2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 195 cke über den Stadtgraben zur Thainburg in Naumburg/ Saale oder auch die Brücke „Kleine Schönbuschallee“ in Aschaffenburg konnten in den letzten Jahren erfolgreich erhalten und verstärkt werden. Auch bei der statischen Ertüchtigung von Straßen- und Autobahnbrücken konnte das CARBOrefit ® -Verfahren sein Potential unter Beweis stellen. Unter der Anwendung vergleichsweiser geringer Schichtdicken von 20-35-mm konnte die Restnutzungsdauer von drei Teilbauwerken der Autobahnbrücke über die Nidda [4]-[6], [11] verlängert sowie die Brückenklasse einer Straßenbrücke in Kleinsaubernitz erhöht werden Abb. 13: Verstärkung der Staatsstraße S 109 in Kleinsaubernitz (© Oliver Steinbock) Weitere Informationen zu bereits umgesetzten Praxisprojekten und die Planungsmappe finden sich auf der Webseite www.carborefit.de [8]. 7. Fazit Das CARBOrefit ® -Verfahren zum Verstärken mit Carbonbeton hat sich als fortschrittliche Technologie in der konventionellen Baubranche etabliert. Seine Effektivität wurde in zahlreichen Praxisprojekten bestätigt. Die neue Planungsmappe mit zahlreichen Anwendungshilfen und softwarebasierte Bemessungstools ermöglichen es einer Vielzahl an Planenden das Verfahren in der Bauwerkserhaltung anzuwenden. Dies führt zu einer effizienten, wirtschaftlichen und nachhaltigen Sanierung und Erhaltung von Bauwerken. Die breiten Anwendungsmöglichkeiten fördern den Wandel im Bauwesen und unterstützt das Ziel der Klimaneutralität. Literatur [1] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung/ Allgemeine Bauartgenehmigung Z-31.10-182 CARBOrefit ® - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton, DIBt, Stand: 31.08.2023. [2] Schumann, A.; Schöffel, J.; May, S.; Schladitz, F.: Ressourceneinsparung mit Carbonbeton am Beispiel der Verstärkung der Hyparschale in Magdeburg In: Hauke, B. (Hrsg.): Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Klimaschutz. Konstruktive Lösungen für das Planen und Bauen - Aktueller Stand der Technik. Institut Bauen und Umwelt e.V./ DGNB e.V., 2021, S. 282-286. [3] Hentschel, M.; Schumann, A.; Ulrich, H.; Jentzsch, S.: Sanierung der Hyparschale Magdeburg. In: Bautechnik 96 (2019), Heft 1, S. 25-30. DOI: 10.1002/ bate.201800087. [4] Steinbock, O., Pelke, E., Ost, O.: Carbonbeton - Eine neue Verstärkungsmethode für Massivbrücken - Teil 1: Grundlagen und Hintergründe zum Pilotprojekt „Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648“. In: Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft 2, S.-101-108. DOI: 10.1002/ best.202000094. [5] Steinbock, O.; Bösche, T.; Schumann, A.: Carbonbeton - Eine neue Verstärkungs-methode für Massivbrücken - Teil 2: Carbonbeton im Brükkenbau und Informationen zur Zustimmung im Einzelfall für das Pilotprojekt Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft- 2, S.- 109-117. https: / / doi.org/ 10.1002/ best.202000106 [6] Steinbock, O., Teworte, F., Neis, B.: Carbonbeton - Eine neue Verstärkungsmethode für Massivbrükken - Teil 3: Planung und Umsetzung der Verstärkungsmaßnahme mit Carbonbeton am Pilotprojekt „Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648“. In: Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft 2, S.-118-126. DOI: 10.1002/ best.202000107. [7] Schumann, A.; May, S.; Geißler, J.; Thorwarth, F.: Erhalt einer der ersten „Eisenbeton“-Brücken Deutschlands - dank Carbonbeton! 5. 5. Brükkenkolloquium, Technische Akademie Esslingen, 2022. [8] CARBOrefit ® -Planungsmappe, Fassung Mai 2024, Hrsg. CARBOCON GMBH, Dresden, veröffentlicht über: www.carborefit.de. [9] Curbach, M.; Müller, E.; Schumann, A.; May, S.; Wagner, J.; Schütze, E.: Verstärken mit Carbonbeton. In: Bergmeister, K.; Fingerloss, F.; Wörner, J.- D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2022 - Nachhaltigkeit, Digitalisierung, Instandhaltung. Berlin: Ernst und Sohn, Veröffentlichung: Dezember 2021. [10] Müller, E.; Schmidt, A.; Schumann, A.; May, S.; Curbach, M.: Biegeverstärkung mit Carbonbeton - Neue Carbonbewehrung im Anwendungstest. Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020) 10, S. 758-767 - DOI: 10.1002/ best.202000012. [11] Riegelmann, P.; May, S.; Schumann, A.: Das Potential von Carbonbeton für den Brückenbestand - das ist heute schon möglich. In: Curbach, M. (Hrsg.): Tagungsband zum 30. Dresdner Brückenbausymposium am 8. und 9.3.2021 in Dresden. Institut für Massivbau der TU Dresden, 2017, S. 79-90. [12] Technische Regel Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung), Teil 1 und Teil 2, DIBt, Stand Mai 2020. [13] Curbach, M., Schladitz, F., Weselek, J., Zobel, R.: Eine Vision wird Realität: Der Betonbau der Zukunft ist nachhaltig, leicht, flexibel und formbar dank Carbon. In: Prüfingenieur 51, 2017, S. 20-35. [14] C3 Fact-Sheet Ökobilanz von Carbonbeton, Stand Juli 2023, Hrsg.: C 3 Verband, Dresden. Berechnung und Bemessung von Verstärkungen mit Carbonbeton anhand praxisnaher Beispiele und gültiger Bauartgenehmigung 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 197 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung Dr.-Ing. Jan Kortmann Technische Universität Dresden, Institut für Baubetriebswesen Dipl.-Ing. Enrico Baumgärtel Technische Universität Dresden, Institut für Massivbau Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Technische Universität Dresden, Institut für Massivbau Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Katharina Kleinschrot Technische Universität Dresden, Institut für Bauverfahrenstechnik und zirkuläre Wertschöpfung Zusammenfassung Die Verwendung von Carbonbeton in der Baupraxis ist mit Fertigstellung des CUBE - Gebäudes im September 2022 in Dresden eindrucksvoll nachgewiesen [1]. Auf bauend auf einer über 25-jährigen Forschungsgeschichte im Bereich Textilbzw. Carbonbeton an der Technischen Universität in Dresden und einer immer größeren Anwendung von Carbonbeton im zivilen Baubereichen [2] wird in naher Zukunft die Fragestellung der Rezyklierbarkeit des Baustoffs Carbonbeton auftreten. Dieser Artikel stellt erste verfahrenstechnische Betrachtungen im Hinblick aufs Recycling von Carbonbeton [3] und den aktuellen Stand der Forschung dar. Weiterhin wird ein Ausblick auf weitere potenzielle Recyclingmethoden von Carbonbeton gegeben. 1. Einführung 1.1 Geschichtliche Entwicklung Carbonbeton Seit Mitte der 90er Jahre wird Carbonbeton an verschiedenen Einrichtungen, wie beispielsweise der TU Dresden und RWTH Aachen, auf ihre baupraktische Anwendung untersucht. Basierend auf den anfänglichen Erkenntnissen wurden zwei Sonderforschungsbereiche (SFB) von 1999-2011 akquiriert. Im SFB 528 „Textile Bewehrungen zur bautechnischen Verstärkung und Instandsetzung“ in Dresden und SFB 532 „Textilbewehrter Beton - Grundlagen für die Entwicklung einer neuartigen Technologie“ in Aachen konnten maßgebliche Grundlagen zum Verbundbaustoff Textilbeton gewonnen werden [4],[5]. Seit 2005 fokussierte sich die Forschung zunehmend auf dem Einsatz von Carbonbewehrungen im Gegensatz zu Glasfaserbewehrungen [2]. Ab Mitte der 2000er Jahre konnten weiterhin zunehmend baupraktische Anwendungen, wie beispielsweise eine textilbewehrte Brücke in Oschatz [6] und die Sanierung der Hyparschale in Schweinfurt [7]. Von 2014 bis 2022 arbeiteten im Großforschungsprojekt Carbon Concrete Composite C³ bis 160 Partner an der Weiterentwicklung und Markteinführung von Carbonbeton [8]. Im Januar 2024 veröffentlichte der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) die Richtlinie für Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung [8]. 