Umweltvertraglichkeit von zementgebundenen Baustoffen

Die Auswirkungen von Baustoffen, speziell von zementgebundenen Baustoffen, auf Um – welt und Gesundheit des Menschen, werden seit Jahren intensiv untersucht [AB 17]. Dabei betrachtet man die Umweltvertraglichkeit eines Baustoffes im Wesentlichen unter dem As – pekt der Wechselwirkung mit den Schutzgutem Wasser, Boden und Luft. In Tab. 9.10 sind die okologisch bedeutsamen Betoninhaltsstoffe zusammengefasst. Sie konnen sowohl vom Restwasser, von Recycling – und Reststoffen, aber auch von Zusatzmitteln und -stoffen so – wie der Gesteinskomung und dem Zement stammen.

Die Freisetzung okologisch bedenklicher Stoffe aus zementgebundenen Baustoffen, speziell aus dem Baustoff Beton, kann im Prinzip auf drei Wegen erfolgen [AB 17b], durch

a) Auswaschung bzw. Auslaugung bei Kontakt des Baustoffes mit einer Auslaugfltissigkeit (z. B. Regen – oder Grundwasser)

b) Emission fliichtiger Bestandteile, vor allem organischer Stoffe

c) Emission von radioaktiver Strahlung.

Tabelle 9.10 Okologisch bedeutsame Betoninhaltsstoffe [AB 18]

Inhaltsstoffe

Hydroxid

Sulfat

Chlorid

Natri­

um

Kalium

Schwer-

metalle

organ.

Verbin-

dungen

Wasser

Restwasser

Gesteinskomung (nat.)

Recyclingstoffe

Abstoffe

Zement

Zusatzstoffe

Zusatzmittel

Eine potentielle Belastung der Umwelt durch sachgerecht hergestellte Betone ist durch die Freisetzung von Alkalien, Salzen und Schwermetallen infolge Wechselwirkung der Beton – oberflache mit Regen – oder Grundwasser gegeben (Auslaugung). Zur Untersuchung des Auslaugverhaltens werden im Labor sogenannte Auslaugtests durchgefuhrt. Ein haufig an – gewandter Test ist der Schutteltest nach DIN 38414 S-4, kurz: DEV-S4. Das Priifgut wird zerkleinert, fein gemahlen und anschlieBend unter intensivem Schtitteln mit Wasser eluiert. Obwohl bei dieser Prozedur der Anted des Gesamtgehaltes eines Stoffes bestimmt wird, der unter den gegebenen Auslaugbedingungen (fein gemahlen!) mobilisiert werden kann, sind Aussagen liber die Mengen, die aus einem kompakten Betonkorper in einer bestimmten Zeit ausgelaugt werden, nicht moglich. Um die zeitabhangige Auslaugung kompakter, zement – gebundener Baustoffe unter Praxisbedingungen zu erfassen, liefem sogenannte Standtests realistischere Resultate. Bei diesen Tests werden Zementstein-, Mortel – oder Betonprobe – korper so in einen Behalter eingebracht, dass sie von alien Seiten mit der Auslaugfltissig – keit umgeben sind. Die Probekorper werden kontinuierlich im Auslaugmedium bewegt und die eluierten Stoffe in bestimmten Zeitabstanden analytisch bestimmt. Details zu den Aus – laugverfahren s. [AB 17-20].

Beeinflussung der Auslaugbarkeit. Die Auslaugbarkeit eines Baustoffes hangt von ver – schiedenen Faktoren ab, die wichtigsten sind die chemische und physikalische Beschaffen- heit des Baustoffes, die Loslichkeit der Schadstoffe bzw. die Mobilisierung von Ionen, der pH-Wert, die Temperatur des eindringenden Wassers, das Wasser-Feststoff-Verhaltnis, d. h. das Verhaltnis von auslaugendem Medium zu auslaugbarem Feststoff, sowie die Dauer der Elution.

Im Beton befinden sich zahlreiche Stoffe, die auch nach abgeschlossener Hydratation mehr oder weniger gut wasserloslich und damit potentiell auslaugbar sind. Mit der Zunahme an Betonausgangsstoffen erhoht sich die Gefahr, dass umweltgefahrdende Substanzen aus dem

Beton in die Umwelt gelangen konnen. Die Loslichkeit stellt somit eine zentrale GroBe fiir den Auslaugprozess dar. Abb. 9.34 zeigt das Potential an auslaugbaren Stoffen pro m3 Be­ton mit 350 kg Portlandzement [AB 20] und die zu den Inhaltsstoffen zugehorigen Loslich – keiten. Dabei wird die Wechselbeziehung zwischen Verfiigbarkeit und Loslichkeit deutlich. Zum Beispiel kann ein Liter Wasser nur 1,3 g Ca(OH)2 aufnehmen, obwohl Ca(OH)2 in groBer Menge vorliegt. Andererseits losen sich pro Liter Wasser 1120 g Kaliumhydroxid, das wiederum in ganz geringer Menge vorliegt.

Die Auslaugbarkeit von Alkalien und ihre Konsequenzen wurde vor allem bei der Spritz – betonanwendung im Tunnelbau untersucht. Die zugesetzten Beschleuniger sind meist alka – lisch reagierende Substanzen. Bei Kontakt mit Bergwasser werden mehr oder weniger hohe Konzentrationen an OH"-Ionen ausgelaugt. Sie erhohen den pH-Wert des wegflieBenden Wassers, was insbesondere in Trinkwasser – und Heilwasserschutzgebieten Probleme berei – tete. Durch die Verwendung von Hochofenzement bzw. den Einsatz gipsarmer Zemente ohne Erstarrungsbeschleuniger mit Silicastaub konnte die Auslaugbarkeit von Alkalien aus Spritzbeton drastisch reduziert werden [AB 20].

