Gesteinskörnungen für Beton

Gesteinskörnungen, auch Zuschlagstoffe genannt, spielen eine wesentliche Rolle in der Bauindustrie. Sie sind integraler Bestandteil von Beton und Asphalt und werden in einer Vielzahl von Bauanwendungen eingesetzt — vom Straßenbau bis hin zum Gebäudebau. Dieser Beitrag beleuchtet die verschiedenen Aspekte von Gesteinskörnungen, einschließlich ihrer Arten, Eigenschaften und Anwendungsbereiche.

Definition: Gesteinskörnungen

Gesteinskörnungen sind körnige Substanzen, die zusammen mit Wasser und Zement zur Betonherstellung genutzt werden. Sie werden nach Herkunft, Struktur und spezifischer Kornrohdichte klassifiziert. Sie können natürlichen Ursprungs, industriell hergestellt oder rezykliert sein. Je nach Kornrohdichte wird zwischen leichten, normalen und schweren Körnungen unterschieden. Die Körnungen, die für die Herstellung von Normal- und Schwerbeton verwendet werden, müssen den Normen DIN EN 12620 und DIN 18196für den Straßenbau entsprechen. Für die Verwendung im Außenbereich ist es erforderlich, dass sowohl natürliche als auch künstliche Gesteinskörnungen, die in Mörtel und Beton eingesetzt werden, eine hohe Verschleiß- und Witterungsbeständigkeit aufweisen.

Typen von Gesteinskörnungen

Gesteinskörnungen sind ein fundamentaler Bestandteil von Beton und tragen wesentlich zu dessen Eigenschaften bei. Sie variieren in Art und Zusammensetzung, was wiederum direkten Einfluss auf die Qualität und die Anwendungsbereiche des fertigen Betonprodukts hat.

In der DIN EN 12620Norm werden Gesteinskörnungen nach ihrer Herkunft in drei Kategorien eingeteilt: natürliche Gesteinskörnungen, industriell hergestellte Gesteinskörnungen und rezyklierte Gesteinskörnungen. Zudem werden sie nach ihrer Rohdichte klassifiziert, wobei zwischen leichten, normalen und schweren Körnungen unterschieden wird. Leichte Körnungen zeichnen sich durch eine offenporige oder geschlossenporige Struktur aus, während normale und schwere Körnungen eine kompakte Struktur aufweisen.

Natürliche Gesteinskörnungen

Natürliche Gesteinskörnungen werden aus mineralischen Stoffen gewonnen und mechanisch aufbereitet. Sie bestehen aus Flusskiesen und -sanden und kommen in Flussbetten und deren Ufern vor. Durch die Wasserströmung weisen sie oft eine glatte Oberfläche und einen geringen Anteil an Feinmaterial auf. Daneben gibt es grobkörnige Kiessande, auch Moränen genannt, die durch Gletscherbewegungen entstanden sind. Diese haben eine eher kantige, weniger abgerundete Form sowie oft einen lehmigen Charakter. Vulkanische Ablagerungen, welche aufgrund ihres Ursprungs eine poröse Struktur aufweisen, wie beispielsweise Bims, Lavaschlacke oder Tuff, gehören ebenfalls zu den natürlichen Gesteinskörnungen.

Neben ihrem natürlichen Vorkommen werden gebrochene Gesteinskörnungen auch in Steinbrüchen aus Festgestein gewonnen. Diese gebrochenen Körnungen stammen aus einer Vielzahl von Gesteinsarten. Dabei wird auf die Verwendung von schiefrigem, mergeligem oder sulfathaltigem Gestein verzichtet, da diese im Mörtel zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen können. Daher stellen sie keine gesundheitlichen Gefahren für Mensch und Umwelt dar.