1.2 Baustoff Carbonbeton Bei der Materialkombination Carbonbeton handelt es sich um einen Beton, welcher mit einer nichtmetallischen stab- oder mattenartigen Bewehrung verbaut wird [9]. Somit werden im Carbonbeton keine ungerichteten, losen Kurzfasern im Vergleich zu Kurzfaserbeton verwendet, sondern aus Halbwerkzeugen, die aus verbundenen Endlosfasern bestehen. Die Bewehrungen bzw. Halbwerkzeuge übernehmen wie bei der herkömmlichen Stahlbetonbauweise die auftretenden Zugkräfte. Abb. 1: Mattenbewehrung aus Carbon [Foto: Stefan Gröschel] Wesentlicher Vorteil der Carbonbewehrung im Vergleich zur Stahlbewehrung ist der hohe Korrosionswiderstand. Da die Betondeckung - im Gegensatz zur Stahlbewehrung - auf ein Minimum reduziert werden kann, ist ein filigraneres und nachhaltigeres Bauen mit Carbonbeton möglich. In Kombination mit der erhöhten Lebensdauer 198 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung und der Robustheit reduzieren sich die Instandhaltungskosten über den Lebenszyklus eines Bauwerks bzw. verlängert sich die Nutzungsdauer des entsprechenden Bauwerks [2]. Ein weiterer Vorteil von Carbonbewehrungen ist die bis zu 6-fach höhere Zugfestigkeit im Vergleich zu Bewehrungen aus Stahl. Demzufolge kann der Bewehrungsquerschnitt der Carbonbewehrung im Verhältnis zur Stahlbewehrung geringer ausfallen - bei gleicher aufnehmbarer Zugkraft [2]. Ein Vergleich der Materialeigenschaften ist in der folgenden Tabelle 1 dargelegt. Tab. 1: Materialeigenschaften von Carbon- und Stahlbewehrung Stahl Carbon Zugfestigkeit in N/ mm² 550 3000* E-Modul in N/ mm² 210.000 230.000* Dichte in g/ cm³ 7,85 1,8* *[10] Die in Tab. 1 angegebenen Kennwerte für Carbonbewehrungen sind nur ein Ausschnitt aus der Bandbreite der mechanischen Eigenschaften. Die Eigenschaften sind u. a. von den Ausgangsmaterialien und den entsprechenden Verarbeitungbzw. Herstellungsprozessen abhängig [2]. Aufgrund der hohen Zugfestigkeiten, des Korrosionswiderstands und der geringen Dichte im Vergleich zum Baustahl, kann Carbonbeton neben dem Neubau auch zur Verstärkung von Gebäuden eingesetzt werden. Einige ausgewählte Beispiele werden im folgenden Kapitel genannt. Grenzen im Einsatz von Carbonbeton kann der Verbund zwischen Bewehrung und Beton darstellen. Da die Bewehrungsquerschnitte der Carbonbewehrungen angesichts der höheren Zugfestigkeit geringer ausfallen können, ist die Oberfläche, welche zur Übertragung der Zugkräfte dient, ebenfalls geringer. Eine Lösung für die Aufnahme der Verbundspannungen ist die Abstimmung von Bewehrung und Beton [2]. Ein weiterer Punkt ist die Temperaturbeständigkeit der umhüllenden Tränkung auf der Bewehrung. Die in der Bewehrung verarbeiteten Carbonfasern sind gegenüber hohen Temperaturen resistent [11]. Für die Sicherstellung des inneren und äußeren Verbunds sind die Fasermaterialien mit einer Tränkung (bspw. Epoxidharz) imprägniert. Nach der Richtlinie für nichtmetallische Bewehrungen [12] müssen die Tränkungen eine Glasübergangstemperatur von mindestens 80 °C besitzen. Beim Auftreten von höheren Temperaturen (zum Beispiel im Brandfall) kommt es zur Destruktion der Tränkung und darauffolgend zum Versagen des inneren und äußeren Verbunds der Bewehrung. Somit muss ein ausreichender Schutz der Bewehrung sichergestellt werden. Dies kann konstruktiv, materialtechnisch oder bereits im Entwurf erfolgen. 1.3 Anwendungsbeispiele Hyparschale Magdeburg Die 1969 in Magdeburg errichtete Hyparschale besteht aus vier zusammengesetzten hyperbolischen Paraboliden aus Stahlbeton. Insgesamt überspannen diese Paraboloiden stützenfrei eine Grundfläche von 48-m x 48-m mit einer Querschnittsdicke von nur 7-cm. Da eine konventionelle Instandsetzung aufgrund des Eigengewichts nicht in Frage gekommen ist, wurde eine 1-cm starke Verstärkungsschicht aus Carbonbeton an der Unter- und Oberseite aufgebracht [13]. Abb. 2: Verstärkungsarbeiten mit Carbonbeton an der Hyparschale in Magdeburg (Foto: M. Bredt) CUBE Das von 2021 bis 2022 geplante und ausgeführte Ergebnishaus des Forschungsvorhaben „Zwanzig20 - C3 Carbon Concrete Composite“ wurde ausschließlich nichtmetallische Bewehrung verwendet. Auf einer Bruttogrundfläche von 220 m² stellt der Experimentalbau die Praxistauglichkeit des Baustoffs Carbonbeton sichtbar dar. Neben der Verwendung von Fertigteilen aus Carbonbeton demonstrieren die zwei hellere, geometrisch identischen „TWIST- Schalen“ die freie Formbarkeit und geometrisch