Forschungsprojekte

Baustoffrecycling ist ein Kernelement des European Green Deal. Über das Konzept des Circular Economy Action Plans werden zukünftig Anforderungen an das Baustoffrecycling entwickelt.

Für Baustoffe sind Rücknahmequoten zu erwarten, die vor allem aus Gründen der Ressourcenschonung, aber auch vor dem Hintergrund von Energie- und CO₂-Einsparung zwingend erforderlich sind. Unser Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, den Kreislauf des Kalksandsteins zu schließen.

Dazu sollen Kenntnisse über die Reaktionsbeeinflussung des hydrothermalen Prozesses durch Sulfatanteile aus Kalksandsteinabbruchmaterial sowie Kenntnisse über die relevanten Reaktionsabläufe bei definierter Zugabe von Sulfaten zum Kalk-Sand-Rohgemisch gewonnen werden.

Unser Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung der Kalkdosis durch Zugabe von Kalksandstein-Recyclingmaterial mit anhaftendem Gipsputzmörtel unter Beibehaltung der KS-Steinqualität, so dass möglichst kein zusätzlicher technischer und finanzieller Aufwand bei der Herstellung von Recyclingmaterial erforderlich ist.

Auf Basis dieser Ergebnisse sollen der Kalksandsteinindustrie im Rahmen eines Konzepts für KMU praxisnahe Handlungsempfehlungen abgeleitet werden.
 

Fast 98 % der Gesamtproduktionsmenge der Kalksandsteinindustrie bestehen aus Plan- und Blocksteinen (h = 248 mm) sowie KS-XL-Formaten (h ≥ 498 mm und l = 998 mm). Ein großer Teil der KS-XL-Produkte wird zur Erzeugung von vorkonfektionierten Kalksandstein-Bausätzen mit Verlegeplänen geschnitten, wobei pro Jahr bundesweit substantielle Mengen an Sägeschlämmen anfallen, die bislang keiner gezielten Verwendung zugeführt wurden. Bei den anfallenden Sägeschlämmen handelt es sich jedoch um ein hochwertiges und bereits unter Einsatz von CO₂-intensivem Branntkalk gehärtetes Kalksandstein-Material, welches als Optimierungszusatz eingesetzt werden kann.

Da die Wirkung von Sägeschlämmen auf den Produktionsvorgang und die Steineigenschaften nicht bekannt war, wurde deren Einsatz im Labor erprobt und anschließend in der betrieblichen Produktionspraxis evaluiert. Dazu wurden zahlreiche Sägeschlammproben beschafft und analysiert sowie anschließend Versuche im Labor-, Technikums- und Werksmaßstab durchgeführt.

Als Ergebnis dieser Studie kann festgehalten werden, dass in Kalksandsteinen bis zu 2 Masse-% des eingesetzten Branntkalks durch Sägeschlämme substituiert werden können, ohne die Eigenschaften der Kalksandsteine negativ zu beeinflussen. Positiv herauszuheben ist, dass bei einer Substitution von 1,0 bis 1,5 Masse-% die Steindruckfestigkeit gegenüber den Referenzserien ohne Sägeschlämme sogar leicht erhöht oder gleich gehalten werden kann. Dabei darf man davon ausgehen, dass es durch die Zugabe der feinen CSH-Phasenhaltigen Sägeschlämme während der Autoklavierung zu einer erwünschten Kristallkeimbildung kommt, die eine bessere Ausbildung der CSH-Phasen zur Gefügeausbildung bewirkt.

Somit können die Untersuchungsergebnisse zu Kosteneinsparungen sowie zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und der damit einhergehenden CO₂-Emissionen führen. Die Nutzung des Sägeschlammes kann zudem dazu beitragen, Stoffkreisläufe zu schließen und die kostenintensive Entsorgung zu sparen.
 

Bislang gilt bei der Kalksandsteinproduktion, dass der Siliciumdioxid-Gehalt (SiO₂) von Gesteinskörnungen möglichst hoch sein soll. Mit der Folge, dass Sande, die diese Anforderung nicht erfüllen, bis heute nicht eingesetzt werden.

Mit diesem Forschungsvorhaben sollen nun bislang als ungeeignet ausgewiesene Gesteinskörnungen mit höherem Gehalt an unerwünschten Nebenmineralen mit Alkalien durch Zusatz von Calcinierten Tonen (CT) in ihrer Funktion als „Alkalifänger“ für die Kalksandsteinindustrie nutzbar gemacht werden. Durch eine Zugabe von CT kann zudem ein Teil des Branntkalks substituiert werden.

Daraus resultieren Chancen auf deutliche Kosten- und Energieeinsparungen und somit zur Reduzierung von CO₂-Emissionen. Möglichkeiten der Qualitätssteigerung bei sonst gleichen Herstellbedingungen stehen ebenfalls offen.

Kalksandsteine sind Mauersteine, die aus Branntkalk und silikatischen Rohstoffen mittels hydraulischer Pressen geformt und anschließend in einer Atmosphäre von gespanntem Wasserdampf autoklaviert werden. Heute werden überwiegend großformatige Kalksandsteinprodukte mit höheren Steinrohdichten für bessere Schallschutzwerte und höheren Festigkeiten für schlanke Mauerwerkkonstruktionen erzeugt.

Als produktionstechnische Maßnahmen zur Rohdichtesteigerung werden durch die geschickte Auswahl und Kombination von Gesteinskörnungen eine hohe Packungsdichte sowie ein hoher Pressdruck angesetzt. Um bei der Autoklavierung nach wie vor eine ausreichend große Dampfdurchlässigkeit beim Transport des gespannten Wasserdampfs in die Rohlinge zu gewährleisten, muss eine Mindestporosität vorliegen.