Zu den natürlichen Gesteinskörnungen gehören z. B.:

• Kies
• Sand
• Schotter
• Splitte (Gebrochene Gesteinskörnungen)
• Brechsande
• Felsgesteine

Im Prozess der Aufbereitung wird das Gesteinsmaterial in Steinbrüchen gewonnen und mittels Brechanlagen zu einem Gemisch unterschiedlicher Korngrößen zerkleinert. Anschließend erfolgt die Trennung in die jeweiligen Korngrößenklassen durch Siebanlagen und andere Sortiereinrichtungen wie Sichter. Kies, der größer als 32 mm ist, wird teilweise in Brechern zu Splitt und Brechsand aufbereitet. Im Zuge der Aufbereitung werden die Gesteinsmaterialien auch gewaschen, um sie von Verschmutzungen sowie organischen oder tonigen Beimengungen zu befreien.

Künstliche Gesteinskörnungen

Künstliche Gesteinskörnungen sind industriell hergestellte Produkte, die durch thermische oder andere Verfahren gewonnen werden, wie z. B. Schlacken, Hüttensande oder Aschen aus der Kohle- und Müllverbrennung. Sie umfassen:

• Hochofenstückschlacke (HOS)
• Hüttensand (HS)
• Stahlwerksschlacke (SWS)
• Schlacke aus der Kupfererzeugung (CUS/CUG)
• Gießerei-Kupolofenschlacke (GKOS)
• Steinkohlenflugasche (SFA)
• Schmelzkammergranulat (SKG)
• Kesselasche aus Steinkohlenfeuerung (SKA)
• Gießereirestsand (GRS)
• Hausmüllverbrennungsasche (HMVA)

Hinweis: Diese Art von Gesteinskörnungen können Eluate enthalten, also gelöste Stoffe, die bei Kontakt mit Wasser aus dem Material ausgewaschen werden und potenziell umwelt- oder gesundheitsschädlich sein können. Dies gilt es im Vorhinein eines Bauvorhabens immer zu prüfen.

Rezyklierte Gesteinskörnungen

Bei rezyklierten Gesteinskörnungen (auch RC-Gesteinskörnungen) handelt es sich um aufbereitetes, mineralisches Material aus Bauschutt. Beton kann nach seinem Lebenszyklus recycelt werden und wird als Gesteinskörnung zu einer gefragten Ressource. Die Qualität und die Einsatzmöglichkeiten der Gesteinskörnung hängen unter anderem von ihrem Reinheitsgrad ab. Eine rezyklierte Gesteinskörnung aus Bauschutt kann natürliche Gesteinskörnung teilweise ersetzen und ist für den Einsatz in Standardbauteilen des Hochbaus ebenso geeignet wie herkömmlicher Beton.

Nach DIN 4226-101 wird zwischen vier verschiedenen Typen unterschieden. Typ 3 und 4 liegen außerhalb der DIN 1045 und sind nicht für konstruktive Teile geeignet. Für Pflasterprodukte sind sie jedoch einsetzbar:

• Typ 1: Betonsplitt / Betonbrechsand (min. 90 % Beton, max. 10 % Nebenbestandteile wie Ziegel)
• Typ 2: Bauwerksplitt / Bauwerksbrechsand (min. 70 % Beton oder Naturstein, max. 30 % Nebenbestandteile wie Ziegel)
• Typ 3: Mauerwerkssplitt / Mauerwerkbrechsand
• Typ 4: Mischsplitt / Mischbrechsand

Die Norm DIN EN 12620 für Gesteinskörnungen im Beton bezieht sich sowohl auf natürliche als auch auf rezyklierte Gesteinskörnungen und stellt neben allgemeinen Kriterien auch spezielle Anforderungen an die rezyklierte Variante. Für diese müssen z. B. die Anteile der verschiedenen enthaltenen Stoffe oder der Gehalt an wasserlöslichem Sulfat bestimmt und angegeben werden.

Die allgemeine Norm für Gesteinskörnungen wird durch die Normen DIN 4226-101 und DIN 4226-102 für die spezifischen Eigenschaften rezyklierter Gesteinskörnungen ergänzt. Diese Normen definieren verschiedene Typen von RC-Gesteinskörnungen in Abhängigkeit vom Anteil an Fremdmaterial, wie Ziegel oder Kalksandstein, und regeln die Durchführung von Prüfungen sowie die Überwachung der Produktion bei der Herstellung.