vielfältige Anwendbarkeit von Carbonbeton [14]. Abb. 3: C³-Ergebnishaus CUBE (Foto: Stefan Gröschel) Verstärkung der historischen Bogenbrücke Thainburg Die 1893 errichtet Stahlbetonbrücke zählt zu den ältesten Stahlbetonbrücken in Deutschland. Eine Verstärkung mit konventionellen Methoden war aufgrund des Denkmalschutzes nicht durchführbar. Mit Hilfe einer 6-bzw. 9-mm starken einfach bzw. doppelt bewehrten Carbonbetonschicht konnte das schlanke Erscheinungsbild der 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 199 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung Brücke bewahrt und der Korrosionsschutz der vorhandenen Stahlbewehrung sichergestellt werden [15]. Abb. 4: Ansicht der historischen Bogenbrücke Thainburg nach der Verstärkung mit Carbonbeton. (Fotos: CARBOCON GMBH) Verstärkung der Brücke Donauwörth Die 1968 errichtete Spannbetonbrücke besteht aus zwei Überbauten, welche jeweils mit zwei Feldern die die Donau überspannen. Die statischen Defizite der Brücke bezogen sich auf die Biegetragfähigkeit und den Torsionswiderstand. Für die Verstärkung der Biegetragfähigkeit kamen bis zu sechs Lagen Carbonbewehrung an die Hohlkastenunterseite zur Anwendung. Um den Torsionswiderstand zu erhöhen, wurde eine dreilagig bewehrte, 2 cm starke Verstärkungsschicht aus Carbonbeton angebracht [16]. Abb. 5: Brücke Donauwörth (Fotos: StBA Augsburg) Die hier beispielhaft genannten Bauwerke zeigen den steigenden Einsatz von Carbonbeton in der Praxis. Somit steigt auch die Herausforderung an, Carbonbeton nachhaltig zu verwerten und die Bestandteile erneut in den Wertstoffkreislauf einzubinden. 2. Abbruch und Recycling von Stahlbeton Die größten Massen an Baustoffabfällen entstehen in der Regel im Zuge der Abbrucharbeiten an Bauwerken oder Bauwerksteilen. Mit der Begrifflichkeit Abbruch ist dann häufig der Totalabbruch am Ende der Bauwerksnutzung mit der rückstandslosen Beseitigung aller technischen oder baulichen Anlagen gemeint [17]. Abbrucharbeiten beschränken sich jedoch nicht nur auf das Entfernen von Bauwerken oder Bauwerksteilen am Ende der Gebäudenutzungsdauer oder während eines Umbaus, sondern schließen auch den Einsatz der Betonbohr- und Trenntechnik zur Herstellung von Bauwerksöffnungen in der Bauphase mit ein [18]. Damit fallen Abbruchmassen bereits in der Herstellphase von Bauwerken und Bauwerksteilen an. Des Weiteren ist es notwendig, den Begriff „Recycling“ zu definieren und als Bestandteil in einem Gesamtprozess abzugrenzen. In einer weit ausgelegten Betrachtung kann das Recycling von Baustoffen folgende Teilschritte umfassen: • Sammeln der Abfallstoffe (zum Beispiel in Abfallcontainern), • Durchführung notwendiger Vorbehandlungsmaßnahmen (zum Beispiel Zerkleinerung oder Vorsortierung), • Auf bereitung der Stoffe (zum Beispiel durch Sortierung) und • Verarbeitung dieser Sekundärrohstoffe zu einem neuen Produkt (zum Beispiel Rückführung des Recyclingmaterial in den Produktionsprozess) [58]. Der Begriff Recycling soll jedoch enger betrachtet werden und sich an der Definition nach dem deutschen Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) [19] orientieren. Das Recycling bezeichnet demnach: „… jedes Verwertungsverfahren, durch das Abfälle zu Erzeugnissen, Materialien oder Stoffen entweder für den ursprünglichen Zweck oder für andere Zwecke auf bereitet werden […] nicht aber die energetische Verwertung und die Auf bereitung zu Materialien, die für die Verwendung als Brennstoff oder zur Verfüllung bestimmt sind.