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- 7.1 Baustoffe (1)
Eingeladener Vortrag
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Zur Ermittlung der Präzision des Messverfahrens Quecksilberporosimetrie für die Materialklasse Zementmörtel dienten Ringversuche mit 32 Laboratorien. Sechs unterschiedlich präparierte Proben eines Portlandzementmörtels (CEM I 42,5, Sand mit 4 mm Größtkorn, Wasser/Zement-Wert 0,44) wurden untersucht. Das waren 10 mm Bohrkern- und 3-8 mm Granulatproben, die bei 105 °C, im Vakuum bzw. individuell im Messlabor getrocknet wurden. Jedes Labor führte je Probe vier Quecksilberintrusionsmessungen nach DIN 66133 durch und bestimmte die Rohdichte pyknometrisch mit Quecksilber. Für das Gesamtporenvolumen bei 2000 bar, den Median und die Rohdichte erfolgte die statistische Auswertung nach ISO 5725. Dabei wurden die Mittelwerte mit ihren Wiederhol-, Zwischenlabor- und Vergleichstreuungen bestimmt. Um den Gesamtverlauf der Druck- Volumen-Kurve bewerten zu können, wurden Gesamtmittelwertkurven mit Streubändern berechnet.
Im Forschungsprojekt „Aufbaukörnungen“ wird eine Technologie zur Herstellung hochwertiger Leichtgranulate aus sekundären Rohstoffen auf der Basis von heterogenen und teilweise feinkörnigen Bau- und Abbruchabfallen entwickelt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Mauerwerkbruch, der größere Verwertungsdefizite als Betonbruch aufweist, Im Jahr 2010 fielen in Deutschland neben den rund 6 Mio. Tonnen reiner Ziegelabfälle mehr als 20 Mio. Tonnen ziegelhaltige Gemische als Bau- und Abbruchabfälle an. Der Verwertungsstrategie liegt die Idee des rohstofflichen Recyclings zu Grunde. Das heißt, nicht die physikalischmechanischen Eigenschaften des Mauerwerkbruchs, sondern sein Rohstoffpotenzial wird genutzt. Das Recycling baut auf der chemisch-mineralogischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials auf. Die Leichtgranulate(Aufbaukörnungen) werden am Ende eines mehrstufigen Herstellungsprozesses durch thermische oder hydrothermale Erhärtung produziert.
Im vorliegenden Beitrag werden der Herstellungsprozess beschrieben und die Ergebnisse zu den chemischen und physikalischen Eigenschaften der hergestellten Leichtgranulate denen von vergleichbaren handelsüblichen Blähtönen gegenübergestellt. Entscheidend für die Eignung einer leichten Gesteinskörnung ist jedoch letztlich ihre Leistungsfähigkeit im Beton. Daher wurden Betone mit den neuartigen Leichtgranulaten hergestellt. Über die Festbetoneigenschaften wird ebenfalls berichtet.
Der Einsatz von Sekundärrohstoffen im Betonbau kann einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Ressourcenwirtschaft im Bauwesen leisten. Sekundärrohstoffe (Recycling-Baustoffe, RC-Baustoffe) finden bereits Anwendung als Roh- bzw. Brennstoffe in der Portlandzementklinkerherstellung, als Zementbestandteile, als Betonzusatzstoffe sowie als sekundäre Gesteinskörnungen in Beton. In einem Teilprojekt des DAfStb/BMBF-Verbundforschungsvorhabens 'Nachhaltig Bauen mit Beton' wurde das Einsatzpotenzial von Sekundärrohstoffen in Beton untersucht. Hierbei spielen sowohl technische als auch ökologische und ökonomische Fragestellungen eine wichtige Rolle. Vor diesem Hintergrund wurde eine Bewertungsgrundlage mit ganzheitlicher Betrachtung von Nachhaltigkeitsaspekten (Technik, Ökologie, Ökonomie) ausgearbeitet. Dieses Bewertungskonzept umfasst die vier Bewertungsschritte: I. Grundsätzliche Überlegungen, II. Vorteile für das nachhaltige Bauen, III. Alternative Bewertungswege und IV. Sensitivitätsanalysen. Das Bewertungskonzept wurde am Beispiel der bereits im Betonbau eingesetzten rezyklierten Gesteinskörnungen entwickelt.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nowadays there are several applications of secondary mineral materials and residues. In the framework of the German research project 'Sustainable Building with Concrete', a concept to assess the applicability of already used and new secondary materials in concrete has been developed. It considers sustainability aspects and includes the following four assessment steps: I. Basic considerations, II. Advantages for sustainable construction, III. Alternative paths of application, and IV. Sensitivity analysis. Depending on changing technical, ecological and economic aspects, the assessment has to be performed for changed technical, ecological and economic conditions as necessity arises.
Mineralische Sekundärrohstoffe finden im Beton als Gesteinskörnung, Betonzusatzstoff, Bestandteil von Zementen oder Spezialbindemitteln Anwendung. Für den Einsatz von rezyklierten Gesteinskörnungen, Kesselsand, Steinkohlenflugasche, Silicastaub und Hüttensand bestehen bereits Normen bzw. bauaufsichtliche Zulassungen. Für weitere Reststoffe, wie Mauerwerkbruch und beim Baustoffrecycling anfallende feinkörnige, heterogene Sandfraktionen, existieren noch keine höherwertigen Verwertungswege. In einem Forschungsprojekt werden derzeit Möglichkeiten zur Verwertung von heterogenen mineralischen Bau- und Abbruchabfällen durch Herstellung von Blähgranulaten mit maßgeschneiderten Eigenschaften (Schüttdichte, Rohdichte, Korngröße und Kornfestigkeit) untersucht. Dies eröffnet die Möglichkeit einer rohstofflichen Verwertung solcher Abfälle. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Mauerwerkbruch. Er fällt mit über 20 Tonnen pro Jahr an und weist im Vergleich zum Betonbruch größere Verwertungsdefizite auf hl. Die erzeugten Granulate sollen als leichte Gesteinskörnung im Beton, Schüttung oder Pflanzsubstrat Anwendung finden.
Die ersten Ergebnisse der Granulatherstellung mit einer thermischen Behandlung zeigen, dass sich Mauerwerkbruch als Rohstoff zur Herstellung leichter Gesteinskörnungen eignet 121. Die so erzeugten Blähgranulate weisen ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Blähtöne auf 131. Das Hauptziel der in diesem Beitrag vorgestellten weiteren Untersuchungen war, die Rohdichte der Granulate bei gleichbleibender oder steigender Kornfestigkeit zu senken. Aus energetischer Sicht des Blähprozesses wurde neben dem thermischen Verfahren auch die Möglichkeit einer hydrothermalen Erhärtung der Granulate untersucht.
Die Ressourcenverknappung und steigende Preise rücken nachhaltiges Wirtschaften und die Wiederverwertung von Abfällen in den Blickpunkt der Forschung. Bauabfälle sind in Deutschland – mit 72,4 Mio.t im Jahr 2004 – der größte Abfallstrom. Es wird ein Überblick über den Stand der Technik zur Aufarbeitung und Verwertung von Bauabfällen gegeben und die Anforderungen an Bauabfälle, die als Sekundärrohstoff eingesetzt werden sollen, diskutiert. Die Forschung im Baustoffrecycling bezieht sich sowohl auf neue Aufbereitungstechniken als auch auf die Charakterisierung der Recyclingmaterialien sowie auf deren Einfluss auf die Betonqualität. Die Eignung und Verwertung von Bauabfällen als Sekundärrohstoffe für Baustoffe wird anhand ihrer chemischen Zusammensetzungen mit Hilfe von ternären Diagrammen diskutiert.----------------------------------------------------------------------
An overview about quantity of construction and demolition waste (CDW) and a state of the art of the reuse is given. The technology is described, which is applied for the processing of CDW in a stationary plant. The requirements on recycled aggregates, which shall be used in road construction or in manufacturing of concrete, can be divided in such related to the material and physical properties and such related to the environmental properties. The rules give guidance on the composition with the aim of excluding the constituents with unfavourable features. The environmental standards which yet in discussion are give threshold of the leachable components in recycled aggregates. The material potential of building waste is discussed. Information on the chemical composition of recycled materials is compared with the composition of pure materials. With the aid of ternary charts such building materials are identified, in which the recycled materials can be used as recycled feedstock.
