Circular Economy
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (20)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (14)
- 7 Bauwerkssicherheit (14)
- 7.4 Baustofftechnologie (10)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (6)
- 7.1 Baustoffe (4)
- 7.2 Ingenieurbau (1)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (1)
- 8.3 Thermografische Verfahren (1)
Infrared thermography using a focused (spot or line) beam has proved to be effective for detection of surface breaking cracks on planar samples. In this work, we use the same principle, but applied to complex shaped components, like a rail section, a gear, and a gas turbine blade. We use a six-axis robot arm to move the sample in front of our thermographic setup. Several scanning paths and thermographic parameters are explored: scanning speed, density of points in each scanning slice, laser power and camera frame-rate. Additionally, we explore semi-automatic evaluation algorithms for crack detection, as well as 2D-to-3D registration of the found indications.
Im Jahr 2020 fielen in Deutschland rund 220 Millionen Tonnen mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die als Sekundärrohstoffquelle genutzt werden können. Trotz hoher Recyclingquoten wird ein Teil der mineralischen Bau- und Abbruchabfälle immer noch deponiert oder in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, da ein effektives Recycling dieser heterogenen Abfälle recht kompliziert ist. Bauschutt ist ein heterogener, SiO2-reicher Sekundärrohstoff, der sich aus einem Gemisch verschiedener abgebrochener Baumaterialien wie Ziegel, Betonfertigteile, Leichtbeton, Porenbeton, Kalksandsteine, Natursteine, Gips und Mörtel zusammensetzt. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Abbruchstelle, der Vorsortierung und der Wiederaufbereitung in der Recyclinganlage ab. Eine direkte Wiederverwendung als rezyklierte Gesteinskörnung ist aufgrund der uneinheitlichen Zusammensetzung und des bis zu 50 %igen Feinanteils nach der mechanischen Aufbereitung nicht zulässig. Eine Möglichkeit, Mauerwerksschutt effektiv zu recyceln, ist die rohstoffliche Verwertung über ein chemisch-hydrothermales Umwandlungsverfahren, das poröse Granulate erzeugt. Durch die Porenstruktur dieser hydrothermal gehärteten Granulate ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Wasserspeichermaterial, die über den Bausektor hinausgehen. Diese neuartigen Granulate können leichte Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs (z. B. Lavasand, Bimsstein) oder Körner aus natürlichen Rohstoffen (z. B. Blähton) ersetzen. Die neue Recyclingstrategie spart natürliche Ressourcen. Im Vergleich zur Herstellung von Blähton ist der Energieverbrauch wesentlich geringer. Ziel des Verbundprojektes HYTEGRA war die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen. Als Rohstoffe wurden Mauerwerksschutt als SiO2-Quelle und Papierasche aus der energetischen Verwertung von Reststoffen der Altpapierverwertung als CaO-Quelle eingesetzt. Der komplette Prozess von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung über die Bildung des Grüngranulats bis zur hydrothermalen Härtung wurde entwickelt und im Labormaßstab getestet. Die Anwendungen des hydrothermal gehärteten Granulats als Wasserspeichermaterial für die innere Nachbehandlung von hochfestem Beton, Pflanzensubstrat und Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung wurden untersucht. Der Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Verbundforschungsprojekts HYTEGRA.
Heterogeneous construction and demolition waste can be used as raw material to produce lightweight aggregates (LWA) similar to expanded clays. In the joint research project “REALight”, LWA were produced from masonry rubble in a thermal expanding process using a pilot production plant with a rotary kiln. Our research focuses on the characterisation of the novel LWA and their use in different hydraulically bound applications.
Infra-lightweight concrete (ILC) was produced with the novel LWA, which accounts for two thirds of total aggregate volume, and Celitement, which is a hydraulic binder with a low carbon footprint. Its dry bulk density is ≤ 800 kg/m³. Strength and durability properties are comparable to ILC data from the literature.
Lime-based repair mortars (LRM) containing LWA are beneficial for sandstone conservation due to their similar properties regarding porosity, water absorption and strength. A two-layer repair mortar system, which consists of a filling mortar to fill large voids and a covering mortar to modulate the surface texture to the historic sandstone, was developed.
In our contribution, we present results of the LWA characterisation according to the European standard EN 13055:2016. Requirements and challenges of the use of the novel LWA in ILC and LRM are discussed.