Die Aufbereitung von Bauschutt zu rezyklierten Gesteinskörnungen ist aus ökologischer und gesundheitlicher Sicht von großer Bedeutung. Sie trägt dazu bei, natürliche Ressourcen wie Sand, Kies und Splitt zu schonen, die Erholung der Quellen zu fördern, potenzielle Abbaustätten zu schützen und Deponieflächen einzusparen. Die Qualität rezyklierter Gesteinskörnungen hängt stark von der Reinheit des Ausgangsmaterials ab. Je weniger Fremdstoffe wie Bitumen, Kunststoffe, Holz oder anorganische Stoffe wie Gips und Ziegel im Beton enthalten sind, desto hochwertiger ist das Recyclingprodukt.

Eigenschaften von Gesteinskörnungen

Die Eigenschaften der Gesteinskörnungen sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Beton. Sie bestimmen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften, die Verarbeitbarkeit sowie die Dauerhaftigkeit des Endprodukts. Diese Eigenschaften werden durch verschiedene Normen und Standards geregelt, wie z. B. in Europa durch die DIN EN 12620, die Anforderungen an Gesteinskörnungen für Beton festlegt. Die genaue Spezifikation der Eigenschaften hängt vom Einsatzgebiet der Gesteinskörnungen ab und muss den jeweiligen technischen Anforderungen entsprechen.

Art der Zuschlagstoffe

Neben den natürlichen, künstlichen oder rezyklierten Gesteinskörnungen spielen verschiedene Zuschläge eine entscheidende Rolle für die Qualität des Baustoffs. Diese Zusatzstoffe müssen eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um Baustoffe mit der gewünschten Härte herstellen zu können. Die Kornstruktur bestimmt die Dichte und den Wasserbedarf einer Betonmischung, was wiederum die Verarbeitbarkeit beeinflusst. Man unterscheidet folgende Gesteinskörnungen

• Normalzuschlag: kugeliger und glatter Sand, Kies, Schotter, Splitt, Brechsand, Gesteinsmehl, Hochofenschlacke, Klinkerbruch, recycelter Betonsplitt
• Leichtzuschlag für Leichtbeton und Leichtmörtel: Bims, Tuff, Lavasand, Lavakies, Kieselgur, Blähschiefer, Blähton, Blähglas, Blähglimmer, Blähperlite, Ziegelsplitt. In speziellen Mörteln wie Fliesenklebern kommen auch Mikrohohlkugeln aus Glas, Keramik oder Kunststoff vor.
• Schwerzuschlag für Schwerbeton: Schwerspat (Baryt), Magnetit, Hämatit, Limonit, Schrott, Schwermetallschlacken

Anwendungsbereiche von Gesteinskörnungen

Gesteinskörnungen sind nicht nur ein zentraler Bestandteil von Beton, sondern finden auch in einer Vielzahl anderer Anwendungsbereiche ihre Verwendung. Von der Stabilisierung von Bauwerken bis hin zur Gestaltung von Landschaften – die Einsatzmöglichkeiten sind so vielfältig wie die Gesteinskörnungen selbst. Sie verbessern die Effizienz und Funktionalität in verschiedenen Sektoren des Bauwesens:

• Betonherstellung: Struktur und Volumen für Bauten und reduzieren das Schwinden beim Aushärten
• Straßenbau: Als Basis für Asphaltmischungen und zur Stabilisierung des Untergrunds
• Eisenbahnunterbau: Zur Lastverteilung und Verhinderung von Gleisverformungen (gebrochene ausschließlich)
• Wasserfiltration: In Kläranlagen zur Filterung und Reinigung von Wasser
• Landschaftsbau: Als dekoratives Element oder zur Bodenstabilisierung

Umwelt- und Gesundheitsrelevanz

Die Gewinnung und Verwendung von Gesteinskörnungen muss umweltverträglich erfolgen. Dies beinhaltet die Wiederauffüllung von Steinbrüchen und die Minimierung des Energieverbrauchs beim Abbau und der Aufbereitung. Als alternative Gesteinskörnungen werden zunehmend Recyclingmaterialien wie Betonabbruch eingesetzt.