“. Vielmehr sollten alle Abfälle nach dem Recycling am besten auf dem gleichen Materialqualitätslevel, das im Zuge der ersten Materialnutzung vorlag, nutzbar sein. Das gleiche Materialqualitätslevel wird im Bauwesen zielsicher durch die direkte Wiederverwendung von beschädigungsfrei demontierten Bauteilen in einem anderen Bauwerk in der gleichen Funktion erreicht. Dies ist jedoch nur sehr selten möglich. Beispielsweise werden bisher nur sehr selten ganze Wand- oder Deckenbauteile demontiert und als Elemente beim Neubau in gleicher Form wiedereingesetzt [20]. Kann ein Bauteil nicht beschädigungsfrei demontiert und danach wiederverwendet werden, so ist die stoffliche Verwertung des Baumaterials, wobei die Eigenschaften des Materials wieder genutzt werden, anzustreben. Für diese stoffliche Verwertung ist die Zerkleinerung und die Materialauf bereitung mit der sortenreinen Trennung der Stofffraktionen von großer Bedeutung. Für Abbruch-, Rückbau- und Recyclingarbeiten an Bauteilen aus Beton, Stahlbeton oder Mauerwerk liegen vielfältige und umfassende Kenntnisse zu Verfahren [17], Geräte- und Maschinentechnologien [22], Arbeitsschutzmaßnahmen [23] und Kennwerten zu Maschinen- und 200 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung Arbeitsleistungen [24] vor. Insbesondere die Verfahren zum Abbruch und Recycling von Stahlbetonbauteilen sind hinlänglich bekannt und baupraktisch etabliert. Die Separation der Stahlbewehrung aus gebrochenen Stahlbetonbauteilen wird mit Magnetabscheidern effizient umgesetzt. und die stoffliche Verwertung des Stahlschrotts erfolgt im Elektrolichtbogenofen nahezu zu 100 % [25]. 3. Besonderheiten beim Abbruch und Recycling von Carbonbeton Die Substitution von Betonstahl durch textile Carbonfasern stellt eine Zäsur im Bauwesen dar, was unmittelbaren Einfluss auf die Abbruch- und Recyclingarbeiten mit bewehrten Betonbauteilen hat. Die im Bauwesen eingesetzte Menge an Carbonfasern verzeichnen seit dem Jahr 2014 eine jährliche Wachstumsrate von circa 16 % [26]. Dieser Trend und die bereits erfolgreich realisierten Carbonbetonbauwerke deuten darauf hin, dass zukünftig signifikante Carbonfaser-Rohstoffmengen in unseren Bauwerken gebunden sind, die am Ende des Lebenszyklus der Bauteile und Bauwerke recycelt werden müssen. Für das Recycling von Baustoffen existieren rechtlich geforderte Recyclingquoten. So müssen nicht gefährliche Bau- und Abbruchabfälle zu 70 % Massenanteil recycelt werden [20]. Kunststoffe müssen zu 85 % Massenanteil entfernt werden [26]. Für die Einhaltung dieser Anforderungen muss beim Recycling von Carbonbeton das Carbonfasermaterial im Recyclingprozesses durch geeignete Auf bereitungsverfahren vom Beton gelöst und in einem nachfolgenden Auf bereitungsprozess vom Beton separiert werden, damit der Beton und die Carbonbewehrung hochwertig verwertet werden können Für die Recyclingfähigkeit des Baustoffes Carbonbeton ist es daher sehr wichtig, dass sich die Komponenten Beton und Carbonbewehrung effizient voneinander trennen lassen. Abbruchmassen sind oft komplexe Gemische und beinhalten verschiedene Einzelstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften. Diese Stoffe können auch stoffliche Gemeinsamkeiten besitzen, die eine effiziente Separation erschweren und spezifische Verfahren zur Trennung benötigen. Ohne detaillierte Kenntnisse zur Materialzusammensetzung und Charakteristik der Ausgangsstoffe ist die optimale Festlegung und Dimensionierung der Auf bereitungstechnik zum Erreichen der geforderten Qualität der Recyclingstoffe unter ökologischen und ökonomischen Randbedingungen nicht möglich [25]. Für das Anforderungsprofil an den Recyclingprozess für Carbonbeton muss bei der angestrebten stofflichen Verwertung des Abbruchmaterials Beton und Carbonfasern zwischen zwei Recyclingszenarien unterschieden werden: • Szenario 1: Auf bereitung des Abbruchmaterials durch das Brechen und das Separieren der Fraktionen; anschließende Verwertung der sortenreinen, aus dem Verbundmaterial separierten zwei Materialienfraktionen; • Szenario 2: Auf bereitung durch das Brechen des Abbruchmaterials ohne die Separation der Fraktionen; anschließende Verwertung des heterogenen und nicht sortenreinen Materials. Die Begriffsdefinition „Recycling im engeren Sinne“ spiegelt sich im ersten Szenario wider und beinhaltet die Notwendigkeit von Prozessen zur Separation der Fraktionen. Die Separation der einzelnen sortenreinen Fraktionen „auf bereitetes Betonrezyklat“ und „auf bereitete Carbonfaser“ verspricht die hochwertigsten Einsatzbereiche für die Sekundärrohstoffe [3]. Für das Recycling von konventionellen mineralischen Baustoffabfällen kommen mobile und stationäre Auf bereitungsanlagen zum Einsatz. Das mineralische Abbruchmaterial wird zu Sekundärrohstoffen mit einer definierten Korngrößenverteilung und stofflichen Zusammensetzung entsprechend der Qualitätsanforderungen verarbeitet. Die Anforderungen an die Sekundärrohstoffe resultieren aus den späteren Verwertungsbereichen. Die dabei notwendigen zentralen Prozessschritte umfassen das Zerkleinern, das Klassieren und das Abscheiden des Aufgabeguts. Die Verfahrenstechniken für das Zerkleinern und Klassieren (Schritte 1-und-3) wurden anfangs aus der Rohstoffgewinnung übernommen und für das Bauwesen nur leicht modifiziert. Für das Abscheiden von Störstoffen und Wertstoffen im Rahmen der Sortierung/ Separierung von Bauabfällen (Schritt 2) mussten jedoch baustoffspezifische Maschinen konzipiert werden [27]. Die Verfahrenstechnik für das Separieren reicht von einfachen Sieben und Rosten über Magnetabscheider bis hin zur Kamerabasierten Einzelkornsortierung. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte am Institut für Baubetriebswesen erfolgten umfangreiche Untersuchungen zum Recycling von Carbonbeton [3]. Dabei wurde in einem Großversuch das Carbonbetonabbruchmaterial der Zerkleinerung mit einem mobilen Backenbrecher (Typ Kleemann Mobicat MC 100 R EVO) zugeführt. Mit der Zerkleinerung entsteht ein heterogenes Baustoffgemisch, welches aus Betonfragmenten der Korngruppe 0/ 56 (abhängig von der Einstellung des Backenabstandes) und den freigelegten Carbonfragmenten mit einer durchschnittlichen Einzellänge von im Mittel 80 mm besteht. Der mit dem Backenbrecher erzielte Aufschlussgrad der Carbonfragmente aus der Betonmatrix liegt bei über 99 % [28]. Bereits mit dieser ersten Zerkleinerung konnte die ursprüngliche Vermutung, dass ein maßgeblicher Teil der Carbonbewehrungsfragmente an oder in den Betonfragmenten gebunden bleibt, widerlegt werden. Diese unerwünschte unaufgeschlossene Kompositmaterialfraktion als festes Konglomerat zwischen Betonmatrix und Carbonfragmenten ist nur sehr vereinzelt vorhanden und zeigt augenscheinlich einen Massenanteil von deutlich <-1-% der Gesamtmasse. Für den Recyclingprozess mit dem Teilziel der Zerkleinerung und einem möglichst vollständigen Aufschluss der Fraktionen für nachfolgende Auf bereitungsprozesse ist somit der experimentelle Nachweis erbracht, dass die üblicherweise eingesetzte Materialkombination bei Carbonbeton bei direktem mechanischem Angriff auch mit einer konventionellen mobilen Brecheranlage vollständig von der Betonmatrix trennen lässt. Im Ergebnis wird ein Aufschlussgrad von >-99-% ermittelt und im Abbruchmaterial liegen die Car- 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 201 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung bonbewehrung und die Betonmatrix getrennt voneinander vor (siehe Abb. 6) [3]. Abb. 6: Ergebnis der Zerkleinerung von Carbonbetonbauteilen Ein Auszug der Ergebnisse zur Charakterisierung des Abbruchmaterials ist in Tabelle 2 dargestellt. Grundlage der Angaben zu den Einzellängen der Carbonfragmente (Garnfragmente) sind Messungen von jeweils 1.000 Carbonbewehrungsfragmenten [29]. Tab. 2: Charakterisierung des 0/ 56er Abbruchmaterials Charakterisierung des Abbruchmaterials Typ 0/ 56er Massenanteil Beton und weitere Betonprodukte + andere gebundene und ungebundene Gesteinskörnungen ≥-97-% Rohdichte mineralischer Anteil (Beton trocken) 2.290-kg/ m3 Rohdichte Anteil Carbonbewehrung (mit EP-Beschichtung) 1.800-kg/ m3 Korngröße mineralischer Anteil (Beton) 0 bis 56 mm Massenanteil sonstige Materialien: wie beispielsweise Kunststoff <-2-% davon Massenanteil Carbonbewehrung 1,0-% Längsspaltung der Carbonfragmente sehr selten Einzellänge der Carbonfragmente (5-%-Quantil) 40-mm Einzellänge der Carbonfragmente (50-%-Quantil) 80-mm Einzellänge der Carbonfragmente (95-%-Quantil) 400-mm Anders als die metallische Betonstahlbewehrung bestehen die Carbonfasern in der Carbonbewehrung aus graphitartig zusammengesetztem Kohlenstoff [30]. Die textile Carbonbewehrung gehört damit folglich nicht zur Gruppe der ferromagnetischen Metalle und die Sortierung im Magnetfeld kann daher nicht für die Separation von Carbonfasern im Recyclingprozess eingesetzt werden. Für die Separierung der Carbonbewehrung aus dem Abbruchmaterial müssen demnach alternativ Sortierverfahren eingesetzt werden. 