Autoklave Reaktionsprozesse und Härtungspotential von Fein- und Feinstsanden aus Baustoffrezyklaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im durchgeführten Forschungsprojekt wurde ein technisch nutzbares Härtungspotenzial von Feinsanden aus mineralischem Bauschutt nachgewiesen. Brechsande aus Bauschuttrezyklaten wie auch industrielle Nebenprodukte führen meist mit einem Kalkzusatz von bis zu 10 M.-% und anschließender Formgebung und Härtung in einem Autoklaven zu festen und dauerhaften Produkten für bautechnische Nutzung, z. B. als Mauersteine. Durch gezielte Kombination von Brechsanden unterschiedlicher Rezyklate ist auch die Herstellung von festen Bauprodukten möglich ganz ohne Zusatz von Bindemitteln wie Kalk, indem das Härtungspotenzial der Abfallprodukte selbst in einem autoklaven Prozess aktiviert wird. Besonders interessant als Rezyklat sind Betonbrechsande. Sie bestehen im Wesentlichen aus natürlicher und zumeist quarzitischer feiner Gesteinskörnung sowie der Zementsteinmatrix, die neben atmosphärisch hydratisierter CSH-Phasen auch Portlandit (Ca(OH)2) enthält. Durch die alleinige Verwendung von Betonbrechsanden lassen sich mit technisch und energetisch geringem Aufwand Bauprodukte herstellen, z.B. Wandbaustoffe, die durch Neu- und Umkristallisationsprozesse während einer autoklaven Härtung Festigkeiten bis zu 18 N/mm2 erreichen. Im Vorhaben konnte weiterhin erstmals gezeigt werden, dass autoklav gehärtete Produkte aus Betonbrechsand, die mit vorhandener Technologie nach dem Vorbild derCalcium-Silikatsteine hergestellt wurden, eine sehr gute Dauerhaftigkeit aufweisen. Die der autoklaven Härtung zugrunde liegenden Reaktionsabläufe im Betonbrechsand sind denen der Calcium-Silikatsteinfertigung vergleichbar. Neue Erkenntnisse wurden gewonnen zu gefügespezifischen lokalen Besonderheiten, die den Ansatzpunkt für Optimierungen der Materialeigenschaften in einer späteren industriellen Fertigung darstellen. Hierzu zählen das Aufwachsen von Kristallen auf die gesamte Oberfläche der Brechsandkörner, insbesondere aber der Matrixoberfläche, ohne dass eine fortschreitende Lösung des Untergrundes zur Überhärtung führt, wie es zum Teil bei Calcium-Silikatsteinen nach überlanger Härtung beobachtet wird. Durch Umkristallisation in der Matrix wird hingegen ein inniger Verbund zwischen Matrixoberfläche und den Phasenneubildungen erreicht. Der gleiche Prozess führt außerdem zu einer festen Einbindung von Gesteinskörnungen, die in Betonbrechsandkörnern eingebunden sind. Die Aufkristallisation auf der Betonbrechsandoberfläche führt zu einer Verzahnung der einzelnen Körner untereinander, sie ist die Grundlage für die technisch nutzbare Festigkeitsausbildung in den autoklav gehärteten Produkten. Während die Phasenneu- und Phasenumbildungen der Aufkristallisation zur Verfestigung führen, kann im Korninnern die bekannte Entfestigung der Zementsteinmatrix unter autoklaven Bedingungen auftreten. Dieser Effekt wurde anhand der mechanischen Prüfungen erfasst und mittels Strukturuntersuchung und mikroskopischer Analyse die ursächliche Strukturvergröberung beschrieben, die als Folge innerer Phasenumbildungen in der Matrix auftritt. Die Entfestigung der Matrix wirkt der Verfestigung an den Korngrenzen entgegen. Beide Prozesse, die Aufkristallisation und die innere Neu- bzw. Umkristallisation, erfolgen parallel während der autoklaven Härtung. Dabei läuft die Verfestigung durch Phasenneu- und Phasenumbildung schneller ab als die Entfestigung der Zementsteinmatrix. Dies erlaubt eine Optimierung der Autoklavhärtung über die Prozessführung. Die vorgeschlagene Technologie