Thermally Activated Concrete Fines as Supplementary Cementitious Materials

Die Kreislaufführung von feinem Betonabbruch (sog. Betonbrechsanden) stellt eine große Herausforderung dar. Die Anreicherung von erhärtetem Zementstein (HCP) mit abnehmender Partikelgröße behindert die Anwendung als rezyklierte Gesteinskörnung erheblich: HCP ist porös und weist eine geringere Festigkeit im Vergleich zu natürlichen Gesteinskörnungen auf. Dies beeinträchtigt die Verarbeitbarkeit des Frischbetons und führt zu unzureichenden Festbetoneigenschaften. Bisherige Aufbereitungsverfahren liefern bislang keine eindeutige Lösung für dieses Problem. In der Forschung und Praxis werden verschiedene Ansätze entwickelt, um natürliche Gesteinskörnungen von HCP zu trennen. ... mehrDies führt zwar zu rezyklierten Gesteinskörnungen mit verbesserter Qualität. Der zweite Abfallstrom aus angereichertem HCP lässt sich jedoch bislang nicht sinnvoll verwerten.

Für diesen Zweck stellt die Verwendung von Betonbrechsanden als Zementersatz eine vielversprechende Alternative dar. Feiner Betonabbruch kann einen Teil des Rohmehls in der Portlandzementklinkerherstellung ersetzen. Dies ist jedoch durch dessen chemische Zusammensetzung begrenzt. Der Einsatz von (inerten) gemahlenen Betonbrechsanden als Zementhauptbestandteil wird durch den Verdünnungseffekt eingeschränkt. Eine thermische Aktivierung hat sich als vielversprechender Kompromiss erwiesen, wonach dehydratierter HCP hydraulische Reaktivität aufweist. Die in den Betonbrechsanden enthaltene natürliche Gesteinskörnung wirkt als inerter Füller.

Obwohl eine Literaturrecherche eine hohe Forschungsaktivität auf diesem Gebiet zeigt, deckt diese Arbeit bedeutende Forschungslücken ab. Während veröffentlichte Ergebnisse sich hauptsächlich auf Aktivierungsverfahren von (in der Praxis nicht vorhandenem) hydratisiertem Zementstein oder jeweils eine einzelne Art industrieller Betonbrechsande konzentrieren, werden in einem umfassenden Forschungsprogramm das Verhalten von 12 im Labor hergestellten, künstlichen Betonbrechsanden mit gezielt variierter Zusammensetzung der Bindemittel und der Gesteinskörnung sowie des Gehalts letzterer untersucht. Ergänzt wird dies durch 25 verschiedene industriell hergestellte Betonbrechsande.

Der erste Teil des experimentellen Programms bewertet das Verhalten dieser Betonbrechsande nach einer thermischen Behandlung bei Temperaturen zwischen 100 °C und 800 °C im Hinblick auf ihr Hydrationsverhalten und ihren Druckfestigkeitsbeitrag. Unabhängig von ihrer Zusammensetzung zeigen thermisch aktivierte Betonbrechsande eine schnelle Rehydration, was sich durch eine beschleunigte Hydrationswärmeentwicklung bemerkbar macht. Die Wärmeabgabe hängt jedoch vom Gesteinskörnungsgehalt ab. Umfangreiche Mörteldruckfestigkeitsprüfungen zeigen eine gute Korrelation zwischen dem Massenverlust während der thermischen Aktivierung und dem Druckfestigkeitsbeitrag – unabhängig von der Zusammensetzung und Herkunft der Betonbrechsande. Die chemische und mineralogische Zusammensetzung der im Labor hergestellten Betonbrechsande beeinflusst die Druckfestigkeit stark. Industrielle Betonbrechsande weisen hier eine weniger stark ausgeprägte Beeinflussung auf. Aus diesen Ergebnissen wird ein Modell auf Basis des k-Wert-Ansatzes nach EN 206:2013 abgeleitet.

