Stoffliche Verwertung von ­Faser­zementabfällen

1 Einleitung

Unter dem Begriff „Faserzement“ werden aus Zement, Zusatzstoffen und Fasern hergestellte Tafeln oder Rohre mit geringen Wandstärken verstanden, die beispielsweise im Hochbau für Dachbedeckungen, Fassadenverkleidungen oder im Tiefbau eingesetzt werden. Faserzement wird schon seit vielen Jahren asbestfrei hergestellt. Damit entstehen bei der Sanierung oder dem Abbruch von Gebäuden zunehmend asbestfreie Faserzementabfälle. Diese Abfälle sind – im Unterschied zu den vor den Herstellungsverboten im Jahr 1991 für den Hochbau und 1994 für den Tiefbau produzierten asbesthaltigen Erzeugnissen – nicht besonders überwachsbedürftig. Deshalb besteht die Möglichkeit sie sortenrein oder als Bestandteil von Recycling-Baustoffen zu verwerten. Deshalb besteht die Möglichkeit sie sortenrein oder als Bestandteil von Recycling-Baustoffen zu verwerten. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die Merkmale von Faserzement gegeben. Die Zerkleinerung in verschiedenen Brechertypen und die Eigenschaften der dabei entstehenden Körnungen werden untersucht. Anschließend wird der Frage nachgegangen, ob die Eigenschaften von RC-Tragschichtmaterial durch die Zugabe von Faserzement verändert werden.

2 Merkmale des Primärmaterials

Faserzement ist ein Kompositbaustoff aus mit Fasern armiertem Zementstein. Er wird aus Portlandzement, Zusatzstoffen wie Trass- oder Kalksteinmehl und Fasern hergestellt. Der Produktionsprozess beginnt mit der Herstellung einer dickflüssigen, faserhaltigen Zementsuspension mit einem Wasser-Zement-Faktor von 0,6, die in mehreren Schritten über rotierende Siebzylinder und Filzunterlagen entwässert wird. Anschließend erfolgt die Einstellung der gewünschten Plattenstärke auf der Formatwalze. Danach wird die Rohplatte durch Stanzen und Pressen zu kleinformatigen Platten, ebenen Tafeln oder Wellplatten verarbeitet. Während der Lagerung erfolgt die Zement­hydratation, welche die Aushärtung bewirkt. Es schließt sich eine Oberflächenbeschichtung an.

Faserzementprodukte werden im Hochbau eingesetzt. Markante Produkte sind Wellplatten, kleinformatige Dach- und Fassadenplatten, großformatige Tafeln für Fassaden und Innenausbau sowie Lüftungsrohre. Die ab 1995 jährlich in Europa produzierten Mengen an Faserzementprodukten können näherungsweise anhand von Eurostat-Daten abgeschätzt werden. Die jährlich produzierte Menge liegt bei etwas über 2 Mio. Tonnen (Bild 1).

Der Vorläufer des heute eingesetzten asbestfreien Faserzements ist der Astbestzement, der vor mehr als 100 Jahren zum ersten Mal hergestellt wurde. Unter Beibehaltung der auf das Patent von Hatschek [2] zurückgehenden Technologie wurde ab Anfang der achtziger Jahre damit begonnen die Materialzusammensetzung zu verändern. Anstelle der Asbestfasern werden heute Zellstoff- und Kunststofffasern verwendet. Dabei übernehmen die Zellstofffasern als Prozessfasern die Aufgabe, die Zementpartikel während der Entwässerung der Suspension zurückzuhalten. Als Armierungsfasern dienen synthetische, organische Fasern aus Polyvinylalkohol oder Polyacrylnitril. Spätestens ab 1991 erfolgt die Herstellung aller Hochbauprodukte asbestfrei. Für Tiefbauprodukte wird ab 1994 kein Asbest mehr eingesetzt.

Faserzement hat im erhärteten Zustand die in Bild 2 darge­stellte Volumenzusammensetzung. Die Bindemittelmatrix aus dem Zementstein und dem Füllstoff ist infolge der darin eingebetteten Kunststofffasern in der Lage hohe Zug- und Biegebeanspruchungen aufzunehmen, so dass auch bei großflächigen Tafeln geringe Plattendicken realisiert werden können. Die Luftporen garantieren die Frostbeständigkeit des Materials, indem sie als Ausdehnungsräume für eingedrungenes, gefrierendes Wasser dienen. Fasst man den Zement, den Füllstoff und das Wasser zur Bindemittelmatrix zusammen, ergibt sich, dass Faserzement zu ca. 95 M-% aus Zementstein einschließlich Zusatzstoff und zu 5 M-% aus Fasern besteht.

