Entwicklung einer Prüfmethode zur Bestimmung des Austrags von Mikroplastik aus Kunststoffrasensystemen

Verschleiß von Kunststoffrasen

von: , ,

Derzeit steht der Austrag von Mikro-Kunststoffen¹ in die Umwelt zur Diskussion. Nach potenziellen Umwelt- und Gesundheitsgefährdungen wie Kieselrot bei Tennenbelägen oder PAK bei SBR-Infill, muss überprüft werden, ob Mikro-Kunststoffe aus Kunststoffrasen Belägen eine bedeutende Quelle darstellen.

In Deutschland rückt auch der Kunststoffrasenplatz als Quelle für Mikro-Kunststoffe in den Fokus. Wolff (2017), Fröhlingsdorf (2018) sowie Bündnis 90/Die Grünen berichten über Umweltprobleme durch Kunststoffrasen Beläge. Im Zentrum stehen dabei besonders die synthetisch hergestellten, elastischen Füllstoffe. Fröhlingsdorf (2018) bezeichnet Kunststoffrasenspielfelder als "Plastikwüsten".

Kunststoffrasensysteme, insbesondere für Fußball, stellen demnach eine Quelle von Mikro-Kunststoffen dar. Das von Kunststoffrasenplätzen Kunststoffpartikel in die Umwelt emittieren wird vielfach beschrieben (vgl. Bertling et al. 2018; Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz 2018; DFB 2017; FLL 2014).

Die Kunststoffpartikel können durch die Kunststoffrasenfaser, durch den Füllstoff oder die Elastikschicht in die Umwelt gelangen (vgl. FLL 2014). Neben dem Füllstoff stellen die Fasern jedes Kunststoffrasensystems, ob unverfüllter, mit Sand- beziehungsweise Sand-Gummi-Füllstoff teil- oder hochverfüllter Kunststoffrasen Belag, eine Quelle für Kunststoffpartikel dar, da die Fasern sich lösen und Verschleißerscheinungsformen auftreten können. Fasern und Partikel gelangen über unterschiedliche Wege in die Umwelt. Neben dem Austrag durch Verwehungen (vgl. Bertling et al. 2018), können gelöste Fasern auch über die Entwässerung in die Vorflut gelangen. Zudem ist der Austrag von Fasern durch die Sportler/innen sowie durch Instandhaltungsarbeiten möglich.

NL-Stellenmarkt

Relevante Stellenangebote
Bauleitung (a) im Bereich Grünplanung, Freiburg  ansehen
Leiter*in der Abteilung Planung und Neubau sowie..., Giessen  ansehen
Landschaftsarchitekt/-in (w/m/d), Wiesbaden  ansehen
Alle Stellenangebote ansehen

Lassen et al. (2015) schätzen, dass pro Jahr etwa 5 bis 10 Prozent an Kunststoffrasenfasermasse emittiert und etwa 1,5 bis 2,5 t an elastischen Füllstoffen pro Kunststoffrasenplatz in die Umwelt freigesetzt werden. Nach dieser Schätzung entsteht aus den 254 Kunststoffrasenplätzen in Dänemark etwa 450-790 t Mikro-Kunststoff, welches in die Umwelt abgegeben wird. Demnach wäre die aus Kunststoffrasensystemen freigesetzte Mikro-Kunststoffmenge, die zweitgrößte Quelle für Mikro-Kunststoffe in Skandinavien nach dem Autoverkehr (vgl. Wolff 2017). Die Zahlen von Lassen et al. (2015) werden in mehreren Studien, unter anderem von Magnusson et al. (2016), Brate et al. (2017) und Bystedt (2018), verwendet. Für Verschoor et al. (2017) sind die Zahlen von Lassen et al. zu hoch angesetzt. Sie gehen davon aus, dass in einem Zeitraum von circa zehn Jahren etwa 40 bis 60 Prozent an Kunststoffrasenfasermasse emittiert. Verschoor et al. stellen fest, dass die Verdichtung von Füllstoffen ein weiterer Grund für geringere Füllhöhen von elastischem Füllstoff ist. Sie konstatieren, dass diese nicht zwangsläufig in die Umwelt emittiert sind.