Beton mit leichten Gesteinskörnungen (Leichtzuschlägen) ist seit dem Altertum bekannt. Leichte Gesteinskörnungen vulkanischen Ursprungs wurden bereits zur Errichtung der Maya-Pyramiden in Mexiko und von monumentalen Bauwerken im Römischen Reich verwendet. Zu den berühmtesten Beispielen der ersten Anwendung von Leichtbeton in Europa gehören das Kolosseum und das Pantheon in Rom, Hier wurden sowohl natürliche als auch künstliche Zuschlagstoffe, wie Bims, Lava und zerkleinerter Ziegelsplitt, benutzt.
Mit steigender Nachfrage nach leichten Gesteinskörnungen und einer weltweit begrenzten Verfügbarkeit natürlicher Leichtzuschläge wurden synthetische leichte Gesteinskörnungen entwickelt. Ihre großtechnische Herstellung begann nach dem Ersten Weltkrieg. Heute werden leichte Gesteinskörnungen in einem breiten Schüttdichtespektrum von 100 bis 1200 kg/m3 hergestellt. Sie stellen einen wichtigen Teil der Gesteinskörnungen in der Baubranche dar.
Reststoffe aus Kohlekraftwerken und der Metallurgie, wie Steinkohlen- und Braunkohlenflugasche, Hüttensand und Silikastaub werden bereits seit Jahren als puzzolanische und hydraulische Zusätze in Zementen, Mörteln und Betonen zur Optimierung der Eigenschaften eingesetzt. Dennoch gibt es weitestgehend ungenutzte Sekundärrohstoffquellen aus der Silikon- und Kieselsäureherstellung.
Der Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Nutzung kieselsäurehaltiger Filterrückstände aus der industriellen Abwasserbehandlung für den Einsatz als Bindemittelkomponente. Die chemisch-mineralogischen Eigenschaften der Filterrückstände, beispielsweise ein hoher Gehalt an amorpher Kieselsäure sowie eine große spezifische Oberfläche, legen eine Nutzung als puzzolanischer Bindemittelbestandteil nahe. Deshalb müssen Möglichkeiten einer Nutzung als Zusatz in Kompositzementen, Bodenverbesserungsmitteln und Spezialbindemitteln untersucht werden. Im Beitrag wird über die Stoffcharakterisierung, den Nachweis der puzzolanischen Eigenschaften und den Einfluss des Filterrückstands auf die Eigenschaften von Zementmörteln berichtet.
Recyclingzuschläge (rezyklierte Gesteinskörnungen, Betonsplitt) werden großtechnisch aus dem Material, das beim Abbruch von Betonbauwerken anfällt, hergestellt. Sie bestehen zu mehr als 90% aus Altbeton. Die Wiederverwendung dieser Materialien zur Herstellung von neuen hochwertigen Beton erfordert umfangreiche Kenntnisse über ihre betontechnologischen und chemisch-physikalischen Eigenschaften. Zwei unterschiedliche Recyclingzuschläge und die damit hergestellten Betone wurden im Vergleich zu einem Referenzbeton mit natürlichen Zuschlägen gleicher Sieblinie untersucht.
Der Filterschlamm (FS) fällt als Reststoff bei der Abwasserbehandlung des Chemiewerkes an. Er liegt als feinteiliges Granulat vor und enthält als Hauptbestandteil amorphe Kieselsäure. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, ihn wie einen mineralischen Zusatzstoff bei der Beton- und Mörtelherstellung zu verwenden.
Als Betonzusatzstoff werden fein aufgeteilte Zusätze zum Beton bezeichnet, die durch chemische und/oder physikalische Wirkung die Betoneigenschaften beeinflussen, und die als Stoffraumkomponente zu berücksichtigen sind.
Hochfeste Betone werden durch die Zugabe puzzolanischer Zusatzstoffe (Microsilica, Flugasche) und die Reduzierung des Wasser-Zement-Wertes bei gleichzeitiger Verwendung eines Fließmittels hergestellt. Diese Modifizierungen des Betons beeinflußen die Zusammensetzung und die Mikrostruktur seiner Mörtelmatrix.
Im Rahmen eines DFG-Forschungsvorhabens (FOR 537) wird ein Teilprojekt an der BAM bearbeitet. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Beschreibung und Bewertung des Korrosionsfortschrittes an Stahlproben mit kleinen Kathodenflächen (Eigenkorrosion) mittels elektrochemischer Messungen. Für die Untersuchungen wurden Betonproben mit eingebetteten Stahlelektroden hergestellt. Dabei wurden gezielt betontechnologische Parameter variiert. Dabei ist der Beton als Elektrolyt zu betrachten. Nach bestimmten Zeitintervallen werden die Betonproben aufgebrochen und die eingebetteten Stahlelektroden durch visuelle Inspektion und anschließende Bestimmung des Masseverlustes bewertet. Zur Charakterisierung des Betons (Elektrolyt) dient das Verfahren der Quecksilberporosimetrie. Mit dem Verfahren lassen sich die Zusammenhänge zwischen den betontechnologischen Parametern und der Porenstruktur aufzeigen und mittels der umfangreichen Variation der Betonparameter die Auswirkung auf den Korrosionsfortschritt nachweisen.
Ultrahochfeste Betone (UHPC) sind durch Druckfestigkeiten > 150 MPa und eine besonders hohe Dauerhaftigkeit gekennzeichnet. Ihre Herstellung gelingt durch die Optimierung der Mischungszusammensetzung, des Mischprozesses und der Nachbehandlung. Maßnahmen dazu bestehen in der Verwendung feinstgemahlener Zemente, puzzolanischer und inerter Feinststoffe, dem Einsatz gezielt ausgewählter grober und feiner Gesteinskörnungen, der Reduktion des Wasser/Bindemittel-Wertes bei Zugabe von Fließmitteln auf Polycarboxylat-Basis sowie einer Wärmebehandlung der Betone.
Das Ziel dabei ist es, eine möglichst hohe Packungsdichte in der Bindemittelmatrix bei Ausbildung einer sehr gleichmäßigen und extrem dichten Gefügestruktur mit einem hohen Anteil an Calciumsilicathydrat-Phasen zu erreichen. Deshalb sind Untersuchungen zur Porosität und Porenstruktur ein wichtiger Bestandteil zur Materialcharakterisierung im Rahmen der Mischungsoptimierung. Die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen werden im Vergleich zu denen an einem hochfesten Beton und einem Normalbeton betrachtet.