Gemäß der Norm DIN EN 12620 dürfen nur solche rezyklierten Gesteinskörnungen verwendet werden, von denen keine schädlichen Umwelteinwirkungen, insbesondere auf Boden und Grundwasser, ausgehen. Die Normen DIN 4226-101 und DIN 4226-102 legen fest, wie die Umweltverträglichkeit dieser Materialien zu prüfen ist. Die DIN 4226-101:2017-08 definiert die maximal zulässigen Werte für bestimmte Schadstoffe im Eluat und im Feststoff, während die DIN 4226-102:2017-08 die Anforderungen an die werkseigene Produktionskontrolle der Hersteller regelt. Die LAGA-Mitteilung M 23 (2015) verbietet das Recycling von asbesthaltigen Materialien, auch wenn der Asbestgehalt unter 0,1 Gewichtsprozent liegt.

Fazit

Gesteinskörnungen sind aus der Bauindustrie nicht wegzudenken und finden sich in zahlreichen Anwendungen wie Bauwerken, dem Straßenbau etc., die unsere Infrastruktur tragen. Ihre Vielseitigkeit und Verfügbarkeit machen sie zu einem unentbehrlichen Material, das jedoch mit Bedacht und unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte gewonnen und verwendet werden muss. Nur so kann eine nachhaltige Entwicklung und der Schutz unserer Umwelt für zukünftige Generationen gewährleistet werden. Der weltweite Sandmangel, verursacht durch übermäßigen Abbau und steigende Nachfrage, führt zu erheblichen Umweltproblemen, wie Landschaftszerstörung und Erosion. Im Betonbau resultiert dieser Mangel in einer Suche nach alternativen Materialien und Methoden, was die Baukosten erhöht und die Entwicklung nachhaltiger Bautechnologien vorantreibt.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist die Korngröße von Gesteinskörnungen im Bauwesen relevant?

Die Korngröße von Gesteinskörnungen ist entscheidend für die Struktur und Festigkeit des Endprodukts, sei es Beton, Asphalt oder ein anderer Baustoff. Unterschiedliche Korngrößen beeinflussen die Dichte, Porosität und mechanischen Eigenschaften des Materials. Zum Beispiel kann feiner Sand die Dichte und Festigkeit von Beton erhöhen, während gröbere Körnungen häufig verwendet werden, um die Druckfestigkeit zu steigern und die Porosität zu verringern.

Welchen Einfluss hat die Form der Gesteinskörnungen auf die Eigenschaften von Beton?

Die Form der Gesteinskörnung – rund, eckig oder flach – hat einen erheblichen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit, Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton. Runde Gesteinskörnungen verbessern tendenziell die Verarbeitbarkeit des Betons, da sie einen geringeren Fließwiderstand aufweisen. Im Gegensatz dazu können eckige Gesteinskörnungen eine höhere Festigkeit erreichen, da sie dazu neigen, sich besser ineinander zu verhaken und so eine stabilere Matrix zu bilden.

Welche umweltfreundlichen Alternativen gibt es zu natürlichen Gesteinskörnungen?

Es gibt verschiedene umweltfreundliche Alternativen zu natürlichen Gesteinskörnungen, die dazu beitragen können, den ökologischen Fußabdruck im Bausektor zu verringern. Ein Beispiel sind recycelte Gesteinskörnungen, die aus zerkleinertem Beton oder Asphalt gewonnen werden. Auch Granulate aus Altglas oder synthetische Gesteinskörnungen aus industriellen Nebenprodukten wie Hochofenschlacke sind nachhaltige Optionen. Diese Alternativen tragen nicht nur zur Schonung der natürlichen Ressourcen bei, sondern reduzieren auch die Abfallmenge auf Deponien.