3 Merkmale von Faserzementabfällen

Faserzementabfälle fallen bei der Herstellung, bei der Konfektionierung, bei der Weiterverarbeitung auf der Baustelle und bei der Sanierung bzw. dem Rückbau von Gebäuden an. Die Abfälle aus der Herstellung und dem Zuschnitt liegen sortenrein vor. Bei der Sanierung und insbesondere beim Rückbau kommt es in der Regel zur Vermischung mit anderen Baustoffen oder Fremdbestandteilen.

Faserzementabfälle müssen nach dem Europäischen Abfall­artenverzeichnis nicht gesondert gekennzeichnet werden. Vielmehr ist für sie der Abfallschlüssel 17 01 01, mit welchem auch Betonabfälle gekennzeichnet werden, gültig [3, 4]. Diese Einordnung setzt voraus, dass eindeutig nachgewiesen wird, dass kein Asbestzement vorliegt. Für den Nachweis stehen verschiedene Analyseverfahren zur Verfügung [4]. Auf Analysen kann verzichtet werden, wenn das Herstellungsdatum der Faserzementprodukte bekannt ist, weil sich daraus ableiten lässt, ob ein asbesthaltiges oder ein asbestfreies Produkt vorliegt [5].

Eine Abschätzung der Mengen an Faserzementabfällen aus der Sanierung und dem Rückbau ist kaum möglich. Gegenwärtig können nennenswerte Mengen nur im Bauschutt von vergleichsweise jungen Gebäuden auftreten, welche nach dem Zeitpunkt der Einführung der asbestfreien Produkte vor ca. 30 Jahren errichtet wurden. Diese Situation wird sich im Laufe der Zeit verändern. Zukünftig kann eine jährliche Menge von 300 000 t – 400 000 t erwartet werden. Diese Schätzung orientiert sich an den Abfallmengen an Gips [6, 7] und an Asbestzement [4], die in den aktuellen Abfallstatistiken ausgewiesen werden.

Für Faserzementabfälle ohne Fremdbestandteile besteht die Möglichkeit des Materialrecyclings. Nach einer Mahlung können sie als Bestandteil von Rohmehl bei der Zementherstellung oder als Füllstoff bei der Herstellung von Faserzement eingesetzt werden. Für die Verwertung von Faserzement als Bestandteil von Recyclingprodukten gibt es bisher keine Untersuchungen.

4 Zerkleinerung von Faserzementplatten und ­Eigenschaften der Zerkleinerungsprodukte

Bisher liegen keine Erfahrungen über das Zerkleinerungsverhalten von Faserzementplatten vor. Gleiches gilt für die Eigenschaften der dabei entstehenden Körnungen. In Technikumsversuchen wurde deshalb zunächst getestet, welcher der zur Verfügung stehenden Brecher – Prallbrecher, Hammerbrecher, Backenbrecher, Walzenbrecher – sich für die Zerkleinerung auf Korngrößen unter 8 mm eignet. Als Ausgangsmaterial wurden ungebrauchte Dachplatten der Abmessungen (200 x 200 x 4) mm³ aus Faserzement verwendet (Bild 3).

Im Ergebnis der Vorversuche stellte sich der Prallbrecher als am besten geeignetes Aggregat heraus. Der damit zerkleinerte Faserzement hatte eine obere Korngröße von 16 mm. Der Anteil der Fraktion < 2 mm war mit ca. 1 % sehr gering (Bild 4). Im Hammerbrecher wurden zu feine Körnungen erzeugt. Bei der Zerkleinerung im Backenbrecher trat infolge der geringen Wandstärke des Aufgabematerials der Effekt auf, dass neben dem eigentlichen Brechprodukt auch wenig zerkleinerte Dachplatten im Output zu finden waren. Es ist allerdings zu erwarten, dass dieser Effekt reduziert wird, wenn Faserzementplatten zusammen mit Betonbruch zerkleinert werden und der Material­füllungsgrad im Brechraum hoch genug ist. Der verwendete Walzenbrecher ohne Profilierung der Walzen und mit einer minimalen Spaltweite zwischen den Walzen von 4 mm war nicht für die Zerkleinerung der Faserzementplatten geeignet.