In Deutschland fallen mittelfristig erhebliche Mengen von Mauerwerkbruch an. Aus dem jährlichen Bauschuttanfall und den Produktionszahlen von Wandbausteinen lassen sich die Mengen an Mauerwerksrestmassen ableiten, die als Rückbaumaterial bei Abriss-, Umbau und Sanierungsarbeiten in Deutschland anfallen werden. Hiernach ist pro Jahr mit bis zu 10 Millionen Tonnen heute vornehmlich heterogen anfallendem Mauerwerkbruch zu rechnen [1a]. Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sind diese Restmassen zukünftig einem möglichst hochwertigen Recycling zuzuführen. In diesem Spannungsfeld führt die deutsche Mauersteinindustrie das breit aufgestellte gemeinschaftliche Forschungsprojekt "SIM Stoffkreislauf im Mauerwerksbau" durch. In insgesamt acht mauersteinübergreifenden IGFForschungsvorhaben wurden und werden technisch orientierte Lösungsmöglichkeiten für das Recycling von Mauerwerk erarbeitet und Anwendungsbereiche für Mauerwerksrestmassen aufgezeigt. Eine grundsätzliche Entscheidung über die Eignung von Mauerwerksrestmassen für bestimmte Recyclingwege kann es letztlich nicht geben. Es wird immer eine Einzelfallentscheidung bleiben, die wesentlich durch komplexe technische sowie ökologische und ökonomische Randbedingungen geprägt wird.
Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 17022 N der Forschungsvereinigung Porenbetonindustrie e.V., Berlin die Nachhaltigkeit verschiedener Recyclingoptionen für Mauerwerkbruch ganzheitlich untersucht und bewertet. Unter Einbeziehung der Hauptwandbausteinarten Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton und Leichtbeton wurden dabei material- und verfahrenstechnische sowie ökologische, ökonomische und soziale Aspekte berücksichtigt. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein EDV-gestütztes Analysetool (Web-Tool) zur Nachhaltigkeitsbewertung für das Mauerwerksrecycling entwickelt. Mit dem Web-Tool sollen Anwender (Planer, Architekten, Recycler) die Möglichkeit erhalten, für verschiedene Untersuchungsfälle unter Einbeziehung regional und sachlich bedingter Parameter, wie Materialqualität, Stoffmengen, Logistik, Aufbereitungstechnik, Anwendungsbereiche, Kosten und Erlöse, objektspezifische Aussagen zur Nachhaltigkeit treffen zu können. Auf diesem Wege können im Sinne der aktuellen gesetzlichen Vorgaben nachhaltige Stoffkreisläufe im Mauerwerksbau geschlossen und somit letztlich die Deponierung von Mauerwerksrestmassen vermieden werden.
Alle vier Wandbaustoffarten haben sich im Rahmen des Forschungsvorhabens als recyclingfähig und hinsichtlich der Nachhaltigkeit als gleichwertig erwiesen. Das Ziel des Vorhabens wurde damit erreicht.
Heterogene und feinkörnige Bauabfälle aus Mauerwerkbruch lassen sich heute nur auf einem sehr geringen Qualitätsniveau verwerten. Um diese Situation zu überwinden, wurde das Material als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen verwendet, die ähnlich wie Blähtone und Blähschiefer in einem thermischen Prozess erzeugt werden. Auf der Grundlage einer Literaturübersicht wurde zunächst die grundsätzliche Eignung von Mauerwerkbruch bewertet. Es folgten experimentelle Untersuchungen, in welchen nachgewiesen werden konnte, dass Leichtgranulate mit definierten, einstellbaren Eigenschaften aus Mauerwerkbruch herstellbar sind. Sie sind in ihren Eigenschaften den leichten Gesteinskörnungen aus natürlichen Rohstoffen mindestens ebenbürtig. -----------------------------------------------------
At present heterogeneous and fine-grained masonry rubble is recycled at a very low level. To overcome this situation the material is used as feedstock for the generation of lightweight aggregates, produced by a thermal process similar to the manufacturing of expanded clays and shales. On the basis of a literature review the suitability of masonry rubble as raw material is evaluated generally. Then materials from different recycling plants were experimentally tested. The results show, that expanded granules with defined, adjustable properties can be produced from masonry rubble. The properties of these secondary lightweight aggregates are at least equivalent to the properties of the known expanded clay aggregates.
Neue leichte Gesteinskörnungen werden durch rohstoffliches Recycling aus heterogenem und feinkörnigem Mauerwerkbruch hergestellt. Die Erprobung dieser Aufbaukörnungen im Leichtbeton liefert Aussagen zu ihrer Qualität und Eignung. Nach einer kurzen Charakterisierung der für die Betonherstellung ausgewählten Aufbaukörnungen werden die entworfene Betonrezeptur vorgestellt und einige Ergebnisse der Festbetonuntersuchungen diskutiert.----------------------------------------------------------------------------------------------------------
New lightweight aggregates are produced by feedstock recycling from heterogeneous and fine-grained masonry rubble. Testing of these tailor-made expanded aggregates in lightweight concrete provides information about their quality and performance. Following a brief characterization of the tailor-made expanded aggregates used in concrete production, the concrete mix design is presented and some results of the tests of hardened concrete are discussed.
Leichte Gesteinskörnungen mit Kornrohdichten < 2 g/cm³ werden industriell aus natürlichen Rohstoffen, wie Ton und Schiefer, hergestellt. Dabei fallen hohe Energiekosten an, während außerdem fortwährend die Verfügbarkeit geeigneter Rohstoffe sinkt. Eine Alternative stellen Leichtgranulate, die aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen hergestellt werden, dar.
Im Forschungsprojekt „Aufbaukörnungen“ wurde eine Technologie zur Herstellung hochwertiger leichter Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch entwickelt. Ziegelhaltige Bau- und Abbruchabfälle fallen in Deutschland mit bis zu 26 Mio. t pro Jahr an und weisen größere Verwertungsdefizite als Betonbruch auf. Der neuen Verwertungsstrategie liegt die Idee des rohstofflichen Recyclings zu Grunde.
Die leichten Gesteinskörnungen werden am Ende eines mehrstufigen Herstellungsprozesses durch thermische oder hydrothermale Erhärtung im Labor- und halbtechnischen Maßstab produziert. Für Herstellungstechnologie und Eigenschaften der Leichtbetone sind neben Kornfestigkeit und Rohdichte die Porosität und Wasseraufnahme der leichten Gesteinskörnungen entscheidende Größen, die wiederum von Kornform, Oberflächenrauigkeit, Sinterschale und Porenstruktur der Körnungen beeinflusst werden.
Bei der Aufbereitung von Rückständen aus der Zerkleinerung von Altfahrzeugen, weißer Ware und Mischschrotten, wie zum Beispiel durch das patentierte VWSiCon-Verfahren, fallen sogenannte Shredder-Sande an. Es handelt sich dabei um heterogene Gemische mit Korngrößen unter 5 mm. Bislang werden diese Shredder-Sande als inerter Reststoff im Bergeversatz verfüllt. Durch die Novellierungen im Kreislauf-Wirtschaftsgesetz ist fraglich, ob dieser Verwertungsweg in Zukunft noch als Recycling gewertet werden wird. So müssen sich Produkthersteller und Verwerter nun auch mit diesem Stoffstrom auseinandersetzen, um die für die Eingangsstoffe definierten Recyclingquoten erfüllen zu können. Dazu müssen neue Strategien zur Aufbereitung und Verwertung entwickelt werden, um aus dem heterogenen Stoffgemisch aus mineralischen, metallischen und organischen Bestandteilen wieder nutzbare Fraktionen zu erzeugen.
