitetem Beton.
tory work, did not cause any significant strength reduction, i.e. there was no requirement to increase the cement
content to maintain the required strength of > 7 MPa.
However, the curve obtained by the manufacturer for
limestone aggregate appears to rotate rather than shift upwards. Further investigation is therefore needed if C&DW
derived aggregate are to be used in blocks of higher compressive strength. There would be no additional cost to the
manufacturers if they were to use recycled aggregates for
the common blocks with strength grade > 7 MPa. Overall,
it was a very satisfactory factory trial.
Conclusions
The location of aggregate resources may encourage the
use of C&DW derived aggregates in certain areas. It is believed that Liverpool, whose regeneration calls for demolition and major reconstruction, can benefit from a high
value end use of C&DW derived aggregates. The market
research carried out showed that most of the 4.5 million
tons of annual C&DW material is crushed and/or screened
for use as aggregate, mainly for low value road sub-base
use. However, the costs associated with crushing the
C&DW are not recovered and there was therefore scope
for investigating a high-end value market, such as their
use in precast concrete products. The technical aspects of
the use of recycled demolition materials in the production
of concrete building and paving blocks and concrete paving flags indicated that the replacement levels of quarried
aggregate need to be determined such that the mechanical
properties are maintained without the need to increase
the cement content. For the concrete building blocks, the
recommended levels of replacement of quarried aggregates with:
» concrete derived aggregate were 60% for the coarse
fraction, i.e. 6 mm, and 30% for the fine fraction, i.e.
4 mm-to-dust.
» masonry-derived aggregate were 20% for the coarse
fraction, i.e. 6 mm, and 20% for the fine fraction, i.e.
4 mm-to-dust.
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abgedeckt, sodass es opportun erschien, das Marktpotenzial für eine Anwendung als hochwertiger Bestandteil von
Betonfertigteilen zu untersuchen. Die technischen Aspekte der Nutzung von Sekundärzuschlägen bei der Produktion von Betonbausteinen, Pflastersteinen und Betonpflasterplatten forderten, dass die Austauschmengen von
Primärzuschlag so festgelegt werden mussten, dass die
mechanischen Eigenschaften ohne Erhöhung des Zementgehalts beibehalten wurden. Bei Betonbausteinen betrugen die empfohlenen Austauschmengen von Primärzuschlägen durch:
» Betonzuschläge 60 % für den Grobanteil, d. h. 6 mm,
und 30 % für den Feinanteil, d. h. Körnung (0/4).
» Mauerwerkzuschläge 20 % für den Grobanteil, d. h.
6 mm, und 20 % für den Feinanteil, d. h. (0/4).
Werksversuche an Betonbausteinen zeigten, dass die Verwendung von Sekundärzuschlägen keinerlei praktische
Probleme aufwarf. Die erhaltenen Festigkeiten bestätigten, dass die auf Grundlage der Laborarbeit gewählten
Austauschmengen nicht zu einer signifikanten Verringerung der Festigkeit führten, d. h. es gab kein Erfordernis,
den Zementgehalt zu erhöhen, um die erforderliche
Festigkeit aufrechtzuerhalten. Folglich würden die Hersteller nicht mit zusätzlichen Kosten konfrontiert werden,
wenn sie Sekundärzuschläge bei der täglichen Betonbausteinproduktion einsetzten. Es wird erwartet, dass Werksversuche an Pflastersteinen und Betonplatten die Befunde
der Laboruntersuchungen hinsichtlich der Obergrenze
beim Austausch des Primärzuschlags durch Sekundärzuschläge bestätigen werden. Es gibt jedoch insbesondere
bei den Pflastersteinen und -platten noch eine Reihe von
Problemen bezüglich des Erscheinungsbildes und der
Dauerhaftigkeit, die weitere Untersuchungen erforderlich machen.
Danksagung
Die Verfasser bedanken sich beim Veolia Environmental Trust
und beim Flintshire Community Trust Ltd. (AD Waste Ltd.)
für die finanzielle Unterstützung dieses Projekts. Außerdem
möchten die Verfasser sich bei folgenden Mitwirkenden aus der
Industrie für deren Beitrag zum Gelingen des Projekts bedanken: Clean Merseyside Centre, Marshalls Ltd., Forticrete Ltd.,
Charcon Ltd., Cemex Readymix Ltd., RPC Ltd., Liverpool
City Council, Liverpool Housing Action Trust (LHAT), WF
Doyle & Co. Ltd., Lafarge Aggregates Ltd., Hanson Aggregates
Ltd., Aggregate Industries Ltd., Appleby Group Ltd., UKQAA,
Tarmac Ltd. und Morris Brothers Ltd. Ein besonderer Dank
gilt J. Gradwell von Enviros Ltd. für seine Hilfe bei der Arbeit
an den Betonbausteinen. Dennoch handelt es sich bei den im
vorliegenden Beitrag enthaltenen Ansichten um die des Verfassers, und sie stimmen nicht unbedingt mit denen der Sponsoren, Behörden oder kommerziellen Interessenten überein.
BFT 06/2008
Produktion 1
Factory trials for concrete building blocks showed that
there were no practical problems with the use of recycled
aggregates. The strengths obtained confirmed that the replacement levels selected, based on the laboratory work,
did not cause any significant strength reduction, i.e. there
was no requirement to increase the cement content to
maintain the required strength, and therefore there would
be no additional cost to the manufacturers if they were to
use recycled aggregates for their everyday concrete building block production. Factory trials for concrete paving
blocks and slabs are also expected to confirm the findings
of the laboratory based studies on the upper limit for replacement of quarried aggregate with recycled aggregates.
However, there will be a number of appearance and durability issues requiring further investigations, particularly
with respect to the paving block and flag products.
Acknowledgments
The authors are grateful to the Veolia Environmental Trust
and the Flintshire Community Trust Ltd. (AD Waste Ltd.) for
funding this project. The authors would also like to thank the
following industrial collaborators for their assistance with the
project: Clean Merseyside Centre, Marshalls Ltd, Forticrete
Ltd, Charcon Ltd., Cemex Readymix Ltd., RPC Ltd., Liverpool City Council, Liverpool Housing Action Trust (LHAT),
WF Doyle & Co. Ltd., Lafarge Aggregates Ltd., Hanson Aggregates Ltd., Aggregate Industries Ltd., Appleby Group Ltd.,
UKQAA, Tarmac Ltd., and Morris Brothers Ltd. The contribution of J. Gradwell of Enviros Ltd. to the work on the concrete building blocks is particularly acknowledged. However,
the views given in this discussion are those of the authors and
do not necessarily represent those of the funders, regulatory bodies or commercial interests.
References/Literatur
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