Material und Methode

Die synthetischen, elastischen Füllstoffe und die Kunststoffrasenfaser sind die Hauptquellen für Mikro-Kunststoffe (vgl. Lassen et al. 2015; Simon et al. 2018). In der Praxis werden viele Kunststoffrasensysteme mit synthetisch hergestellten, elastifizierenden Einstreufüllstoffe (sog. "Gummigranulate") gebaut. Elastifizierende Einstreufüllstoffe aus natürlichen Rohstoffen (z. B. Kork) sind in den vergangenen Jahren in Deutschland vermehrt eingesetzt worden (vgl. Hauschild & Schneider 2017). Es ist anzunehmen, dass dies durch die PAK-Diskussion des SBR-Gummigranulat, besonders in den Niederlanden (2016), hervorgerufen ist. Um diese Schwierigkeit zu mindern, wird zum Beispiel in Hamburg auf elastifizierende Füllstoffe verzichtet (vgl. Hauschild 2017). Zudem bieten Hersteller unverfüllte Langflor-Kunststoffrasensysteme an.

Bei allen Langflor-Kunststoffrasensystemen sind die Kunststoffrasenfasern die Konstante. Um eine allgemeingültige Aussage zu treffen, die unabhängig von dem Füllstoff auf die meisten Kunststoffrasensysteme ableitbar ist, wird ausschließlich der Austrag von Kunststoffpartikeln durch Kunststoffrasenfasern untersucht.

Die Verschleißerscheinungsformen und -beträge von Kunststoffrasenfasern sind sowohl unter genormten Laborbedingungen als auch im Feld bei ausgewählten Sportfreianlagen in einer Kommune im Rheinland untersucht worden. Als Vergleichsbasis (Nullproben) für die Felduntersuchung sind Rückstellproben verwendet worden. In Anlehnung an DIN EN 15330-1:2013-12 - Tabelle 3 und an RAL-GZ 944 - Anlage C, Tabelle 1 werden folgende Messgrößen der Kunststoffrasenteppiche mit Fokus auf die Kunststoffrasenfasern bestimmt:

  • lineare Messgrößen: Faserlänge in mm, Faserbreite in µm, Faserdicke in µm,
  • planimetrische Messgröße: Faserquerschnitt in µm²,
  • massenmäßige Messgröße: Fasergewicht in mg, Gewicht der Prüfkörper in g.

Zur Entwicklung der Prüfmethode zum Verschleiß der Kunststoffrasenfaser und der Freisetzung von Kunststoffpartikeln sind sowohl im Feld als auch im Labor glatte sowie texturierte Fasern betrachtet worden. Im Rahmen der Laboruntersuchung sind, soweit verfügbar, die gleichen Faserprodukte wie in der Felduntersuchung untersucht worden. Bei den Felduntersuchungen werden vier Sportfreianlagen der Stadt Köln mit unterschiedlichen Baujahren untersucht. Drei der vier Anlagen besitzen einen Kunststoffrasen Belag mit texturierter Faser. Bei einer Anlage wurde ein Belag mit glatter Faser verbaut.

Für den simulierten Verschleißvorgang sind fünf Prüfkörper, nach den Anforderungen der in DIN EN 15306:2014-07 beschriebenen Kunststoffrasenteppichen, hergestellt worden. Vier der Prüfkörper sind für den Verschleißvorgang vorgesehen. Der fünfte Prüfkörper dient als Referenzprobe. Mit dem Lisport-Gerät werden die tribologischen Beanspruchungen Gleiten, Rollen und Stoßen nachgebildet. Dafür durchlaufen die Prüfkörper insgesamt 40.000 Zyklen (nach DIN SPEC 18035-7:2011-10; RAL-GZ 944). Ein Zyklus besteht aus zwei Überfahrten der beiden Stollenzylinder.