Im zweiten Teil der experimentellen Arbeit wird eine Auswahl sowohl künstlicher als auch industrieller Betonbrechsande zur Betonherstellung verwendet. Im Gegensatz zur Literatur wird der Einfluss der Zementsubstitution auf die Druckfestigkeit durch Anwendung des oben genannten Modells kompensiert. Die anschließende Analyse der mechanischen Eigenschaften zeigt eine gute Übereinstimmung mit etablierten Betonzusatzstoffen und bestehenden Bemessungskonzepten. Die Substitution von Zement durch thermisch aktivierte Betonbrechsande beeinträchtigt jedoch den Widerstand gegen Carbonatisierung und Chlorideindringung aufgrund eines verminderten Bindungsvermögens. Darüber hinaus zeigt die Elution umweltgefährdender Stoffe die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Bindung von Schwermetallen auf.

Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern die bisherigen Erkenntnisse maßgeblich, indem sie eine neue Methode zur Vorhersage der Druckfestigkeit auf Basis der Eigenschaften von Betonbrechsanden bieten und individuelle Übereinstimmungen sowie Abweichungen mit bestehenden Bemessungsvorgaben aufzeigen.
Die Wiederverwertung von Betonbrechsanden als Zementersatz ermöglicht zudem die Umsetzung neuer Verfahren zur Trennung von natürlicher Gesteinskörnung und Zementstein (HCP) als zwei separate Materialströme, um so einem vollständig kreislauffähigen Betonbau näherzukommen.

Recycling fine concrete waste (or recycled concrete fines) is a significant obstacle to circular construction. The concentration of hardened cement paste (HCP) with decreasing particle size effectively hinders its use as recycled aggregates, as HCP is porous and has lower strength than natural aggregate. This impairs the workability of fresh concrete and results in insufficient performance of hardened concrete. So far, advanced processing methods have failed to provide a definitive solution to this issue. Different approaches have been successful in separating natural aggregates from HCP. ... mehrHowever, while this produces recycled aggregates of improved quality, the second waste stream, consisting of enriched HCP, lacks applicability.

In this context, recycling as a binder with the goal to substitute cement offers a valuable alternative. Here, different methods exist. Fine concrete waste can replace a portion of the Portland cement clinker raw meal, which is subject to constraints imposed by the chemical composition. Alternatively, the dilution effect limits the use of (inert) ground concrete fines as a supplementary cementitious material. In contrast, thermal activation has proven to be a promising compromise, in which dehydrated HCP exhibits hydraulic reactivity, and the aggregate fraction in concrete waste serves as an inert filler.

Although a literature review indicates high research activity in this field, this thesis addresses significant gaps. While published results primarily focus on activation procedures for (practically non-existent) hydrated cement paste or on a single type of industrial concrete waste, the comprehensive research program of this work assesses the behavior of 12 laboratory-made artificial concrete fines with deliberately altered aggregate content, binder composition, or aggregate mineralogy, as well as 25 different industrial concrete fines.

The first part of the experimental program assesses the behavior of these fines after processing at temperatures between 100 °C and 800 °C, focusing on their hydration behavior and their contribution to compressive strength. Regardless of their composition, thermally activated concrete fines exhibit rapid rehydration, as evidenced by accelerated heat evolution during hydration. The total heat release, however, depends on the aggregate content. Extensive mortar compressive strength tests indicate a correlation between mass loss during thermal activation and the contribution to compressive strength, regardless of fines composition and origin. The chemical and mineralogical composition of the artificial fines also has a major impact on compressive strength, which is not mirrored by industrial fines. From these results, a model based on the k-value approach specified in EN 206:2013 is derived.

In the second part of the experimental work, a subset of both artificial and industrial fines is used for concrete production. In contrast to the literature, the effect of cement substitution on compressive strength is compensated for by applying the aforementioned model. The subsequent analysis of mechanical properties shows a good agreement with reference supplementary cementitious materials and existing concrete design proposals. However, the substitution of cement with thermally activated concrete fines adversely affects the resistance to carbonation and chloride ingress due to a reduced binding capacity. Furthermore, the elution of harmful substances shows the need for additional research regarding the binding capacity for heavy metals.

Overall, the results in this thesis extend previous findings by providing a new method for predicting compressive strength based on concrete fines properties, highlighting individual consistencies and discrepancies with existing design provisions.
Facilitating the recycling of concrete fines as a substitute for cement also enables the implementation of new procedures to separate HCP and natural aggregates as distinct materials, thereby advancing fully circular concrete construction.