Der für die weiteren Zerkleinerungsversuche ausgewählte Prall­brecher verfügt über einen mit vier Prallleisten bestückten Rotor mit einem Durchmesser von 340 mm und einer Breite von 400 mm (Bild 5). Die Faserzementplatten (Bild 4) wurden dem Prallbrecher kontinuierlich aufgegeben. Während des Brechvorgangs war eine gewisse Staubentwicklung zu beobachten, deren Ausmaß sich aber nicht von der Staubentwicklung unterschied, wie sie auch beim Brechen von anderen mineralischen Materialien in diesem Brecher festzustellen ist. Das Brechprodukt (Bild 6) wurde mittels Siebmaschine in die für die anschließenden Untersuchungen benötigten Kornfraktionen zerlegt. Das Überkorn > 8 mm wurde dem Prallbrecher erneut aufgegeben und zerkleinert.

Die zerkleinerten Dachplatten wurden in fünf unterschiedliche Körnungen klassiert. An diesen Körnungen erfolgten die in Bild 7 dargestellten Materialuntersuchungen. Die Kornformanalysen sollten Auskunft darüber geben, in wie weit die Plattigkeit des Ausgangsmaterials auch in den Brechprodukten erhalten bleibt. Als Kennwerte für die Kornform wurden für jede Körnung die L/B-Verhältnisse und die Sphärizitäten über den gesamten Korngrößenbereich gemessen und daraus unter Berücksichtigung der Anteile der Kornfraktionen gewichtete Mittelwerte berechnet. Anhand der Differenzial-Thermo-Analysen (DTA-Analysen) sollten Aussagen über An- bzw. Abreicherungen der Fasern in bestimmten Fraktionen getroffen werden. Die Dichten der Materialien und die Wasseraufnahme wurden gemessen, um Unterschiede in Abhängigkeit von der Korngröße zu erkennen und eine erste Einschätzung der bautechnischen Eigenschaften vornehmen zu können. Es schlossen sich Messungen des Widerstands der Faserzementkörnungen gegen Frost-Tau-Wechsel bzw. gegen Zertrümmerung an, um daraus auf die Eignung des Materials als Bestandteil von RC-Tragschichtmaterial schließen zu können.

Die an den Faserzementfraktionen ermittelten Messwerte wurden den entsprechenden Parametern von Recycling-Baustoffen aus der Praxis, die mit der gleichen Methode gemessen wurden, gegenübergestellt. Dafür wurde ein von einem Recyclingunternehmen zur Verfügung gestelltes, güteüberwachtes RC-Tragschichtmaterial der Körnung 0/32 mm – bezeichnet als RC 1 - parallel zu den Messungen an den Faserzementen untersucht. Zusätzlich wurden Ergebnisse, die in einem anderen Projekt an Recycling-Baustoffen aus der Praxis generiert wurden [8], unter der Bezeichnung RC 2 in die Auswertung einbezogen.

Aus den Ergebnissen der Kornformanalyse (Bild 8) können folgende Aussagen abgeleitet werden: 

– Die gemessenen L/B-Verhältnisse als Maß für die Plattigkeit der Faserzementpartikel erreichen Werte zwischen 1,79 und 1,95. Die zum Vergleich angegebenen L/B-Werte der beiden in Recyclinganlagen hergestellten RC-Baustoffe aus Abbruchbeton liegen bei 1,48 bzw. 1,55. Ursache für die Unterschiede ist die „Kornform“ der Faserzementplatten als Ausgangsmaterial.

– Die Sphärizitäten, welche ein Maß für die Abweichung von der Kugelform (Sphärizität = 1) darstellen, bewegen sich für die Körnungen aus Faserzement zwischen 1,50 und 2,20. Die Sphärizitäten der Recycling-Baustoffe betragen 1,13 bzw. 1,16. Die großen Unterschiede der Sphärizitäten lassen sich nicht allein mit der Abweichung von der Kugelform begründen. Zusätzlich können sie durch Oberflächenrauhigkeiten verursacht werden, die wiederum durch Fasern, die aus den Bruchflächen „herausragen“, bewirkt werden.