Abbildung 2 zeigt die schematische Darstellung eines Prüfkörpers nach dem simulierten Verschleißvorgang im Lisport-Gerät. Die Fläche des Prüfkörpers lässt sich wie folgt unterteilen:

  • Rot: Randbereiche,
  • Orange: Einlaufbereich,
  • Gelb: Wendebereich,
  • Grünblau: Bereich mit Verschleißerscheinungsformen und
  • Hellgrün: in ein Bereich ohne Beanspruchung.

Nach DIN EN 15330-1:2013-12 sind für die Bestimmung des Garngewichtes mindestens 40 Fasern aus dem Kunststoffrasen Belag zu betrachten. Bei der Felduntersuchung sind, soweit möglich, pro Platz an den fünf Messpunkten jeweils 40 Fasern entnommen worden. Aus den Kunststoffrasenbelagsproben der Laboruntersuchung wurden ebenfalls jeweils 40 Fasern mit Verschleißerscheinungsformen und 40 Fasern ohne Beanspruchung entnommen.

Für die Bestimmung des Fasergewichts werden alle entnommenen Fasern der jeweiligen Messstelle beziehungsweise der jeweiligen Prüfkörper gewogen. Das Messergebnis wird durch die Anzahl der gewogenen Fasern geteilt. Zur Bestimmung der mittleren Faserlänge wird der Mittelwert aus den Einzelwerten der Faserlänge gebildet. Hierfür ist ein Erfassungsbogen entwickelt worden (s. Abb. 3).

Die Ermittlung der Faserquerschnitte, der Faserdicken und der Faserbreiten erfolgt bei 200-facher Vergrößerung unter dem Mikroskop. Mittels des Mikroskops und einer Software zum Messen werden die Faserquerschnitte, die -dicken und die -breiten erhoben.

Ergebnisse

Zur Entwicklung der Prüfmethode werden Messdaten aus 678 Kunststofffasern der Felduntersuchung und 1680 Kunststofffasern der Laboruntersuchung erhoben. Bei der Felduntersuchung zeigt sich, dass der Messpunkt 5 Strafstoßpunkt gefolgt vom Messpunkt 1 Torraum deutlich strapazierte Bereich mit hohen Verschleißbeträgen sind. In Tabelle 2 (oben) stehen die relativen Verschleißbeträge der Felduntersuchung und der Laboruntersuchung gegenüber. Bei der texturierten Kunststoffrasenfaser sind Verschleißbeträge aus den verschiedenen Baujahren der Sportfreianlagen sowie nach einem simulierten Verschleißvorgang mit 40.000 Lisport-Zyklen dargelegt.

Die Verschleißbeträge der glatten Kunststoffrasenfaser sind nach dem simulierten Verschleißvorgang im Labor dargelegt. Durch das Fehlen einer Nullprobe zum Platz 4 kann kein relativer Verschleißbetrag angeführt werden. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass das simulierte Verschleißverfahren im Labor mit 40.000 Zyklen bei den Messgrößen Faserlänge und Fasergewicht einen Verschleiß für ein Sechstel der Nutzungsphase darstellt. Um bei diesen Messgrößen eine Nutzungsdauer von 12 bis 15 Jahren zu simulieren (vgl. FLL 2014 und DFB 2018), sind mehr Zyklen anzuwenden. Bei der Messgröße Faserquerschnitt fällt auf, dass hier der Verschleißbetrag des Platzes 1 ähnlich hoch ist wie bei den beiden Laboruntersuchungen. Der Faserquerschnitt ist fast um ein Viertel reduziert. Hier scheinen 40.000 Zyklen mit dem Lisport-Gerät einen Querschnittsverschleißbetrag bei einer sechsjährigen Nutzung darzustellen. Insgesamt lässt sich ein kontinuierlicher Anstieg der Verschleißbeträge bei den Verschleißmessgrößen Faserlänge und Fasergewicht beobachten. Hierbei ist zu beachten, dass ein direkter Vergleich der Plätze methodisch nicht korrekt ist, da die Nutzung, die Instandhaltung und Umweltbedingungen abweichen können.

