Auf Sand gebaut

Der Grund dafür liegt in den verbrauchten Mengen: Jährlich verarbeitet die Menschheit rund 50 Milliarden Tonnen davon. Sand steckt in zementbasierten Systemen wie Beton, Mörteln oder Fliesenklebern, aber auch in Ziegelsteinen, Gläsern, im Unterbau von Straßen oder Dämmen zum Hochwasserschutz.

„Sand ist die größte gehandelte Feststoff-Ressource der Welt“, sagt Jahr. „Aber zugleich ist Sand eine endliche Ressource. Daher ist es sinnvoll, Abbruchmaterial aus der Bauindustrie wiederzuverwerten und es als Alternative zu Sand einzusetzen.“

Dass auch dieser Rohstoff nicht wie sprichwörtlicher „Sand am Meer“ verfügbar ist, verblüfft mit Blick auf die gewaltigen Sandwüsten wie die Sahara zunächst. Dubai etwa musste eigens Sand aus Australien importieren, um den welthöchsten Wolkenkratzer, den Burj Khalifa, zu bauen – der Wüstensand vor der Haustür eignete sich nicht dafür. Die Körner von Wüstensand sind, nachdem sie über viele Jahrmillionen abgeschliffen wurden, in der Regel zu fein, zu glatt, zu rund, um im abgebundenen Beton zuverlässig zusammenzuhalten.

Verwendet wurden in diesen Laborversuchen feinkörnige Fraktionen des recycelten Betons mit Teilchengrößen bis zu 1,25 mm. Die Herstellung dieser Fraktionen erfolgte nach zwei verschiedenen Methoden: Zum einen wurden sie im WACKER-Werk Burghausen aus recyceltem Beton ausgesiebt, der von der Ettengruber GmbH mit entsprechenden Maschinen zerkleinert wurde. Wirtschaftlich relevanter ist das zweite Verfahren, da hierbei der gesamte Recyclingbeton verwertet wird. Das Labor für Baustoffe und Bauchemie der Hochschule München von Prof. Andrea Kustermann schredderte den von der Firma Ettengruber gelieferten Recyclingbeton weiter, bis die nötige Feinkörnigkeit erreicht war.

Die gemahlenen Proben des Recycling-Betons wurden zur Bestimmung der kristallinen Phasen in einem Röntgendiffraktometer vermessen. Die Auswertung ergab eine Zusammensetzung aus Calcit/Quarz/Dolomit in einem Gewichtsverhältnis von rund 40 zu 20 zu 30 und einem amorphen Anteil (10). Die Feinkornfraktion des Recycling-Betons besteht somit aus Kies (Kalkstein, Dolomit/Calcit), Sand (Quarz), karbonatisierten Anteilen von Portlandit und amorphen Calciumsilikathydrat-Phasen aus abgebundenem Zement. Nennenswerte Anteile von nicht abgebundenem Zement oder Gips fand das Team des Burghauser Analytiklabors nicht.

Die Korndichte der gesiebten Proben wurde dann nach DIN 18124 im Kapillarpyknometer bestimmt. Es ergaben sich Werte zwischen 2,3 und 2,4 g/cm3. Diese gegenüber einem Referenz-Quarzsand (2,63 g/cm3) kleinere Korndichte geht einher mit einer größeren Anzahl feiner Poren mit Durchmessern zwischen zehn Nanometern und fünf Mikrometern.

Der hohe Anteil feiner Partikel und feiner Poren in den Proben des Recyclingbetons führt dazu, dass Fliesenkleber auf dieser Basis bei gleicher Konsistenz einen höheren Wasseranspruch haben als herkömmliche Fliesenkleber.

Als Referenz für die Untersuchungen formulierten Klas Sorger und sein Team einen Fliesenkleber, der nach der Norm EN 12004-1 als C2TE S1 klassifiziert werden kann (C = Zementkleber, 2 = hochfester Kleber, T = hohe Beständigkeit gegen vertikales Verrutschen, E = offene Zeit von mindestens 30 Minuten, S1 = verformbarer Kleber mit einer Verformung größer 2,5 und kleiner 5 mm). Als Polymer enthält er VINNAPAS^® 8620 E, ein Dispersionspulver auf Basis von Vinylacetat, Ethylen und Vinylchlorid, das unter anderem die Nassfestigkeit
des Fliesenklebers verbessert und den Fliesenkleber flexibler macht.