Bau- und Abbruchabfälle stellen den größten Abfallstrom in Deutschland dar. Die anfallenden Mengen und die erreichten Recyclingquoten sind in den seit 1996 erscheinenden Monitoring-Berichten der Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftsträger Bau dargestellt. In dem 2013 erschienenen Bericht [BV Baustoffe 2013] wird ausgewiesen, dass im Jahr 2010 53.1 Millionen Tonnen Bauschutt (ohne Straßenaufbruch) bestehend aus Beton- und Mauerwerkabbruch anfielen. Im Jahr 2010 fielen in Deutschland neben den rund 6 Mio. Tonnen reiner Ziegelabfalle mehr als 20 Mio. Tonnen ziegelhaltige Gemische als Bau- und Abbruchabfälle an [destatis 2012], Das in stationären oder mobilen Anlagen aufbereitete Material wird hauptsächlich im Tief- und Landschaftsbau eingesetzt. Ein Einsatz im Hochbau erfolgt nur vereinzelt. Hierbei werden rezyklierte grobe Gesteinskörnungen für Normalbeton aus Betonbruch gewonnen. Heterogener Mauerwerkbruch, der Wandbaustoffe, Mörtel, Putz, Fliesen und weitere Bestandteile enthält, oder die bei der Aufbereitung zwangsläufig entstehenden Feinfraktionen finden bisher keine Verwendung. Ursachen dafür sind die erhebliche Heterogenität in Bezug auf die Materialzusammensetzung und der große Feinkornanteil. Die Verwertung als Verfullmaterial und im Deponiebau oder die Deponierung selbst wird zukünftig durch die strikte Anwendung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes bzw. den stetigen Rückgang von Deponiekapazitäten nicht mehr möglich sein.
Heterogene und feinkörnige Bauabflle aus Mauerwerkbruch lassen sich heute nur auf einem sehr geringen Qualittsniveau verwerten. Um diese Situation zu überwinden, wird deren Verwendung als Ausgangsstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen vorgeschlagen, die hnlich wie Blhtone und Blhschiefer in einem thermischen Prozess erzeugt werden. Dafür wurde zunchst die grundstzliche Eignung von Mauerwerkbruch bewertet. Es folgten experimentelle Untersuchungen, in welchen nachgewiesen werden konnte, dass Leichtgranulate mit definierten, einstellbaren Eigenschaften aus Mauerwerkbruch herstellbar sind. Sie sind in ihren Eigenschaften den leichten Gesteinskörnungen aus natürlichen Rohstoffen mindestens ebenbürtig. Die daraus hergestellten, gefügedichten Leichtbetone erzielen durchweg vergleichbare Werte wie die Leichtbetone mit herkömmlichem Blhton. Leichtgranulate aus Mauerwerkbruch stellen ein Produkt dar, dessen Herstellung nahezu ohne Primrrohstoffe auskommt. Das Verfahrensprinzip scheint außerdem prdestiniert für die hochwertige Verwertung auch anderer mineralischer Reststoffe zu sein.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Production of lightweight aggregate from masonry rubble. At present, heterogeneous and fine-grained masonry rubble can only be recycled at very low quality. To overcome this limitation, the material was employed as feedstock for the production of lightweight aggregates in a thermal process similar to that used in the manufacture of expanded clay and expanded slate. To that end, the fundamental suitability of masonry rubble as a raw material was evaluated. Experiments were carried out which indicated that lightweight granules with defined, modifiable proper-ties on a par with to those of natural-material- based aggregates could be manufactured from masonry rubble. Structural lightweight concretes produced with these secondary aggregates achieved comparable performance to lightweight concretes produced with conventional expanded clay. Lightweight recycled building material aggregates represent a product that hardly requires any primary resources in its manufacture. In principle, the technique also seems to be well suited for high-quality recycling of other mineral waste materials.
Ziel des Projekts HYTEGRA ist die Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch hydrothermale Behandlung quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienen heterogener Mauerwerkbruch aus Bau- und Abbruchabfällen als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Für beide Reststoffe besteht derzeit ein Verwertungsdefizit. Das Verfahren beruht auf der Idee des rohstofflichen Recyclings, d. h. die chemisch-mineralogischen Stoffeigenschaften werden für die hydrothermale Stoffumwandlung genutzt. Bei der Härtung der Hydrothermalgranulate bilden sich Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH) aus der Reaktion zwischen Quarzpartikeln und Kalk im Autoklav bei 200 °C und 16 bar Sattdampf.
Um den Abbau primärer Rohstoffe zu reduzieren, wurden deponierte oder niederwertig eingesetzte industrielle Reststoffe hinsichtlich einer höherwertigen Verwendung im Betonbau untersucht. Zur Bewertung des Einsatzpotentials als Zementbestandteil oder Betonzusatzstoff erfolgte zunächst eine chemisch-mineralogische und betontechnologische Charakterisierung der Materialien. Reststoffe, die die normativen Anforderungen hinsichtlich der Zementzusammensetzung erfüllen, wurden anschließend zu verschiedenen Anteilen als Zementsubstitut in Mörtel eingesetzt. In vergleichenden Untersuchungen erfolgte die Ermittlung der Frisch- und Festmörteleigenschaften.
Kalorimetrische Untersuchungen sollten die Auswirkungen der Reststoffe auf die Zementhydratation zeigen. Ausgewählte Untersuchungsergebnisse an Reststoffen aus der Industrieabwasseraufbereitung, dem Altpapierrecycling, der Biomasseverbrennung und der Metallurgie werden vorgestellt.
Hausmüllverbrennungsasche soll aufgrund ihrer chemisch-mineralogischen Eigenschaften als Gesteinskörnung zur Herstellung von Normalbetonen eingesetzt werden. Durch Bestandteile, wie Chloride, metallisches Aluminium und Altglasfragmente, entstehen aber in kürzester Zeit beträchtliche Betonschäden. Durch zusätzliche mechanische, chemische oder thermische Aufbereitungsschritte können diese betonschädigenden Inhaltsstoffe minimiert werden. Dadurch lässt sich die Qualität der Asche soweit verbessern, dass sie gut zur Betonherstellung verwendbar ist.
Kiefernholz wird durch Imprägnieren mit einem Vorkondensat aus organischen Disäuren und Glycerin, das kolloidale Kieselsäure enthält, sowie nachfolgende Ofenhärtung in Kieselsäure/Alkydharz/Holz-Verbunde umgewandelt. Diese Nanoverbunde haben eine geringere Porosität als Holz, da Teile der Holzzellen mit Harz und Kieselsäure ausgefüllt sind. Die kugelförmigen, etwa 60 nm großen (SiO1)x-Teilchen liegen in der Polymermatrix mikrophasensepariert vor. Der kolloidale Zustand der eingebrachten Polykieselsäure bleibt erhalten. Durch ihr günstiges Eigenschaftsprofil sind die Verbundmaterialien als modifizierter Holzbaustoff interessant.
Sortierrückstände, Faserreststoffe und Schlämme aus der Altpapieraufbereitung und dem Deinking werden gegenwärtig entweder deponiert oder einer energetischen Verwertung zugeführt. Es gibt Bemühungen, die Reststoffe kontrolliert bei Temperaturen zwischen 700 °C und 800 °C zu calcinieren, um dadurch direkt einen metakaolinhaltigen puzzolanisch wirkenden Zementbestandteil oder Beton-zusatzstoff herzustellen. Üblicherweise erfolgt die Verbrennung der Papier-reststoffe aber beim Papierrecycler bzw. –hersteller in dezentralen Heizkraftwerken, in denen mittels Kraft-Wärme-Kopplung Strom, Wärme und Dampf erzeugt werden. Der auf die Strom- und Wärmeerzeugung optimierte Prozess verläuft bei Temperaturen von 950°C bis 1000 °C. Dabei bilden sich aus dem amorphen Metakaolin bereits wieder inerte Verbindungen. Pro Tonne verbranntem Papierrest-stoff fallen etwa 240 kg Papierasche (PA) in Form einer Mischung aus Kessel- und Elektrofilteraschen an. Die Papierasche wird etwa zu 16 % in der Ziegel-herstellung und zu 52 % in der Rohmehlproduktion der Zementindustrie kostenpflichtig entsorgt. Mit 26 % werden große Anteile der Papierasche deponiert. Mit den Zielen der Anhebung der Verwertungsquote der Papierasche, der Re-duzierung der Entsorgungskosten und einer qualitativ höherwertigen Verwendung der Asche unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften, stehen Papieraschen im Mittelpunkt verschiedener Forschungsarbeiten.