Bei dem Vergleich der Messgrößen untereinander fällt auf, dass insbesondere das Fasergewicht hohe Aussagen zum Verschleiß der Faser gibt. Daher wird der Verschleißbetrag des Fasergewichts zur Berechnung des Masseverlusts der Kunststoffrasenfaser des Kunststoffrasensystems herangezogen. Im Rahmen einer umfassenden Verschleißuntersuchung sind alle fünf Messgrößen notwendig. Ergänzt um eine optische Begutachtung entsteht ein einheitliches Bild über den Zustand und die Verschleißbeträge der Kunststoffrasenfaser und somit über die Freisetzung von Kunststoffpartikel aus dem Kunststoffrasensystem. Die Tabelle 3 (oben) zeigt eine Berechnung des relativen Verschleißbetrages des Fasergewichts der Plätze 1, 2 und 3 und der damit nachweisbaren Menge an freigesetzten Kunststoffpartikeln.

Diskussion und Ausblick

Neben den nachweisbaren Mengen an freigesetzten Kunststoffpartikeln gibt es Kunststoffpartikel, die mit der entwickelten Methode nicht zu erfassen sind. Die hier entwickelte Methode betrachtet die Verschleißbeträge an Fasern, die sich zum Zeitpunkt der Probenahme im Kunststoffrasensystem befinden. Nicht berücksichtigt sind Fasern, die sich aufgrund der Nutzung, Instandhaltung, Produktionsfehler oder während der Bauphase gelöst haben.

Die entwickelte Prüfmethode stellt einen ersten Ansatz zur Darstellung des Mikro-Kunststoff-Austrags anhand der im System befindlichen Fasern dar. Für eine umfassende Ermittlung sind weitere ergänzende Prüfmethoden, insbesondere auch für die Messung des Füllstoff-Austrags und der gelösten Fasern, notwendig. Neben der Entwicklung von Prüfmethoden sollten Ansätze zur Minimierung des Kunststoff-Partikel-Austrags entwickelt werden.

Literatur

RAL-GZ 944, 2018-05: Allgemeine und Besondere Güte- und Prüfbestimmungen.

Bertling, Jürgen; Bertling, Ralf; Harmann, Leandra (2018): Kunststoffe in der Umwelt: Mikro- und Makroplastik. Ursachen, Mengen, Umweltschicksale, Wirkungen, Lösungsansätze, Empfehlungen. Kurzfassung der Konsortialstudie. Oberhausen, 2018-07. Online verfügbar unter www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/publikationen/2018/kunststoffe-id-umwelt-konsortialstudie-mikroplastik.pdf, zuletzt geprüft am 09.09.2018.

Brate, Inger Lise N.; Huwer, Bastin; Thomas, Kevin V.; Eidsvoll, David P.; Halsband, Claudia; Almroth, Bethanie Carney (2017): Micro-and macro-plastics in marine species from Nordic waters. Denmark, 2017.

Bystedt, Simon (2018): Microplastik in the Oresund Region of the Baltic Sea. Sources an Effects. Examensarbeit für Magisterexamen. Lunds Universitet, Lund. CEC - Centrum för miljö- och klimatforskning.

DFB (2017): Sportplatzbau und -erhaltung. 5. überarb. Aufl. Unter Mitarbeit von DFB-Kommission Sportstättenbau. Frankfurt/Main, 2017. Online verfügbar unter www.ninobility.de/dfb/sportplatzbau/.

FLL (2014): Sportplatzpflegerichtlinien. Richtlinien für die Pflege und Nutzung von Sportanlagen im Freien; Planungsgrundsätze. 2. Ausg. Unter Mitarbeit von RWA "Sportplatzpflege". Bonn, 2014.

Fröhlingsdorf, Michael (2018): Warum Kunstrasen ein massives Problem für unsere Umwelt ist. Plastikwüsten. Hg. v. Der Spiegel. Hamburg (44/2018). Online verfügbar unter magazin.spiegel.de/SP/2018/44/160314992/index.html?utm_source=spon&utm_campaign=centerpage, zuletzt geprüft am 09.11.2018.