bietet einen viel versprechenden Verwertungsweg für derzeit problembehaftete Abfallstoffe, wobei die Fertigung von Recyclingprodukten gänzlich aus Abfallstoffen ebenso möglich ist wie die teilweise Substitution primärer Rohstoffe durch Abfallstoffe. Neben der so möglichen Schonung knapper werdender Deponiekapazität können bislang als Abfallstoff betrachtete Sekundär-Rohstoffe auf hohem Niveau wieder eingesetzt werden. Dabei sind nur geringe Mengen an Bindemittel notwendig bzw. der Abfallstoff kann das Bindemittel ersetzen. Die Forschungsstellen erarbeiteten sich auf Grundlage des Forschungsvorhabens vertiefte Erkenntnisse und Fähigkeiten über die Entwicklung autoklav gehärteter Baustoffe. Aufbauend auf diese Erkenntnisse werden derzeit drei unterschiedliche Wege weiter verfolgt, speziell die im Vorhaben gewonnen Ergebnisse umzusetzen bzw. weiter zu vertiefen. Ziel aller Arbeiten ist die Entwicklung neuer autoklav gehärteter Baustoffe unter Verwendung von Abfällen aus dem Bausektor aber auch aus anderen Industriezweigen. Auf den Arbeiten aufbauend wird an der MPA Bremen seit dem 01. Oktober 2006 ein neues Forschungsprojekt (FV 182) mit dem Thema: "Neue Verwertungswege für Stahlwerksschlacken: Entwicklung von hydrothermal gehärteten Bauprodukten" bearbeitet, das gefördert wird durch das Land Bremen aus dem Ökologiefonds/Förderprogramm Angewandte Umweltforschung. Im neuen Vorhaben werden LD-Schlacken, die in den Bremer Stahlwerken in großen Mengen anfallen, u. a. kombiniert mit Brechsanden aus Baustoffrezyklaten. Die Stoffgemische werden vorzugsweise so zusammengestellt, dass die für die festigkeitsbildenden autoklaven Reaktionen erforderlichen Bestandteile enthalten sind. Vergleichbar dem Betonbrechsand kann auch das in der Stahlwerkschlacke enthaltene CaO aktiviert werden und als Bindemittel fungieren. Ein weiteres Vorhaben in der Projektierungsphase befasst sich mit dem Abfallstoff Bettasche, die in der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung entsteht. Diese Bettasche wurde bereits in Tastversuchen im Rahmen des DFG Projektes untersucht, ein technisch nutzbares Härtungspotenzial konnte ebenfalls nachgewiesen werden. Ein direkter Weg zur Übertragung der gewonnen Erkenntnisse in technische Anwendungen liegt schließlich im teilweisen Ersatz des Bindemittels Kalk in der Fertigung von Calcium- Silikatsteinen durch Betonbrechsand. Vorgespräche mit dem Forschungsinstitut der Kalksandsteinindustrie in Hannover fanden statt, um ein gemeinsames anwendungsbezogenes Entwicklungsprojekt zu initiieren. An der Forschungsstelle wird die Hydrothermalbehandelung von Betonbrechsanden und die gezielte Kombination unterschiedlicher Feinsande aus Baustoffrezyklaten intensiv weiter verfolgt. Vor allem die Kombination verschiedener Abfallstoffe ist vielversprechend, da mit geringem energetischem Aufwand ohne primäre Bindemittel neue Bauprodukte mit ausreichend hoher Festigkeit und Dauerhaftigkeit hergestellt werden können, und damit der Einsatz von RCBaustoffen erweitert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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16. ibausil Weimar vom 20. bis 22. September 2006: Beitrag im Tagungsband auf den Seiten 2-1325 bis 2-1332 und Vortrag Dipl.-lng. Frank Hlawatsch, Dipl.-lng. Michael Berger, Dr. rer. nat. Frank Schlütter, Prof. Dr.-lng. Jörg Kropp
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RILEM 2004, International Rilem Conference on Use of the Recycled Materials in Building and Structures; Barcelona, November 9th - 11th, 2004: Vortrag: Dipl.-lng. Frank Hlawatsch, Prof. Dr.-lng. Jörg Kropp