Die in den Untersuchungen verwendete Papierasche liegt als feinkörniges Material in einem breiten Kornband mit Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 100 µm vor. In Abhängigkeit von der Materialcharge beträgt die Feststoffdichte der Asche 2,63-2,67 g/cm³ und ihre spezifische Oberfläche liegt bei 2,6-5,0 m²/g. Die Papierasche kommt mit den Anteilen der Hauptoxide von 49-59 M.-% CaO, 22-28 M.-% SiO2 und 13-14 M.-% Al2O3 der Zusammensetzung eines Portlandzements nahe, sie ist jedoch etwas kalkärmer und tonerdereicher. In Abhängigkeit von der Herstellungs- und Lagerungshistorie enthält sie zwischen 3 M.-% und 15 M.-% Freikalk (CaO). Mittels Röntgenbeugungsanalyse werden Calcit (CaCO3), Gehlenit (Ca2Al(AlSi)O7), Portlandit (Ca(OH)2) und Belit (Ca2SiO4), Quarz (SiO2) und Talk Mg3Si4O10(OH)2 als Hauptmineralphasen der Papierasche identifiziert. In einigen PA-Chargen werden zusätzlich Freikalk (CaO), Tricalciumaluminat (Ca3Al2O6) und geringe amorphe Anteile gefunden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden von der Papierasche auch hydraulische Eigenschaften erwartet, die eine Verwendung als Bindemittel allein oder Bindemittelkomponente im Gemisch mit Portlandzement oder anderen Zusatzstoffen nahe legen.
Erste Untersuchungen an der Papierasche dienten der mineralogischen, chemischen, umweltanalytischen und betontechnologischen Charakterisierung der Papierasche, von Zement-PA- und Flugasche-PA-Gemischen sowie der PA als Bodenverfestigungsmittel. Eine umfangreiche Studie befasste sich mit dem Einsatz von Papierasche als Bindemittel. Untersucht wurde die Mineralphasen- und Festigkeitsentwicklung nach einer Aktivierung mit Wasser oder 2 mol/l NaOH- bzw. KOH-Lösungen.
In einer Arbeit zur Herstellung eines zementfreien reststoffbasierten Bindemittels wurde unter anderem die CaO-reiche Papierasche als Ausgangsmaterial ausgewählt. Durch eine hydrothermale Behandlung von PA-Wasser-Gemischen mit anschließender Calcinierung wird die Asche hydraulischen aktiviert. Dabei bildet sich als Zwischenprodukt Calciumsilcathydrat (CSH), das durch die nachfolgende Calcinierung zu hydraulisch aktivem Belit dehydratisiert.
In einem anderen Anwendungspfad dient die Papierasche als alleiniger Ausgangsstoff oder als Kalklieferant im Gemisch Papierasche/Mauerwerkbruch zur Herstellung leichter Granulate mit Rohdichten von 1,5-2,0 g/cm³. Dabei erfolgt nach einer Granulierung des Ausgangsmehls eine Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1,6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre. Während des hydrothermalen Prozesses bilden sich CSH-Phasen, die die beim Granulieren vorgeprägte Mikrostruktur der Granulate weiter beeinflussen. Neben der Verwendung als leichte Gesteinskörnung wird auch eine Anwendung als Speicher-medium, Filtermaterial oder Adsorptions- bzw. Puffermittel getestet.
Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorgestellt und die Einsatzmöglichkeiten der Papierasche als Baustoff im Hinblick auf ihre technologische und nachhaltigkeitsbezogene Eignung bewertet.
Unsere Industriegesellschaft ist auf den ständigen Abbau und Verbrauch von Rohstoffen und Energie angewiesen. Der Bausektor zählt dabei zu den größten Verursachern von Stoffströmen in Deutschland. Zum einen ist das Bauen mit einem hohen Bedarf an materiellen und energetischen Ressourcen sowie finanziellen Aufwendungen verbunden. Zum anderen sind nahezu 50 % des deutschen Abfallaufkommens dem Bausektor zuzurechnen, Die Beschränktheit natürlicher Ressourcen, die zunehmenden negativen Umweltauswirkungen sowie die Verteuerung und Verknappung von Deponieraum führten in den letzten Jahren zu einem Umdenken in der Bau- und Abfallwirtschaft hin zu einer Kreislaufwirtschaft. Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sind die im Bausektor anfallenden Restmassen zukünftig möglichst einem Recycling zuzuführen. Bei der Wahl der geeigneten Recyclingoption spielen technische, ökologische und ökonomische Fragestellungen eine Rolle. Für den Bereich Mauerwerksrecycling existiert bisher keine umfassende Methodik zur ganzheitlichen Eignungsbewertung (Technik, Ökologie, Ökonomie) mit einem vertretbaren Arbeitsaufwand. Grundlegende strukturierte und strukturierende Informationen für das Recycling von Mauerwerksbruch fehlen bislang. Aus diesem Grunde wird derzeit mit dem Ziel eines möglichst hochwertigen Mauerwerksrecyclings eine umfassende und praxisorientierte Methodik entwickelt. Diese Methodik soll eine
ganzheitliche Eignungsbewertung unterschiedlicher potenzieller Recyclingbereiche für Mauerwerksbruch ermöglichen. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ansätze dieser Bewertungsmethode vorgestellt.
Aufbaukörnungen - Heterogener Bauschutt als Rohstoff für die Herstellung von Leichtgranulaten
(2011)
Materialien wie Mauerwerkbruch eignen sich als Rohstoffe zur Herstellung hochwertiger leichter Gesteinskörnungen.
Aus Mauerwerkbruch hergestellte Blähgranulate können natürlichen
Blähton ersetzen. Leichtbetone mit Blähgranulaten als Zuschlag zeigen
ähnliche Eigenschaften wie solche mit herkömmlichen Blähtönen gleicher
Roh- und Schüttdichte.
Leichte Gesteinskörnungen sind Gemenge von mehr oder weniger porösen Körnern mineralischen Ursprungs mit Kornrohdichten < 2000 kg/m³ oder Schüttdichten < 1200 kg/m³. Ihre industrielle Herstellung erfolgt oft in einem thermischen Prozess bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aus natürlichen Ausgangstoffen, wie Ton, Schiefer und anderen tonigen oder vulkanischen Gesteinen. Blähton, Blähschiefer, Vermiculit und Blähperlit sind heutzutage weit verbreitete leichte Gesteinskörnungen. Aber auch aus mineralischen Reststoffen, wie beispielsweise Glas oder Mauerwerkbruch, können durch thermisches Porosieren leichte Körnungen, wie Blähglas und RC-Granulate, erzeugt werden. Dabei müssen die jeweils eingesetzten Ausgangsstoffe bei der Prozesstemperatur einen pyro¬plastischen Zustand mit Ausbildung von Sinter- und Schmelzphasen mit geeigneter Viskosität erreichen und gleichzeitig Gas freisetzen, das zum Aufblähen und Porosieren führt. Die geblähten leichten Körnungen bilden dadurch eine heterogene, makroporöse Porenstruktur aus. Das Feststoffgerüst ist meist durch großvolumige lange Poren durchbrochen und die Gerüstwände sind von vielen kleinen Poren durchsetzt. Teilweise liegen in den geblähten Bereichen geschmolzene Oberflächenareale vor. Dabei werden die tatsächlichen mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften der verschiedenen leichten Gesteinskörnungen wesentlich von der großen Varietät der Ausgangsstoffe und den Bedingungen des Herstellungsprozesses beeinflusst.