Hauschild, Torge; Schneider, Oliver (2017): Pro und Contra von Kork als Infill in Kunstrasenplätzen. Pilotprojekt "Korkgranulat" in Hamburg. In: sb Zeitschrift (02). Online verfügbar unter www.iaks.org/de/sb-magazine/pro-und-contra-von-kork-als-infil, zuletzt geprüft am 11.08.2018.

Lassen, Carsten; Hansen, Steffen Foss; Magnusson, Kerstin; Noren, Fredrik; Hartmann, Nanna Isabella Bloch; Rehne Jensen, Pernille; Nielsen, Torkel Gissel; Brinch, Anna (2015): Microplastics. Occurrence, effects and sources of releases to the environment in Denmark. Kophenhagen: Danish Environmental Protection Agency. Online verfügbar unter www2.mst.dk/Udgiv/publications/2015/10/978-87-93352-80-3.pdf.

Magnusson, Kerstin; Voisin, Anais; Eliasson, Karin; Frane, Anna; Haikonen, Kalle; Hulten, Johan et al. (2016): Swedish sources and pathways for microplastics to the marine environment.

Miklos, David; Obermaier, Nathan; Jekel, Martin (2016): Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts. Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt. Dessau-Roßlau, 2016.

Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz (2018): Kleine Anfrage zur schriftlichen Beantwortung mit Antwort der Landesregierung. Kunststoff und Mikroplastik auf dem Fußballplatz. Anfrage des Abgeordneten Martin Bäumer (CDU), 17.01.2018.

Ott, Gerhard; Wurster, Ulrich; Zipperle, Jürgen (2015): Mikro-Kunststoffe: Grundlagen und Sachstand. Karlsruhe, 2015-10.

Simon, Hann; Sherrington, Chris; Jamieson, Olly; Hickman, Molly; Kershaw, Peter; Bapasola, Ayesha; Cole, Georg (2018): Investigating options for reducing releases in the aquatic environment of microplastics emitted by (but not intentionally added in) products. Final Report, 2018.

DIN EN 15330-1:2013-12, 2013-12: Sportböden - Überwiegend für den Außenbereich hergestellte Kunststoffrasenflächen und Nadelfilze - Teil 1: Festlegungen für Kunststoffrasenflächen für Fußball, Hockey, Rugbytraining, Tennis und multifunktionale Kunststoffrasenflächen.

DIN SPEC 18035-7:2011-10, 2011-10: Sportplätze - Teil 7: Kunststoffrasenflächen.

Verschoor, Anja; Van Herwijnen, René; Posthuma, Connie; Klesse, Kristina; Werner, Stefanie (2017): Assessment document of land-based inputs of microplastics in the marine environment. Environmental Impact of Human Activities Series. Hg. v. Ospar Commission. London (705/2017). Online verfügbar unter www.ospar.org/about/publications.

WOLFF, Reinhard (2017): Vom Bolzplatz in den Ozean. In Skandinavien werden immer mehr Kunstrasenplätze gebaut. Das dazugehörige Granulat landet als Mikroplastik in den Meeren. Umweltprobleme durch Kunstrasen. In: taz 2017, 05.02.2017. Online verfügbar unter www.taz.de/Umweltprobleme-durch-Kunstrasen/!5376394/, zuletzt geprüft am 05.08.2018.
M.Eng. Benjamin Müller
Autor

Stadt Köln – Sportamt, Abteilung Sportstättenbau und -pflege

Dr. rer. nat. Jens Bußmann
Autor

Dipl.-Geograph bei Labor Lehmacher | Schneider GmbH & Co. KG

Prof. Dipl.-Ing. (FH) Martin Thieme-Hack
Autor

Hochschule Osnabrück, Fakultät A&L

Hochschule Osnabrück University of Applied Sciences

Ausgewählte Unternehmen
LLVZ - Leistungs- und Lieferverzeichnis

Die Anbieterprofile sind ein Angebot von llvz.de

Redaktions-Newsletter

Aktuelle GaLaBau Nachrichten direkt aus der Redaktion.

Jetzt bestellen