Bei einem Vergleich der Faserzementproben untereinander zeigt jeweils die Fraktion 0/2 die günstigsten Werte. Mit zunehmender Korngröße ergibt sich ein Anstieg der Kornformparameter. Bis zu der hier festgelegten Maximalkorngröße von 8 mm ist der Einfluss der geringen Wandstärken des Ausgangsmaterials auf die Kornform der Brechprodukte noch nicht so ausgeprägt. Erst wenn die Maximalkorngröße des zerkleinerten Materials deutlich größer als die Plattenstärke ist, ist ein weiterer Anstieg zu erwarten.

Die Ergebnisse der Differenzial-Thermo-Analysen sind exemplarisch für die feinste und die gröbste Faserzementkörnung in Bild 9 dargestellt. Danach kommt es beim Aufheizen von Faserzement zu vier wesentlichen Umwandlungen. Zunächst wird das freie, später ein Teil des gebundenen Wassers des Zementsteins ausgetrieben. Danach werden die Zellulosefasern und anschließend die Armierungsfasern zersetzt. Bei 420 °C findet die thermische Zersetzung von Portlandit Ca(OH)₂ statt. Oberhalb von 600 °C beginnt die Zersetzung von Calcit. Die Masseverluste der Zersetzungsreaktionen unterscheiden sich zwischen den betrachteten Fraktionen nur wenig. Eine ausgeprägte Anreicherung der Fasern in einer der Fraktionen kann nicht festgestellt werden. Um diese Aussage auch für die anderen Proben zu überprüfen, wurden die Masseverluste in den relevanten Temperaturbereichen mit einander verglichen. ­Tabelle 1 zeigt, dass sich die Masseverluste der Faserzementfraktionen kaum untereinander unterscheiden. Auch der Gesamtmasseverlust ist annähernd gleich. Eine ausgeprägte Anreicherung von Fasern findet also nicht statt.

Von ausgewählten Faserzementproben wurden die Rein- und Rohdichten sowie die Wasseraufnahmen gemessen (Tabelle 2). Die Vergleichswerte gehen wiederum auf die RC-Materialien aus der Praxis zurück.

Die Reindichte des Faserzements liegt wenig bis deutlich unter der der RC-Materialien. Gleichzeitig liegt sie deutlich über den für hydratisierten Zementstein typischen Werten, die nach eigenen Messungen im Bereich von 1,64 g/cm³ bis 1,89 g/cm³ liegen [9]. Eine der Ursachen könnte die mittels DTA nachgewiesene relativ starke Karbonatisierung sein. Die Rohdichten liegen deutlich unter denen der RC-Materialien, was auf die hohe Porosität des Faserzementes zurückzuführen ist. Die aus Roh- und Reindichte berechneten Gesamtporositäten stimmen näherungsweise mit Angaben zur Volumenzusammensetzung von Faserzement (Bild 2) überein. Die Wasseraufnahme der Faserzemente nach 2 h beträgt das 10-fache der Wasseraufnahme des RC-Tragschichtmaterials. Die Wasseraufnahme der Fraktion 2/4 ist höher als die Wasseraufnahme der Fraktion 4/8. Faserzement weist eine vergleichsweise hohe Porosität auf und enthält größere Volumenanteile an Zellulosefasern. Beide Faktoren können unter Umständen den Widerstand gegen Frostbeanspruchungen und die mechanische Widerstandsfähigkeit beeinflussen. Durch experimentelle Untersuchungen sollte diesen Einflüssen nachgegangen werden. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 zusammengefasst:

– Die Widerstandswerte von gebrochenem Faserzement gegen Frost-Tau-Wechsel sind mindestens so gut wie die des RC-Tragschichtmaterials. Die hohe Porosität der Körnungen aus Faserzement wirkt – wie im Ausgangsmaterial selbst – als Puffer für die Volumenzunahme des Wassers beim Gefrieren.

– Die Widerstandswerte von gebrochenem Faserzement gegen Zertrümmerung – gemessen mit dem Los-Angeles-Verfahren – waren höher als die des RC-Tragschichtmaterials. Allerdings wurde die Beanspruchungsintensität bei den LA-Tests der Faserzemente gegenüber den Tests an dem RC‑Tragschichtmaterial reduziert, was nach der gültigen Prüfvorschrift jedoch zulässig ist.