Auf den vorherigen Workshops wurde bereits über Herstellung, Eigenschaften und Mikrostruktur von aus Mauerwerkbruch hergestellten RC-Granulaten berichtet. Dieser Beitrag stellt die Resultate der fortlaufenden Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen vor und vergleicht die Eigenschaften von RC-Granulaten und verschiedenen herkömmlichen Blähtonen. Messergebnisse aus Analysen mittels ICP-Emissionsspektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und Licht- und Elektronenmikroskopie werden diskutiert.
Leichte Gesteinskörnungen sind Gemenge von mehr oder weniger porösen Körnern mineralischen Ursprungs mit Kornrohdichten < 2000 kg/m³ oder Schüttdichten < 1200 kg/m³. Ihre industrielle Herstellung erfolgt oft in einem thermischen Prozess bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aus natürlichen Ausgangstoffen, wie Ton, Schiefer und anderen tonigen oder vulkanischen Gesteinen. Blähton, Blähschiefer, Vermiculit und Blähperlit sind heutzutage weit verbreitete leichte Gesteinskörnungen. Aber auch aus mineralischen Reststoffen, wie beispielsweise Glas oder Mauerwerkbruch, können durch thermisches Porosieren leichte Körnungen, wie Blähglas und RC-Granulate, erzeugt werden. Dabei müssen die jeweils eingesetzten Ausgangsstoffe bei der Prozesstemperatur einen pyro¬plastischen Zustand mit Ausbildung von Sinter- und Schmelzphasen mit geeigneter Viskosität erreichen und gleichzeitig Gas freisetzen, das zum Aufblähen und Porosieren führt. Die geblähten leichten Körnungen bilden dadurch eine heterogene, makroporöse Porenstruktur aus. Das Feststoffgerüst ist meist durch großvolumige lange Poren durchbrochen und die Gerüstwände sind von vielen kleinen Poren durchsetzt. Teilweise liegen in den geblähten Bereichen geschmolzene Oberflächenareale vor. Dabei werden die tatsächlichen mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften der verschiedenen leichten Gesteinskörnungen wesentlich von der großen Varietät der Ausgangsstoffe und den Bedingungen des Herstellungsprozesses beeinflusst.
Auf den vorherigen Workshops wurde bereits über Herstellung, Eigenschaften und Mikrostruktur von aus Mauerwerkbruch hergestellten RC-Granulaten berichtet. Dieser Beitrag stellt die Resultate der fortlaufenden Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen vor und vergleicht die Eigenschaften von RC-Granulaten und verschiedenen herkömmlichen Blähtonen. Messergebnisse aus Analysen mittels ICP-Emissions¬spektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und Licht- und Elektronenmikroskopie werden diskutiert.
Leichte Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch - Mikrostrukturelle und mineralogische Eigenschaften
(2015)
Bei mineralischen Bauabfällen und industriellen Reststoffen sind mit zu Heterogenität und Feinheit der Materialien auch die größten Verwertungsdefizite zu verzeichnen. Mangels geeigneter Trenn- und Sortierverfahren stellt eine stoffliche Verwertung im Prozess "Aufbaukörnungen" insbesondere für die feinen Fraktionen Alternative dar.
Die Eignung von Mauerwerkbruch mit unterschiedlichen Zusammensetzungen für die Herstellung von Aufbaukörnungen wurde nachgewiesen. Testreihen im Labor und unter Praxisbedingungen in einem Betonwerk zeigen, dass die Eigenschaften von Leichtbetonen mit Aufbaukörnungen als leichte Gesteinskörnung mit denen herkömmlicher Leichtbetone hervorragend vergleichbar sind.
Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts werden die Eignungsuntersuchungen von thermisch porosierten Leichtgranulaten für den Einsatz in Leichtbetonen -mörteln vertieft. Unter Einsatz der Leichtgranulate sollen Sonderbetone zur Herstellung von Leichtbetonelementen konzipiert werden. In Restauriermörteln und Steinersatzmassen für die Denkmalpflege sollen hingegen insbesondere die fein Leichtgranulate mit Korngrößen < 2 mm eingesetzt. werden.
Die Herstellung hydrothermal erhärteter Granulate ist eine Möglichkeit zur Wiederverwertung von ziegelhaltigem Mauerwerkbruch, der derzeit aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und hoher Feinanteile ein besonders hohes Verwertungsdefizit aufweist. Dabei ist die hydrothermale Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1.6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre eine Alternative mit geringerem Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Herstellung von Leichtgranulaten aus mineralischen Abfällen (Blähgranulate) oder Tonen und Schiefer (kommerzieller Blähton bzw. Blähschiefer), die bei Temperaturen von 1200-1300 °C im Drehrohrofen erfolgt.
Die Festigkeit der Hydrothermalgranulate entwickelt sich bei diesem Prozess durch die Ausbildung von Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln und hydratisiertem Kalk entstehen. Die so erzeugten Hydrothermalgranulate haben Rohdichten zwischen 1500 kg/m3 und 2000 kg/m3. Damit und auch durch andere Eigenschaften unterscheiden sie sich von den thermisch erhärteten Blähgranulaten bzw. Blähtonen. Ursache dafür ist letztendlich eine sehr unterschiedliche Gefüge- und Porenstruktur. Im vorliegenden Beitrag wird hauptsächlich über die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen an Hydrothermalgranulaten zusammen mit ihren technologischen Eigenschaften, wie Kornfestigkeit, Rohdichte und Wasseraufnahme, berichtet.
Synthese hydraulischer Phasen in Papierasche und Braunkohlenflugasche durch hydrothermale Behandlung
(2015)
Reststoffe aus industriellen Filter- und Verbrennungsprozessen, die in ihren Hauptbestandteilen aus Si02- und CaO-reichen Mineralphasen bestehen, besitzen das Potential hydraulische Eigenschaften auszubilden. Das bedeutet, dass sie in Anwesenheit von Wasser oder alkalischen Lösungen festigkeitsbildende Phasen entwickeln. Oft bedarf es zunächst einer Aufbereitung um die hydraulischen Mineralphasen zu aktivieren. Hydraulische Phasen sind z.B. die Calciumsilikate Alit (C3S) und Belit (C2S). Sie unterscheiden sich vorrangig durch ihr Ca/Si-Verhältnis. Im Allgemeinen hydratisiert Belit langsamer als Alit und das Hydratationsprodukt weist nach 28 Tagen eine geringere Festigkeit auf. Zur Herstellung von Belit wird weniger Calciumoxid benötigt als zur Herstellung von Alit. Daher muss weniger CaC03 kalziniert werden und der C02-Ausstoß bei der Produktion verringert sich. Zur Synthese von hydraulisch aktivem Belit kann eine hydrothermale Aufbereitung dienen. Verschiedene Autoren nutzten diese Behandlung zur Aktivierung verschiedener Reststoffe, wobei sich CaO-reiche Asche aus der Energieerzeugung (z.B. Braunkohlenflugasche) als sehr geeignet erwies, Papierasche (PA) aus dem Papierrecyling besitzt ebenfalls einen hohen CaO-Gehalt und ist Bestandteil der aktuellen Bindemittelforschung auf Reststoffbasis. Die Untersuchung einer hydrothermalen Aktivierung fehlt bisher. Dieser Artikel soll einen Beitrag zur Klärung der folgenden Fragen leisten: Eignet sich Papierasche zur Belitsynthese durch hydrothermale Behandlung? Wie entwickeln sich die Mineralphasen im Vergleich zur Braunkohlenflugasche?
