Circular Economy
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Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mög-liche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorha-ben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschla-cken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelz-flüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedin-gungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mögliche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorhaben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschlacken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelzflüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedingungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
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.
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 in hochwertigen 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 Prozentbedingt 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) sollen unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden. Gegenstand dieses Beitrags sind Ergebnisse aus dem Verbundforschungsprojekt „RC-Leichtgranulate“ zum Einsatz der RCG in Leichtbeton.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der haupt-sächlich 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 in hochwertigen 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 Aufberei-tung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Ge-mischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfrak-tionen 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) sollen unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden. Gegenstand dieses Beitrags sind Ergebnisse aus dem Verbundforschungsprojekt „RC-Leichtgranulate“ zum Einsatz der RCG in Leichtbeton.
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.
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.
Jährlich fallen in Deutschland etwa 75 Mio. t mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die eine vielfältig einsetzbare sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Trotz hoher Verwertungsquoten werden Bau- und Abbruchabfälle zum Teil deponiert oder nur in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, weil geeignete hochwertige Verwertungswege für solche sehr heterogen zusammengesetzte Körnungen mit hohem Feinanteil fehlen. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes SiO2-reiches Gemisch aus Ziegel-, Beton- und Leichtbeton-, Kalksandstein- und Porenbetonbruch sowie Putz- und Mörtelanhaftungen. Die uneinheitliche Zusammensetzung und mehr als 50 % Feinanteile durch die mechanische Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als rezyklierte Gesteinskörnung. Eine Möglichkeit der effektiven Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate entstehen. Aus den Eigenschaften der Hydrothermalgranulate, insbesondere ihrer Porenstruktur, ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Speichermaterial, d. h. auch in Bereichen, die über den Bausektor hinausgehen. Hierbei können die Granulate Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs, z. B. Lavasand und Bims, oder aus natürlichen Rohstoffen hergestellte Körnungen, z. B. Blähtone, ersetzen. Somit wird ein Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen und zur Energieeinsparung im Vergleich zur Blähtonherstellung geleistet.
Ziel des ZIM-Kooperationsprojekts „HYTEGRA – Hydrothermalgranulate“ war die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch die hydrothermale Behandlung eines Gemischs quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienten ziegelhaltiger Mauerwerkbruch als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Die vollständige Prozesskette von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung der Reststoffe über die Formgebung der Grüngranulate bis zur hydrothermalen Härtung der Leichtgranulate wurde im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Anwendung der Hydrothermalgranulate als Speichermaterial zur inneren Nachbehandlung von Beton und als Pflanzsubstrat sowie als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung wurde untersucht.
Im Vortrag wird ein Überblick über die Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Projekts „HYTEGRA“ gegeben.
Jährlich fallen in Deutschland ca. 56 Mio. t mineralischer Bauschutt an, der eine vielfältig einsetzbare sekundäre Rohstoffquelle darstellt. Trotz hoher Verwertungsquoten werden Bau- und Abbruchabfälle zum Teil deponiert, weil geeignete und rentable Verwertungswege fehlen. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes SiO2-reiches Gemisch aus Ziegel, Beton- und Leichtbetonsteinen, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel. Die un-einheitliche Zusammensetzung und mehr als 50 % Feinanteile durch die mechanische Aufbereitung verhindern meist eine unmittelbare Wiederverwertung als RC-Gemisch. Eine Möglichkeit der effektiven Verwertung von Mauerwerkbruchmehlen stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate entstehen. Aus den Granulateigenschaften, insbesondere der Porenstruktur, ergeben sich Anwendungen als Filter- oder Speichermaterial, d. h. auch in Bereichen, die über den Bausektor hinausgehen. Hierbei können die Granulate leichte Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs, z. B. Lavasand oder Blähtone, ersetzen und somit einen Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen leisten.
Im Fokus des aktuellen ZIM-Projekts HYTEGRA steht die Entwicklung eines solchen hydrothermalen Herstellungsprozesses und die umfassende Charakterisierung der hergestellten Hydrothermalgranulate. Als sekundäre Rohstoffquelle wird neben SiO2-reichem Mauerwerkbruch aus Bau- und Abbruchabfällen auch CaO-reiche Papierasche eingesetzt. Die-se Asche aus dem Altpapierrecycling weist ebenfalls ein erhebliches Verwertungsdefizit auf. Ihr Freikalk ermöglicht den Einsatz als Kalksubstitut. Die Herstellung der Hydrothermalgranulate erfolgt in einem mehrstufigen mechanischen Prozess mit abschließender hydrothermaler Behandlung. Das konventionell mechanisch aufbereitete Abbruchmaterial (RC-Gemisch < 32 mm) wird mittels Kugelmühle zu einem Mehl (< 120 µm) verarbeitet, welches im Intensivmischer unter Zugabe von Kalk und Wasser granuliert wird. Die Härtung der Grüngranulate erfolgt hydrothermal unter erhöhtem Druck in gesättigter Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 200 °C. Während des Härtungsprozesses bilden sich aus Quarz (SiO2), Kalk (CaO) und Wasser Calciumsilicathydrat-Phasen, die für die benötigte Festigkeit und Porosität der Hydrothermalgranulate sorgen. Durch die Variation der Syntheseparameter Temperatur, Druck, Zeit und SiO2-CaO-Mischungsverhältnis während der hydrothermalen Härtung, aber auch durch die Prozessführung der Granulierung, wird die Variation und gezielte Einstellung der Eigenschaften der Hydrothermalgranulate ermöglicht. In Kooperation mit Industriepartnern werden die hergestellten Hydrothermalgranulate in verschiedenen Applikationsbereichen getestet, z.B. in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung sowie als temporärer Wasserspeicher zur inneren Nachbehandlung von hochfestem Beton und in Pflanzsubstraten.
Im Tagungsbeitrag wird das Projekt HYTEGRA vorgestellt, insbesondere der hydrothermale Verwertungsweg unter Verwendung von Mauerwerkbruch und Papierasche im Labor- und Technikumsmaßstab sowie die Anwendung der hergestellten porösen Granulate als Filter- und Speichermaterial.
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.