4. Umsetzungsempfehlung Zur Sortierung des Mischguts wurden zahlreiche Sortierverfahren in Praxisuntersuchungen auf die Eignung zur Separation von Carbonfragmente aus dem Abbruchmaterial zerkleinerter Carbonbetonbauteile untersucht. Zu den untersuchten Verfahren gehörten die Querstromsichtung, die Wirbelstromsichtung, die Schwimm-Sink-Sortierung, die Manuelle Klaubung, die Nahfeldinfrarot-Sortierung und die Kamerabasierte Sortierung. Im Folgenden wird das als besonders geeignet eingeschätzte Verfahren zur erfolgreichen Separation von Carbonfragmenten aus dem vorliegenden Mischgut vorgestellt [3]. Die Separation mittels der Kamerabasierten Einzelkornsortierung wurde in einem Feldexperiment der Firma TOMRA Sorting GmbH durchgeführt. Ziel war Carbonfragmente im Abbruchmaterial mittels definierter Kriterien, wie Farbe, Form oder Zusammensetzung zu erkennen. Bei erfolgreicher Detektion sollen die Carbonfragmente mittels gerichteter Druckluftimpulse zielsicher und sortenrein aus dem Mischgut aussortiert werden. Als Separationskriterium verspricht das Merkmal „geometrische Form“ anders als das Merkmal „Farbe“ auch unter äußeren Einwirkungen, wie übermäßigen Staubanfall, eine hohe Sicherheit für die Detektion. Für die Definition charakteristischer Formkennwerte ist dem Kamerasensor eine repräsentative Probe des Abbruchmaterials zuzuführen und um jeden erkannten Körper virtuell eine minimale Begrenzungslinie im Rechteckformat zu modellieren. Die Fraktionen können leicht geometrisch unterschieden werden. Die Partikel in der Betonmatrix reichen von einer partikulären Korngröße von ≤ 0,125-mm bis zu Betonbrocken von 56 mm Größe. Diese Partikel zeigen eine kompakte Kubatur, wobei das Verhältnis von Breite zu Länge zwischen 50-% (5 %-Quantil) und 162-% (95-%-Quantil) liegt. Der Median beträgt 90-%. Die Carbonfragmente ähneln Drähten oder stiftförmigen Körpern und sind in der Regel eindimensional ausgedehnt. Das Verhältnis von Partikelbreite zu -länge liegt zwischen 4 % (5 %-Quantil) und 18 % (95 %-Quantil), mit einem Median von 9-%. Bei der ersten Sortierung konnte ohne vorherige Klassifizierung der mineralischen Feinbestandteile eine Carbonfaserausbringung von sehr guten 97,7 % erreicht werden (siehe Abb. 7). 202 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Recycling von Carbonbeton - Eine verfahrenstechnische Betrachtung Abb. 7: Ergebnis der Separierung durch die Kamerabasierte Sortierung Die Ergebnisse der Untersuchung bestätigen die Literaturangaben zur Ausbringquote von kamerabasierten Sortiersystemen. Demnach kann bei der Sortierung von Altglas eine Reinheit von bis zu 99,7 % bei der Sorte Weißglas erreicht werden [31]. Die Durchsatzleistung Kamerabasierter Sortierungen wird in der einschlägigen Literatur für Partikelgrößen von 3 mm bis 250 mm mit 2,0 Tonnen/ h bis 10 Tonnen/ h angegeben [25]. In der getesteten Anlage konnte eine Durchsatzleistung von 10 Tonnen/ h Carbonbetonabbruchmaterial bei gleichzeitig hoher Carbonfaserausbringung erreicht werden. Für noch größere Durchsatzleistungen können kamerabasierte Sortiermaschinen aus der Primärrohstoffauf bereitung eingesetzt werden, die mit einer Rutschenzuführung und Doppelseitendetektion arbeiten. Diese Sortieranlagen, die aus dem Bergbau stammen, ermöglichen in der Regel deutlich höhere Durchsätze als die getestete Bandmaschine. Es wurde erfolgreich nachgewiesen, dass der Abbruch von Carbonbetonbauteilen in der Praxis umgesetzt werden kann und die Zerkleinerung mit nahezu vollständigem Aufschluss der Carbonbewehrungsfragmente aus der Betonmatrix mithilfe herkömmlicher Maschinentechnik gelingt. Des Weiteren existieren Verfahren zur sortenreinen Separation der Fraktionen, die alle notwendigen Anforderungen für eine großtechnische Umsetzung erfüllen. 