Mikrostrukturelle und mineralogische Eigenschaften leichter Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch
(2015)
Poröse RC-Leichtgranulate mit Rohdichten zwischen 600 kg/m³ und 1400 kg/m³ können nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess durch thermische Erhärtung bei 1180 °C aus ziegelhaitigern Mauerwerkbruch hergestellt werden. Diese Granulate erfüllen die Anforderungen an leichte Gesteinskörnungen nach DIN EN 13055 und es lassen sich damit Leichtbetone nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 herstellen. Ihre Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschatten sind mit denen herkömmlicher Leichtbetone mit Blähtonkörnungen sehr gut vergleichbar. Das ist das Fazit aus dem in den letzten Jahren durchgeführten Verbundforschungsvorhaben "Aufbaukörnungen". Um jedoch die Granulatentstehung bzw. den Vorgang der Porosierung besser verstehen, den Herstellungsprozess optimieren und die Eigenschaften der Granulate maßschneidern zu können, wurden zusätzlich zu den makroskopischen Charakteristika, wie beispielsweise Porosität und Wasseraufnahme, die chemisch-mineralogischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Leichtgranulate untersucht. Dazu dienten Analysen mittels ICP-Emissionsspektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und mikroskopischen Verfahren. Im Beitrag wird über die Ergebnisse der Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen an Leichtgranulaten im Vergleich zu herkömmlichem Blähton berichtet.
Das Forschungsprojekt "RC-Leichtgranulate" umfasst die Optimierung des Herstellungsprozesses von Leichtgranulaten aus heterogenen und teilweise feinkörnigen Bau- und Abbruchabfällen und Applikationsuntersuchungen dieser Granulate. Aufgrund der großen Verwertungsdefizite von Mauerwerkbruch im Vergleich zu Betonbruch, wird das Hauptaugenmerk auf den Einsatz von Mauerwerkbruch als Ausgangsmaterial für die Leichtgranulate gelegt. Dabei wird das Rohstoffpotential des Mauerwerkbruchs genutzt, das heißt die chemisch-mineralogische Zusammensetzung des Ausgangsmaterials ist von entscheidender Bedeutung. Die Produktion der Leichtgranulate erfolgt durch einen mehrstufigen Herstellungsprozess mit abschließender thermischer Erhärtung.
Die Leichtgranulate sollen sowohl im Beton als auch in Spezialmörteln in der Denkmalpflege Anwendung finden. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem Einsatz von RC-Leichtgranulaten mit Korngrößen kleiner als 2 mm in Restauriermörteln und Steinersatzmassen. In einem ersten Schritt wird eine für Restauriermörtel entwickelte Basismischung mit Natursand im Hinblick auf den Einsatz leichter Gesteinskörnungen modifiziert. Ziel ist es, einen gut verarbeitbaren Leichtmörtel herzustellen, der aber Ähnliche Festigkeiten wie die Basismischung erreicht. Die Anforderungen an die Mörtel, die Mischungszusammensetzungen und die Ergebnisse aus den Frisch- und Festmörtelprüfungen werden vorgestellt.
Recycling von Mauerwerkbruch
(2015)
Das Projektziel bestand in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichter Gesteinskörnung für Beton und Mörtel aus ziegelhaltigen Bau- und Abbruchabfällen durch thermische Porosierung. Hierzu erfolgte nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess eine thermische Stabilisierung der RC-Granulate (RCG). Nach Laborversuchen wurden RCG im halbtechnischen Maßstab hergestellt. Als Ausgangsmaterial dienten Mauerwerkbruch bzw. Gemische aus Mauerwerkbruch und Ton. Dabei wurde die gesamte Prozesskette vom Granulieren der Ausgangsmehle bis zur thermischen Behandlung im Drehrohrofen in einem Produktionsschritt dargestellt. Die erzeugten RCG sind mit Rohdichten zwischen 780 und 1800 kg/m³ leichte Gesteinskörnungen. In den Applikationsuntersuchungen erfolgte eine vollständige Verwertung des gesamten beim Brennprozess entstehenden Materials, von den Körnungen kleiner 2 mm für leichte Steinergänzungsmörtel (Leichtmörtel) bis zu den Körnungen 2-8 mm für Leichtbeton. Die RCG und die damit erzeugten Betone wurden umfangreich charakterisiert. Die Leichtbetone mit RCG wurden abschließend in Applikationsversuchen eingesetzt.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der hauptsächlich aus Beton- und Mauerwerkbruch besteht. Dabei nehmen die Verwertungs- und Recyclingquoten bei den bereits etablierten herkömmlichen Einsatzgebieten für aufbereitete Bau- und Abbruchabfälle mit zunehmender Heterogenität des Materials ab. Ein höherwertiges Recycling mit dem Ziel das aufbereitete Material beispielsweise in Betonprodukten einzusetzen erfolgt heute in Deutschland lediglich im Rahmen von Pilotprojekten. So können die groben Körnungen des Betonbruchs als rezyklierte Gesteinskörnung im Beton eingesetzt werden. Besonders eingeschränkte Verwertungsmöglichkeiten liegen für Mauerwerkbruch vor, einem Gemisch aus Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Mörtel, Natursteinen und anderen mineralischen Bestandteilen. Die Ursache hierfür ist neben der heterogenen Zusammensetzung des Materials auch dessen feine Kornverteilung, die durch den bei der mechanischen Aufbereitung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Gemischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfraktionen ein bewährter Ansatz. Während Metalle mittels Band- und Wirbelstromabscheidern und leichte Fremdbestandteile über Windsichtung und Dichtesortierung ausgetragen werden können, ist eine Trennung der Materialien Ziegel, Mörtel und Beton, insbesondere für die feinen Fraktionen, derzeit technologisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar.
Ein rohstoffliches Recycling dieser heterogen zusammengesetzten Abfälle unter Nutzung ihrer chemisch-mineralogischen Zusammensetzung ohne eine vorherige Trennung in die einzelnen Materialfraktionen bietet sich als Alternative an. Ergebnisse zur Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch und Tonen in einem thermischen Prozess ähnlich der Blähtonherstellung wurden bereits mehrfach veröffentlicht. Diese Recycling-Granulate (RCG) könnten unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden.