5 Faserzementabfälle als Bestandteil von ­Tragschichtmaterial ohne Bindemittel

Die Eigenschaften von Faserzement und die Tatsache, dass Faserzementabfälle im Europäischen Abfallartenverzeichnis unter der Schlüsselnummer von Beton erfasst werden, legen die Idee nahe, Faserzement als Bestandteil von Tragschichtmaterial aus RC-Baustoffen zu verwerten. In experimentellen Untersuchungen wurde überprüft, wie sich die Zugabe unterschiedlicher Mengen und Körnungen auf die Eigenschaften des RC-Baustoffs auswirkt. Dazu wurden Mischungen aus Faserzement und RC-Material hergestellt, wobei der Gehalt an Faserzement zwischen 0 und 10 Ma-% (Faserzementfraktion 0/8) und die Korngröße zwischen Fraktion 0/2 und Fraktion 2/8 (Faserzementgehalt 5 %) variiert wurden.

An den Gemischen mit variierten Faserzementgehalten wurden der Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel und der Widerstand gegen Zertrümmerung gemessen, wobei bei der Prüfung der Gemische die Kugelfüllung der LA-Trommel den Vorgaben der DIN 1097-2 entsprach. Ferner wurden die Proctordichten und das California Bearing Ratio (CBR-Wert) aller Mischungen bestimmt und mit den Werten des RC-­Tragschichtmaterials verglichen, um das Materialverhalten unter Einbaubedingungen einschätzen zu können. Die CBR-Werte gehen aus einem Belastungsversuch hervor und machen Aussagen zur relativen Tragfähigkeit.

Die an den Mischungen mit variiertem Gehalt an Faserzement gemessenen Widerstandswerte zeigen (Bild 10), dass bis zu Gehalten von 5 % (Frost-Tau-Wechsel) bzw. 10 % (Zertrümmerung) keine Veränderungen gegenüber dem reinen RC-Tragschichtmaterial auftreten. Unter diesem Aspekt wäre ein Gehalt von bis zu 10 % Faserzement im Tragschichtmaterial völlig unproblematisch. Die Proctordichten der Mischungen liegen unabhängig vom Gehalt des zugegebenen Faserzements geringfügig über dem Wert des Referenzmaterials (Bild 11). Es wird also eine höhere Packungsdichte erreicht. Der Wasseranspruch des Baustoffgemisches steigt an, was auf die höhere Wasseraufnahme des Faserzements gegenüber dem RC-Material und die Erhöhung der spezifischen Oberfläche durch die Zugabe des Faserzements zurückzuführen ist.

Die Resultate der CBR-Versuche zeigen (Bild 12), dass sich der CBR-Wert durch das Zumischen von Faserzement erhöht. Die Tragfähigkeit des Baustoffgemisches wird also gesteigert. Die Zunahme erfolgt stetig bis zu der hier untersuchten maximalen Beimischung von 10 M.-% Faserzement.

Der Anstieg des CBR-Wertes wird durch die Untersuchungen zum Einfluss der Korngröße des Faserzementes bestätigt. Die höchsten CBR-Werte werden erzielt, wenn der Faserzement in der Faktion 0/4 vorliegt. Durch das Beimischen von Faserzement werden die Einbaueigenschaften des RC-Materials also verbessert.

6 Zusammenfassung

Es wurden Untersuchungen an Körnungen aus gebrochenem Faserzement und an Gemischen aus Faserzement und RC-Tragschichtmaterial vorgenommen. Der reine Faserzement zeigte trotz seiner vergleichsweise hohen Porosität und Wasseraufnahme einen hohen Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel und einen ausreichenden Widerstand gegen Zertrümmerung. Diese Eigenschaften werden durch die Untersuchungen der Gemische bestätigt. Positive Auswirkungen auf die Proctordichte und den CBR-Wert wurden beobachtet, die einer vertieften Ursachenforschung und einer weiteren Bestätigung bedürfen. Für die Verwertung von Faserzementabfällen kann aus den Untersuchungen gefolgert werden, dass gebrochener Faserzement als Bestandteil von RC-Tragschichtmaterial verwertet werden kann. Bei dem hier untersuchten maximalen Gehalt von 10 Masse-% kommt es zur Erhöhung der Proctordichte und zur Verbesserung der Tragfähigkeit. Negative Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften wie den Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel und den Widerstand gegen Zertrümmerung treten nicht auf. Ggf. kann aus den beobachteten Eigenschaftsverbesserungen ein Einsatzgebiet für selektiv zurückgebauten Faserzement entwickelt werden, zum Beispiel als Zusatz zur Bodenstabilisierung oder zur Verbesserung der Tragfähigkeit von RC-Material.