Im frischen Zustand ist Beton naturlich leichter auswaschbar, da die loslichen Inhaltsstoffe noch nicht in der festen Matrix fixiert sind. Die Auslaugrate nimmt mit zunehmender Er- hartung ab. Im Festbeton kann eine Auslaugung nur noch liber die Poren des Zementsteins und liber Risse erfolgen.

Подпись: Abbildung 9.34 Potential an auslaugbaren Stoffen pro Kubikmeter Beton mit 350 kg Portlandzement (links) und Loslichkeit der Stoffe (rechts) nach [AB 20]. Подпись:Ca(OH)2

KOH

und Sonstige

Schwermetalle stammen vorwiegend aus den natiirlichen Einsatzstoffen, evtl. auch aus eingesetzten Sekundarrohstoffen. Generell sind fur eine Beurteilung der Umweltvertrag – lichkeit nicht die Grundgehalte umweltrelevanter Bestandteile wesentlich, sondem die Mengen, die wahrend der Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung von Frisch – und Festbe­ton freigesetzt werden konnen. Das gilt insbesondere fiir Schwermetalle. Es ist also nicht der im Resultat einer chemischen Gesamtanalyse ermittelte Schwermetallanteil interessant, sondem der Anted, der in einer loslichen (mobilen) Form vorliegt und deshalb ausgelaugt werden kann. Er hangt wesentlich von der Art und der Stabilitat der Bindung der betrach – teten Elemente im Beton sowie vom Diffusionswiderstand der Zementsteinmatrix ab.

In ihren Untersuchungen zur Betonauslaugbarkeit verwendeten Sprung und Mitarb. [AB 19] einen Portlandzement mit folgenden Schwermetallgehalten: Cr 79 mg/kg, Hg < 0,02 mg/kg und T1 < 0,2 mg/kg. Es wurden jeweils Priifkorper mit w/z-Werten zwischen 0,5 und 0,7 hergestellt, nachbehandelt und anschlieBend in einem Trog 200 Tage lang entweder der

Einwirkung von Leitungswasser oder von CCVangereichertem Wasser ausgesetzt. Es zeigte sich, dass die ausgelaugten Mengen an Cr, Hg und T1 generell auBerordentlich nied – rig sind. Beim Ubergang von Leitungswasser zur kalklosenden Kohlensaure nimmt die Auslaugmenge erwartungsgemaB zu, wenngleich auch nur sehr geringfugig. Fur einen Normalbeton (w/z = 0,5) ergeben sich fur die insgesamt eluierten Schwermetallmengen, be- zogen auf das Gesamtvolumen, folgende Konzentrationen (mg/1): Cr 4 • 10”3, Hg 2-Ю"6 und Tl: 2 • 10~5. Diese Werte liegen deutlich unter den in der Trinkwasserverordnung ange – fuhrten Grenzwerten fur Cr (5 • 10"2 mg/1), Hg (1 • 10"3 mg/1) und Tl (nicht angegeben). Selbst im Ergebnis von Schutteltests nach DIN-S4 (Verein Deutscher Zementwerke e. V., Forschungsinstitut der Zementindustrie), bei dem das gebrochene Material 24 Stunden in einer entsprechenden Apparatur in Wasser geschuttelt wurde, ergab sich keine Uberschrei – tung der Grenzwerte der Trinkwasserverordnung.

Organische Verbindungen gelangen vor allem iiber organische Zusatzstoffe und Zusatz – mittel, aber auch iiber Recyclingmaterialien in den Mortel bzw. Beton. Untersuchungen er- gaben [AB 20], dass bei den im Betonbau ublicherweise eingesetzten Mengen an verfltissi – genden Zusatzmitteln wie Ligninsulfonaten und Naphthalinsulfonsaure-Formaldehyd-Har – zen unter realen Auslaugbedingungen vemachlassigbar geringe Anteile eluiert werden. Die organischen Substanzen werden demnach wirkungsvoll in die Zementsteinmatrix einge – bunden bzw. eingekapselt.

Die Emission fliichtiger Stoffe (z. B. NH3, organische Verbindungen) scheint nach bishe- rigen Untersuchungen ebenfalls vemachlassigbar gering zu sein und keinerlei Gefahr fur Mensch und Umwelt darzustellen. Das Ausgasen von Ammoniak und fluchtigen organi­schen Stoffen hangt von den Parametem ab, die generell fur die Emission von Gasen aus einem Feststoff gelten: dem Dampfdruck der Substanz, der Temperatur sowie der Dichtig – keit der Zementmatrix. Leicht fluchtige Komponenten werden in erster Linie aus dem Frischbeton wahrend der Verarbeitung freigesetzt. Wie im Resultat von Untersuchungen zur Gasentwicklung bei Estricharbeiten in einem geschlossenen Raum bei der Verwendung von NH3-befrachteter Steinkohlenasche gezeigt werden konnte, sind diese Vorgange nach kurzer Zeit abgeschlossen [AB 17b]. Es traten nur geringfiigige Geruchsbelastigungen auf, die nach etwa 1 Tag kaum noch wahmehmbar bzw. messbar waren. Bei ausreichender Be – luftung, wie es im Betonbau in der Regel der Fall ist, treten keinerlei Probleme auf.

Die Emission radioaktiver Strahlen aus Baustoffen wurde in Кар. 2.1.2 besprochen.