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen können in einem hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess poröse Körnungen (Hydrothermalgranulate HTG) hergestellt werden. Die Erhärtung der HTG erfolgt dabei in einem Autoklav bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der HTG entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln (SiO2) und Kalk (CaO) entstehen. SiO2-Lieferant ist ziegelhaltiger Mauerwerkbruch, der als Hauptmineralphase Quarz enthält. Papierasche kann mit ihren Anteilen an Freikalk und anderen reaktive Calciumverbindungen als Kalkersatz dienen. Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen werden die Eigenschaften der Reaktionsprodukte gezielt gesteuert. Die HTG haben Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³. Ihr Gefüge ist durch ein eher ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Diese Porenstruktureigenschaften legen eine Anwendung der HTG als Filter- oder Speichermaterial nahe. Sie können natürliche Rohstoffe, wie Bims, Lavasand und fluviale Sande, aus Primärrohstoffen hergestellte Produkte, wie Blähton, Keramik und Aktivkohle, sowie erdölbasierte Kunststoffadditive ersetzen, wobei die typischen Filter- und Speichereigenschaften der herkömmlichen Produkte nahezu erreicht werden. Dadurch wird einerseits für Reststoffe, die gegenwärtig ein hohes Verwertungsdefizit aufweisen, eine hochwertige Wieder- bzw. Weiterverwertungsmöglichkeit geschaffen und die Abfallmenge vermindert. Andererseits erfolgt eine Schonung von knapper werdenden natürlichen mineralischen Rohstoffen und Erdöl. In einem Forschungsprojekt werden derzeit die technischen Möglichkeiten der hydrothermalen Herstellung von leichten porösen Körnungen aus Mauerwerkbruch, Kalk und Papierasche sowie die Anwendung der HTG als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung und als Wasserreservoir in Substraten von Pflanzwänden und zur inneren Nachbehandlung hochfester Betone systematisch untersucht. Der Beitrag berichtet insbesondere über die experimentelle Entwicklung der hydrothermalen Synthesestrategie, die nachfolgende Charakterisierung der HTG und die Beziehungen zwischen Gefügekennwerten und technischen Eigenschaften der Körnungen.
In Deutschland fallen jährlich 20 Millionen Tonnen Altpapier an. 75 % davon werden dem Recyclingprozess zugeführt. Dabei bleiben Prozessrückstände wie Deinkingschlämme, Sortierrückstände und Faserreststoffe übrig. Zusammengefasst als Papierschlamm verwerten die Recycler diesen Reststoff thermisch in dezentralen Heizkraftwerken. Die dabei anfallende Papierasche hat mit den Anteilen der Hauptoxide von 59 M.-% CaO, 22 M.-% SiO2 und 13 M.-% Al2O3 eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie Portlandzement, wobei sich die Mineralphasen unterscheiden. Durch eine Aktivierung der Papierasche können jedoch hydraulisch aktive Phasen wie Mayenit (C7A12) und Belit (C2S) erzeugt werden. Die Mineralphase Mayenit reagiert schnell mit Wasser zu Calciumaluminathydraten, wodurch der Bindemittelleim schnell ansteift. Die festigkeitsbildenden Calciumsilicathydrate (CSH) in Bindemittelleimen entstehen bei einer späteren Reaktion von Belit mit Wasser.
Zur Aktivierung dient eine hydrothermale Calcinierung. Dabei wird Papierasche mit einer Aktivatorlösung (Wasser oder KOH) gemischt und bei 200 °C hydrothermal behandelt, wobei sich Hydratphasen ausbilden. Diese Zwischenprodukte dehydratisieren durch eine anschließende Calcinierung zu reaktiven Calciumsilicaten und Calciumaluminaten. Wie sich die Parameter des Aktivierungsprozesses auf die Mineralphasen auswirken, war Fokus der Untersuchungen. Mit thermogravimetrischen Analysen der Zwischenprodukte konnten die Reaktionsprodukte nach dem hydrothermalen Prozessschritt bestimmt werden. Den größten Einfluss auf den Mineralphasenbestand hat hierbei die Alkalität der Aktivatorlösung. Im zweiten Prozessschritt, der Calcinierung, ist die Temperatur der wesentliche Faktor für die Ausbildung reaktiver Phasen. Die Ergebnisse kalorimetrischer Untersuchungen an Leimen aus den calcinierten Proben dienten der Auswahl der optimalen Calcinierungstemperatur. Die gesamte Reaktionswärme war für die Proben, welche bei einer Calcinierungstemperatur zwischen 700-800 °C hergestellt wurden, am höchsten.
Sortierrückstände, Faserreststoffe und Schlämme aus der Altpapieraufbereitung und dem Deinking werden gegenwärtig entweder deponiert oder einer energetischen Verwertung zugeführt. Es gibt Bemühungen, die Reststoffe kontrolliert bei Temperaturen zwischen 700 °C und 800 °C zu calcinieren, um dadurch direkt einen metakaolinhaltigen puzzolanisch wirkenden Zementbestandteil oder Betonzusatzstoff herzustellen. Üblicherweise erfolgt die Verbrennung der Papierreststoffe aber beim Papierrecycler bzw. –hersteller in dezentralen Heizkraftwerken, in denen mittels Kraft-Wärme-Kopplung Strom, Wärme und Dampf erzeugt werden. Der auf die Strom- und Wärmeerzeugung optimierte Prozess verläuft bei Temperaturen von 950°C bis 1000 °C. Dabei bilden sich aus dem amorphen Metakaolin bereits wieder inerte Verbindungen. Pro Tonne verbranntem Papierreststoff fallen etwa 240 kg Papierasche (PA) in Form einer Mischung aus Kessel- und Elektrofilteraschen an. Die Papierasche wird etwa zu 16 % in der Ziegelherstellung und zu 52 % in der Rohmehlproduktion der Zementindustrie kostenpflichtig entsorgt. Mit 26 % werden große Anteile der Papierasche deponiert. Mit den Zielen der Anhebung der Verwertungsquote der Papierasche, der Reduzierung der Entsorgungskosten und einer qualitativ höherwertigen Verwendung der Asche unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften, stehen Papieraschen im Mittelpunkt verschiedener Forschungsarbeiten.
Die in den Untersuchungen verwendete Papierasche liegt als feinkörniges Material in einem breiten Kornband mit Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 100 µm vor. In Abhängigkeit von der Materialcharge beträgt die Feststoffdichte der Asche 2,63-2,67 g/cm³ und ihre spezifische Oberfläche liegt bei 2,6-5,0 m²/g. Die Papierasche kommt mit den Anteilen der Hauptoxide von 49-59 M.-% CaO, 22-28 M.-% SiO2 und 13-14 M.-% Al2O3 der Zusammensetzung eines Portlandzements nahe, sie ist jedoch etwas kalkärmer und tonerdereicher. In Abhängigkeit von der Herstellungs- und Lagerungshistorie enthält sie zwischen 3 M.-% und 15 M.-% Freikalk (CaO). Mittels Röntgenbeugungsanalyse werden Calcit (CaCO3), Gehlenit (Ca2Al(AlSi)O7), Portlandit (Ca(OH)2) und Belit (Ca2SiO4), Quarz (SiO2) und Talk Mg3Si4O10(OH)2 als Hauptmineralphasen der Papierasche identifiziert. In einigen PA-Chargen werden zusätzlich Freikalk (CaO), Tricalciumaluminat (Ca3Al2O6) und geringe amorphe Anteile gefunden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden von der Papierasche auch hydraulische Eigenschaften erwartet, die eine Verwendung als Bindemittel allein oder Bindemittelkomponente im Gemisch mit Portlandzement oder anderen Zusatzstoffen nahe legen.
Erste Untersuchungen an der Papierasche dienten der mineralogischen, chemischen, umweltanalytischen und betontechnologischen Charakterisierung der Papierasche, von Zement-PA- und Flugasche-PA-Gemischen. Anschließende Studien befassten sich mit dem Einsatz von Papierasche als Zementzumahlstoff, Zusatz in erdfeuchten Betonen und als Bodenverfestigungsmittel.
Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorgestellt und die Einsatzmöglichkeiten der Papierasche als Baustoff im Hinblick auf ihre technologische und nachhaltigkeitsbezogene Eignung bewertet.