4.1 Wiederverwendung von Carbonbewehrung Die vom Beton getrennte Carbonbewehrung (Gelege oder Stäbe) können ebenfalls auf verschiedene Wege dem Wertstoffkreislauf erneut zugeführt werden. Im ersten Schritt müssen die Fasern von der umgebenden Matrix getrennt werden. Vereinfacht ausgedrückt kann das Trennen von Carbonfasern und Matrix nach [33] in drei Bereiche unterteilt werden. Die erste Möglichkeit ist die mechanische Auf bereitung. In diesem Fall werden beispielsweise die Carbonbewehrungen mechanisch in ihre Bestandteile zerlegt. Die zweite Möglichkeit ist das thermische Recycling. Bei diesem Verfahren werden hohe Temperaturen eingesetzt, um die Matrix vom Carbon zu trennen. Die dritte Möglichkeit ist die Solvolyse. Bei diesem Verfahren wird die Matrix mit Hilfe eines chemischen Lösungsmittels aus der Carbonfaser herausgelöst. Folgend werden die drei Verfahren kurz erläutert. Mechanisches Recycling von Carbon Die mechanische Auf bereitung ist das am häufigsten verwendeten Prinzip für das Recycling von Kohlenstofffasern. Nach [34] zerkleinern langsam laufende Schneidmühlen Altbauteile in Stücke von 50 mm bis 100 mm Größe. Im Vergleich dazu erzeugen schnelllaufende Mühlen Fragmente mit einer Größe von 50 μm bis 10 mm. Eine Klassifizierung der recycelten Materialien kann je nach Faser oder Matrix vorgenommen werden. Thermisches Recycling von Carbon Im Gegensatz zum Wirbelschichtverfahren werden die Kohlenstofffaserbestandteile in einem Pyrolyseprozess unter Ausschluss von Sauerstoff erhitzt. Dadurch wird die Matrix aus den einzelnen Fasern herausgelöst und zerfällt in einen gasförmigen und flüssigen Zustand. Je nach Faserverbundwerkstoff findet der Pyrolyseprozess zwischen 450 °C und 550 °C statt. Da die Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur von Kohlenstofffasern (> 600 °C) liegt, eignet sich das Pyrolyseverfahren sehr gut für die Trennung von Matrix und Kohlenstofffasern [35]. Der Nachteil der Pyrolyse kann sein, dass Rückstände (wie oxidierte Matrix) auf den einzelnen Kohlenstofffasern verbleiben [34]. Außerdem kann die Oberfläche der Kohlenstofffasern trotz des Temperaturunterschieds beschädigt werden [35]. Um Rückstände von den Fasern zu entfernen, können die Fasern oxidiert oder gewaschen werden [34]. Die Temperatur kann je nach Art der Kohlenstofffasern variieren. Chemisches Recycling von Carbon Beim chemischen Recycling wird das Verbundmaterial in seine einzelnen Bestandteile zerlegt, indem es in chemischen Lösungen wie Säuren, Basen und Lösungsmitteln aufgelöst wird. Je nach Art des Verbundmaterials kann eine andere Behandlung erforderlich sein. Um eine bessere Trennung zwischen Fasern und Matrix zu erreichen, werden die Komponenten zuvor mechanisch zerkleinert. Dadurch wird die Oberfläche vergrößert, die mit den chemischen Lösungen reagieren kann. Generell kann das chemische Recycling in zwei Kategorien unterteilt werden. Bei der ersten Kategorie werden Lösungsmittel verwendet, um die Matrix aus den Fasern zu entfernen (Solvolyse). Bei der zweiten Kategorie wird Wasser verwendet, um die Matrix aus den Fasern zu entfernen (Hydrolyse). Die Solvolyse bietet aufgrund der Verfügbarkeit verschiedener Lösungsmittel eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Verarbeitung des Verbundmaterials. Durch die Kombination von Temperatur, Druck und Katalysatoren kann die Matrix der Fasern sehr gut gelöst werden [36]. Der Vorteil des chemischen Recyclings ist, dass lange Fasern zurückgewonnen werden können [34]. Außerdem weisen die recycelten Fasern eine Zugfestigkeit auf, die der von neuen Fasern nahe kommt [36]. Der Solvolyseprozess kann in überkritische, unterkritische und nahkritische (Umgebungs-) Prozesse unterteilt werden [33].