Even after autoclaving for 2 weeks in the temperature range of 120 to 200 °C, CEM I paste with a water-to-cement ratio of 0.5 still contains some low-crystalline C-S-H. The conversion of low-crystalline C-S-H to crystalline is faster with increasing temperature. The observed low-crystalline and crystalline C-S-H phases (reinhardbraunsite, jaffeite) indicate that the sampleshave not reached equilibrium yet under these experimental conditions. However, there is a good agreement between experiment and thermodynamic modelling for the other solids indicating that the used datasets are suitable for this application.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung enthalten eine Vielzahl von Schwermetallverbindungen. Für Antimon, Chrom, Kupfer, Molybdän und Vanadium werden in der neuen Ersatzbaustoffverordnung (Bundesregierung, 2021) Eluatgrenzwerte für die Verwertung festgelegt. Aschen und Schlacken werden aus der Abfallverbrennungsanlage nass ausgetragen und vor einer Verwertung in der Regel mehrere Wochen gelagert. Dabei finden hydraulische Reaktionen statt und enthaltenes CaO wird zu einem Großteil in Calciumcarbonat umgewandelt. Während wässrige Eluate von frischen Aschen pH-Werte von 12 und höher aufweisen, sind die Eluate nach einigen Wochen weniger stark alkalisch. Die gemessenen Schwermetallkonzentrationen sind daher dann auch deutlich niedriger, mit Ausnahme von Antimon (Sb) und Vanadium (V). Hier steigen die Konzentration mit der Lagerungsdauer. Grund sind sinkende Konzentrationen von Ca-Ionen, die sonst zu einer Ausfällung von Antimonaten und Vanadaten führen. Zu hohe Eluatwerte von Sb und V können jedoch durch Sorption an Eisenoxidverbindungen gemindert werden. Dazu wurden Sorptionsexperimente mit verschiedenen Eisenoxidverbindungen durchgeführt.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Aschen und Schlacken und aus der Abfallverbrennung, chemische und mineralogische Zusammensetzung
(2022)
Aschen und Schlacken sind mengenmäßig der wichtigste Reststoffstrom in der thermischen Abfallbehandlung. Die enthaltenen elementaren Metalle werden mit gängigen Verfahren abgetrennt und einer Verwertung als Sekundärrohstoff zugeführt. Durch die chemische und mineralogische Zusammensetzung der mineralischen Fraktion wird das Umweltverhalten sowie die abfallrechtliche Einstufung bestimmt. Methoden zur Ermittlung der Einstufung werden vorgestellt. Das Löslichkeitsverhalten von Schwermetallen in gealterten Aschen hängt meist vom pH-Wert in den standardisierten Auslaugtests ab. Das davon abweichende Verhalten von Antimon wird detailliert beschrieben.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturally used sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too.
Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal Shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future.
At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nutrient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Die Bemessung von tragendem Lehmmauerwerk erfolgt in Deutschland auf Basis der Lehmbau Regeln. Das dort verankerte Nachweisverfahren beruht auf einem globalen Sicherheitskonzept, welches aus zuverlässigkeitstheoretischer Sicht nicht mehr dem Stand der Technik entspricht. Auf Grund dessen wird das Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) voraussichtlich 2023 außer Kraft gesetzt. Ein statischer Nachweis von tragenden Lehmbauten wäre in Deutschland dann ausschließlich mit einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) oder vorhabenbezogener Bauartgenehmigung (vBg) möglich. Beides ist mit erheblichem Mehraufwand und höheren Kosten verbunden, was für den Lehmmauerwerksbau einen entscheidenden Nachteil im Vergleich zum konventionellen Mauerwerksbau darstellt. Um eine unkomplizierte Praxisanwendung von Lehmmauerwerk zu ermöglichen, werden innerhalb eines Forschungsvorhabens, welches von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), dem Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt sowie dem Ingenieurbüro ZRS durchgeführt wird, auf Basis der Produktnormen für Lehmsteine und Lehmmauermörtel Grundlagen für ein aktualisiertes Bemessungskonzept entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird ebenfalls untersucht, inwiefern die Bemessungsregeln nach den vereinfachten Berechnungsmethoden für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN EN 1996-3 / NA auf den Lehmmauerwerksbau übertragbar sind. Falls eine Anwendung des normativen Nachweisverfahrens bei Lehmmauerwerk möglich ist, wäre zukünftig eine Aufnahme von Lehmsteinen und Lehmmauermörtel in den nationalen Anhang des Eurocode 6 denkbar, was eine bedeutsame Erweiterung des Anwendungsbereichs von Lehmmauerwerk zur Folge hätte.
Diverse wissenschaftliche Untersuchungen konnten zeigen, dass bemessungsrelevante Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Lehmmauerwerksbaustoffen stark von der vorherrschenden Materialfeuchte abhängen, welche im hygroskopischen Wassergehaltsbereich im Wesentlichen von der relativen Luftfeuchte (RLF) bestimmt wird. Auch die Zwischenergebnisse des laufenden Forschungsvorhabens zur Entwicklung eines Bemessungskonzepts für Lehmmauerwerk ergaben eine deutlich erkennbare Abhängigkeit zwischen der Materialfeuchte und den relevanten Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Eine detaillierte Kenntnis des feuchteabhängigen Materialverhaltens von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk ist zwingend erforderlich, um ein konsistentes und zuverlässiges Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk zu entwickeln. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojektes werden deshalb umfangreiche Versuche zum Drucktragverhalten von Lehmsteinen und -mörtel sowie Lehmmauerwerk nach Konditionierung bei unterschiedlichen RLF durchgeführt und analysiert. Weiterhin werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse numerische Modelle kalibriert, welche die detaillierte Analyse der Biegedrucktragfähigkeit von Lehmmauerwerk ermöglichen.
In diesem Beitrag werden zunächst die bisherigen Zwischenergebnisse bezüglich der experimentell ermittelten feuchteabhängigen Materialkennwerte von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk dargelegt. Darauf aufbauend werden numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Systemtragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter Feuchteeinflusses durchgeführt und erläutert.