R-ClinkerControl - KI-gestützte Regelungstechniken zur Beherrschung streuender Abbruchmaterialien in der Synthese von Recycling-Zementen mittels eines Karbonatschmelz-Klinkerprozesses

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Haist; Dr. Peter Stemmermann
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541857967

Der ökologische Fußabdruck von (Portland-)Zement wird von prozess- und energiebedingten Emissionen dominiert. Das hier vorgeschlagene Projekt adressiert beide genannten Einflussfaktoren: Im Mittelpunkt stehen neuartige Recycling-Zementklinker (R-Klinker) mit einem C/S-Verhältnis von ca. 2,0 - und damit geringen Prozessemissionen - und einer stark reduzierten Brenntemperatur unter 1000 °C. Anstelle von Kalksteinmergel sollen Betonbrechsande (die reich an Zementstein (hcp) sind und somit CaO ohne schädliche CO2-Emissionen liefern können) als Rohmehlersatz untersucht werden. Da diese in ihrer Zusammensetzung stark schwanken, müssen nicht nur der Brennprozess, sondern auch die technischen Eigenschaften des resultierenden Klinkers genau verstanden werden. Hiermit soll KI-basiertes Steuerungsmodell entwickelt werden, das nicht nur die (technischen) Eigenschaften des R-Klinkers vorhersagt, sondern auch Gegenmaßnahmen zu dessen Aussteuerung vorschlägt. Im Klinkerbrennprozess sollen im Projekt des Weiteren neue Synthesewege auf Basis von Karbonatschmelzen untersucht werden, die es erlauben, die Brenntemperatur sowie das notwendige C/S-Verhältnis des Rohmehls weiter zu senken. Hierdurch eröffnen sich auch neue Wege zur Erhöhung der Reaktivität von Belit, das in diesem Prozess gebildet wird. Der Weg der Karbonatschmelze ist besonders wichtig, wenn gebrochener Beton als Rohmehl verwendet wird, da das C/S-Verhältnis des Rohmehls normalerweise zu niedrig für die klassische Klinkersynthese ist. Der CaO-Mangel im Rohmehl wird daher durch CaCO3-Zugabe kompensiert, was zwangsläufig zu prozessbedingten CO2-Emissionen führt, die jedoch zur Bildung der Karbonatschmelze beitragen. In einer zweiten Förderphase (FP II) soll daher das Karbonatschmelzverfahren um eine Schnellkarbonatisierung der groben (nicht-genutzten) Recyklatanteile erweitert werden, die ökologisch hochgradig relevante Gehalte an zur CO2-Bindung verfügbarem hcp aufweisen. Anstatt energie- und CO2-intensive Carbon-Capture-Techniken einsetzen zu müssen, können die prozessbedingten CO2-Emissionen so direkt durch die Karbonatisierung der verbleibenden Rezyklatfraktionen sequestriert werden, so dass das Gesamtverfahren potenziell CO2-neutral abläuft. In FP I werden die Auswirkungen der stark variierenden elementaren Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften (u.a. Porosität) des Typ II Brechsands auf den Klinkerprozess untersucht. Die Prozessdaten werden mit Untersuchungen zur technischen Leistungsfähigkeit der resultierenden Klinker (u. a. rheologische Eigenschaften, Festigkeitsentwicklung, Verformungsverhalten, Dauerhaftigkeit) gekoppelt, um ein ganzheitliches, KI-gestütztes Steuerungsmodell für die R-Klinkersynthese zu erhalten, das auch Nachhaltigkeitsaspekte wie Emissionen und Ressourcenverbrauch sowie technische Eigenschaften wie z.B. die Dauerhaftigkeit einbezieht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2436: Klimaneutraler Beton
• Mitverantwortliche: Dr. Corinna Rozanski; Dr. Angela Ullrich