Die Porositätskennwerte für die Erzeugung ausreichend dampfdurchlässiger Kalksandstein-Rohlinge (Mindestporosität und durchlässige Porenradienverteilung) und die dazu anzusetzenden Herstellparametersätze waren jedoch bislang nicht genau bekannt. Deshalb wurden sie mit diesem Forschungsvorhaben erstmals systematisch erkundet. Zur Umsetzung wurde für die werkseigene Produktionskontrolle ein einfaches, robustes und aussagekräftiges Prüfverfahren entwickelt, mit dem die Dampfgängigkeit von Kalksandstein-Rohlingen schnell und sicher festgestellt werden kann.

Als etablierte und breit angewendete Messmethode im Bereich der Bodenkunde und Vegetationstechnik für die Beurteilung der Porosität von Böden und Substraten ist das sogenannte Saugspannungsverfahren verbreitet. Mithilfe unterschiedlicher Saugspannungsbereiche kann die Größe der luft- und wassergefüllten Bodenporen einem sogenannten Äquivalentdurchmesser zugeordnet werden und auch Porengrößenverteilungen lassen sich ableiten.

In diesem Forschungsvorhaben wurde diese Messmethode genutzt, um eine Prüfmethode zu entwickeln, die im Bereich der Kalksandsteinproduktion Aussagen zu einer ausreichenden Dampfdurchlässigkeit von Kalksandstein-Rohlingen ermöglicht.

Gemeinsam mit der Forschungsvereinigung Recycling und Wertstoffverwertung im Bauwesen e. V. (RWB) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wurde ein AiF-Forschungsvorhaben zur Erzeugung von Recyclingmauersteinen aus recycelten Betonbrechsanden durchgeführt, die über spezielle Bindemitteleigenschaften verfügen.

Ziel dieses Projekts war der Nachweis der Einsparmöglichkeit von Branntkalk bei der Kalksandsteinproduktion, wenn Betonbrechsande unterschiedlicher Feinheit als hydrothermal aktivierbare Kalkquelle eingesetzt werden. Pro Jahr fallen in Deutschland etwa 10 Millionen Tonnen Betonbrechsande an. Diese enthalten pro Tonne bis zu 60 Kilogramm Kalkhydrat und andere dem Kalk ähnliche Stoffe, welche sich bei der Autoklavierung an der Festigkeitsbildung beteiligen.

Es ist davon auszugehen, dass unter Verwendung sortenreiner Betonbrechsande Mauersteine der Festigkeitsklasse 12 und der Rohdichteklasse 1,8 bzw. 2,0 erzeugt werden können. Es ist sogar theoretisch möglich, mit dieser Technologie Mauersteine ganz ohne Branntkalk zu erzeugen.

In dem Forschungsprojekt werden die technologischen Optionen sowie das Kosten- und CO₂-Einsparpotenzial ermittelt. Neben Untersuchungen im Labor und im Technikum haben Upscaling-Untersuchungen in drei KMU-Kalksandsteinwerken gezeigt, dass dieser Ansatz sowohl mit Betonbrechsanden als auch mit Betonbrech-Füllern auch im großtechnischen Maßstab funktioniert.

Folgende Hauptergebnisse können festgehalten werden:

Eine Autoklavierung von Betonbrechsanden kann ohne zusätzlichen Kalk zu technisch nutzbaren Festigkeiten von Mauersteinen führen.

Eine Zugabe von Primärkalk erhöht das erreichbare Festigkeitsniveau.

Eine ungewollte Teilcarbonatisierung des Betonbrechsandes durch Kontakt mit der Umgebungsluft reduziert die Festigkeiten nur geringfügig.

Um das Ziel „Klimaneutralität“ zu erreichen, wird insbesondere nach geeigneten Bindemitteln mit einem geringerem CO₂-Fußabdruck gesucht. Bei der Produktion einer Tonne Branntkalk werden rd. 1,2 Tonnen CO₂ emittiert. Bei der Herstellung von Calciniertem Ton (CT) sind es dagegen lediglich rd. 300 Kilogramm CO₂ pro Tonne, so dass bereits ein teilweiser Austausch von Branntkalk durch CT den CO₂-Fußabdruck von Kalksandsteinen deutlich verbessern wird.

Vorversuche der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. mit verschiedenen CT-Sorten haben aufgezeigt, dass es technisch prinzipiell möglich ist, Branntkalk teilweise durch CT bei Erhalt der Steinqualität zu substituieren. 

Anhand von zahlreichen Versuchsansätzen im Technikum und in zwei KMU-Kalksandsteinwerken wurden die spezifischen Zusammenhänge zwischen der neuen Bindemittelzusammensetzung, den verfahrenstechnischen Herstellparametern und den qualitätskennzeichnenden Eigenschaften der erzeugten Mustersteine untersucht.

Dabei hat sich gezeigt, dass ein teilweiser Ersatz von Branntkalk durch Calcinierte Tone grundsätzlich möglich erscheint. Die Forschungsergebnisse sind insbesondere für die KMU der Kalksandsteinindustrie sehr wichtig, da diese in den kommenden Jahren eine vergleichsweise angespanntere wirtschaftliche Phase absolvieren müssen, um am Markt bestehen zu können. 

Auf Basis dieser Forschungsergebnisse werden nach Abschluss dieses Projektes im Rahmen eines praxisnahem Konzepts Handlungsempfehlungen für Produktion und Konformitätskontrolle abgeleitet.