Bei den Musterformulierungen wurden 25 beziehungsweise 50 Prozent des Sandes des Referenz-Fliesenklebers durch recycelten Beton ersetzt – mit jeweils zunehmendem Wasseranspruch von 290 und 320 Millilitern im Vergleich zu 270 Millilitern für den Referenzmörtel.
Bei den für frische Fliesenkleber bedeutsamen Eigenschaften – Standfestigkeit, Viskosität, Dichte – gab es nahezu keine Unterschiede zwischen Referenz und den anderen Proben.

Die vergleichende Prüfung der Benetzungsfähigkeit erfolgte in Anlehnung an EN 1347: Nach dem Auftragen des Fliesenklebers auf eine Betonplatte wird nach 10, 20, 30 und 40 Minuten eine Fliese aufgelegt und für eine Dauer von 30 Sekunden mit 50 Newton belastet. Anschließend wird die Kontaktfläche zwischen dem Fliesenkleber und der Fliese bestimmt. „Dabei zeigte sich, dass die Formulierungen, die auf Recyclingbeton basieren, den Referenzformulierungen sogar überlegen waren“, betont der WACKER-Chemiker Klas Sorger. „Je höher der Anteil des recycelten Betons, umso besser war die Benetzungsfähigkeit.“ Dies ist eine Folge des erhöhten Wasseranspruchs der Mischungen mit Recyclingbeton.

Parallel zur verbesserten Benetzungsfähigkeit verlängert sich die offene Zeit mit höherem Recyclingbeton-Anteil (siehe Grafik unten). Bestimmt wurde sie entsprechend der EN 12004-2, indem die Fliesen nach 5, 20 und 30 Minuten in den Klebstoff eingelegt und dann die Haftzugfestigkeit gemessen wurde. Dem Fliesenleger macht eine längere offene Zeit das Arbeiten deutlich leichter, lassen sich doch Fliesen länger in das aufgezogene Mörtelbett einlegen.

Verbesserte Benetzungsfähigkeit und längere offene Zeit der Formulierungen auf Basis von Recyclingbeton gehen weder auf Kosten der Ausgangshaftzugfestigkeit noch der Haftzugfestigkeiten nach Lagerung im Wasser, nach Warmlagerung und nach Frost-Tau-Wechsellagerung (siehe Grafik unten). Eine plausible Erklärung dafür hat Klas Sorger bereit: „Die feinporigen Partikel aus recyceltem Beton fungieren als eine Art Wasserspeicher, der das Wasser nach und nach freisetzt. Das ist vorteilhaft für die Hydratation des Zements.“ Diese Hypothese hat 2013 ein Team der Technischen Universität Lissabon aufgestellt, das die Nutzung von recyceltem Beton in der Mörtelproduktion untersucht hatte.

Die Werte für die Haftzugfestigkeit nach Warmlagerung belegen die hohe Flexibilität aller hier untersuchten Formulierungen, denn die Warmlagerung erzeugt aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von
Fliesen und Untergrund mechanische Spannungen,
denen der Fliesenkleber standhalten muss. Die hohe Flexibilität der Formulierungen ist auf das enthaltene VAE/VC-Polymer zurückzuführen. Bestimmung der Verformung der Formulierungen nach EN 12004-2 zeigte für alle Mischungen mit Recyclingbeton innerhalb der Messgenauigkeit gleiche Werte wie für die Referenz.

Die Prüfungen wurden später mit Fliesenklebern wiederholt, bei denen die gesiebte Feinkorn-Fraktion aus recyceltem Beton stammte, der vom Unternehmen Ettengruber ein halbes Jahr nach dem ursprünglich verwendeten Recyclingbeton erzeugt wurde. Erfreulicherweise ließen sich mit diesen Fliesenklebern die vorherigen Untersuchungsergebnisse reproduzieren. „Dies spricht für die sehr ähnliche Qualität der beiden Recyclingbeton-Chargen“, betont Klas Sorger. Recycelter Beton kann Quarzsand in Fliesenklebern ersetzen und somit zur Schonung natürlicher Ressourcen beitragen – so lautet das Fazit der WACKER-Chemiker nach ihren ausführlichen Untersuchungen.

„Ob der Einsatz von recyceltem Beton als Zuschlagsstoff im Fliesenkleber den CO₂-Fußabdruck des Endprodukts tatsächlich senkt und zudem für den Trockenmörtel-Hersteller wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt allerdings sehr von den Rahmenbedingungen ab, etwa den Herstellprozessen des Recyclingbetons, der Herkunft des zum Brechen des Baustoffs nötigen Stroms oder den Transportwegen“, ergänzt Linn Mehnert vom Sustainability-Team von WACKER POLYMERS. Zudem müsse beispielsweise nahe der Trockenmörtel-
Produktionsstätte recycelter Beton in ausreichender Menge und konstanter Qualität zur Verfügung stehen.