Forschungsprojekte

Die Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. hat mit seinen vorwettbewerblichen Forschungstätigkeiten schon diverse Fragestellungen der Kalksandsteinindustrie sowie auch verwandter Branchen - wie z.B. der Recyclingindustrie – durchgeführt. Viele zukunftsweisende Forschungsergebnisse gingen hieraus hervor.

Um dieser wichtigen Tätigkeit entsprechend Rechnung zu tragen, gibt es für die wichtigsten Forschungsprojekte ab sofort eine eigene Internetpräsenz, die regelmäßig aktualisiert wird.

WIR FORSCHEN FÜR UNSERE ZUKUNFT

Gut für die Umwelt, gut für uns!

Aktuelles Projekt: Recarbonatisierung

Dauerhafte CO2-Reduktion durch Kalksandstein

Es wurde wissenschaftlich nachgewiesen, dass Kalksandsteine während ihres Lebenszyklus rund 40 Prozent des bei ihrer Herstellung entstehenden CO2 aus der Atmosphäre wieder aufnehmen.

Bei der sogenannten Recarbonatisierung handelt es sich um eine natürlich vorkommende chemische Reaktion.

Das in der Umgebungsluft vorhandene CO2 dringt dabei langsam in das Porensystem der Kalksandsteine ein und reagiert mit den bei der Autoklavierung entstandenen kristallinen CSH-Phasen zu Calciumcarbonat (CaCO3).

 

Foto: Universität Kassel - CO2 reagiert mit den kristallinen CSH-Phasen des Kalksandsteins zu Calciumcarbonat (CaCO3).
Foto: Universität Kassel - CO2 reagiert mit den kristallinen CSH-Phasen des Kalksandsteins zu Calciumcarbonat (CaCO3).

Untersuchungen belegen, dass 50 Kilogramm CO2-Aufahme pro Tonne Kalksandstein oft bereits nach 50 Jahren erreicht sind.

Bei einer Jahresproduktion von rund acht Millionen Tonnen Kalksandsteinmaterial entspricht dies hochgerechnet einer aufgenommenen Menge von 400.000 Tonnen CO2. Kalksandstein leistet also im Vergleich zu anderen Baustoffen einen wichtigen Beitrag zu einer dauerhaften CO2-Reduktion.

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Aktuelles Projekt: Robotik (AiF-Nr. 20061-BG)

Seilroboter zur vollautomatischen Erzeugung von Kalksandsteinmauerwerk

Technische Revolution für den Mauerwerksbau

Seilroboter stellen einen innovativen und vielversprechenden Ansatz bei der Digitalisierung und Automatisierung im Mauerwerksbau dar und können die Verarbeitung von Mauersteinen regelrecht revolutionieren.

Etwa zwei Jahre haben die Fachleute aus Robotik und Bauwesen vom Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen und der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. an diesem Prototyp getüftelt. 

Foto: Universität Duisburg-Essen, © UDE/Birte Vierjahn
Foto: Universität Duisburg-Essen, © UDE/Birte Vierjahn

Und das Ergebnis beeindruckt: Ein an Stahlrahmen und Seilen befestigter Roboter schwebt über der Baustelle, holt selbstständig Kalksandsteine vom Lagerplatz, legt sich präzise den benötigten Mörtel vor und versetzt die Steine vollautomatisch.

Möglich wird dies durch eine über vier Pylonen gespannte Seilkonstruktion, die um das Baufeld aufgestellt wird.

Hier bewegt sich der Roboter dreidimensional hin und her und schwebt an äußerst festen und sehr leichten Kunststoffseilen über das Gebäude, ähnlich wie eine Stadionkamera.

Was heute noch nach ferner Zukunft klingt, soll aber bereits in ein paar Jahren Wirklichkeit sein.

Gesamtansicht des Kalksandstein-Seilroboters, Foto: Universität Duisburg-Essen, © UDE/Birte Vierjahn
Gesamtansicht des Kalksandstein-Seilroboters, Foto: Universität Duisburg-Essen, © UDE/Birte Vierjahn

Mauern, schleppen, mörteln – noch nie war es so einfach! Der Einsatz von Seilrobotern hat viele Vorteile. So können große Bauvolumina - auch bei komplexen Geometrien - in kürzester Zeit errichtet werden. Innerhalb weniger Stunden mauert der Seilroboter aus handelsüblichen Kalksandsteinen eine ganze Etage. Der Seilroboter kann äußerst weitreichend arbeiten und benötigt selbst nur wenig Platz. Und der neue Roboter kann noch mehr: Steine in unterschiedlichen Formaten versetzen, Stürze einziehen und die automatische Bemörtelung übernehmen. Grundlage ist ein digitaler Plan, das sogenannte BIM-Modell (Building Information Modeling). Dessen digitale Daten werden an den Roboter geschickt.

Weitere Vorteile sind:

  • Reduzierung des Personaleinsatzes und -kosten
  • Steigerung der Produktivität in den Bauunternehmen
  • Abfederung des Fachkräftemangels
  • Imageverbesserung der Baubranche

Seit 2019 arbeitet die Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Mechatronik, dem Institut für Baubetrieb und Baumanagement der Universität Duisburg-Essen und dem IAB – Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH - an der praktischen Umsetzung der Digitalisierung und Automatisierung im Mauerwerksbau mittels Seilroboter. 2021 wurde der Seilroboter in einer Versuchshalle der Universität Duisburg-Essen aufgebaut und Ende 2021 der Fachpresse vorgestellt.

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Aktuelles Projekt: Schallschutz (AiF-Nr. 20268-N)

METALLURGISCHE SCHLACKE BEI DER BAUSTOFFPRODUKTION SENKEN CO2-AUSSTOSS UND ERHÖHEN SCHALLSCHUTZ

Mit diesem praxisnahen Forschungsvorhaben wird derzeit untersucht, ob und unter welchen Bedingungen metallurgische Schlacken als Gesteinskörnung für die Herstellung von hydrothermal gehärteten Bausteinen geeignet sind.

Ziel ist es, durch den Einsatz der verschiedenen Schlacken den CO2-Ausstoß sowie die Produktionskosten zu senken und gleichzeitig die Schalldämmung von Bauteilen durch die schweren Materialien deutlich zu erhöhen.

Unter breiter Variation der verfahrenstechnischen Herstellparameter und Einsatz der statistischen Versuchsplanung wurden verschiedene metallurgische Schlacken hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit getestet.

Serien an Mauersteinen, die unter Verwendung von metallurgischen Schlacken erzeugt wurden.

Es hat sich auf Laborebene herausgestellt, dass die Erzeugung von autoklavierten Mauersteinen unter Zugabe von feinem Schlackenmaterial mit einer Körnung < 1-2 mm prinzipiell möglich ist. Derzeit werden weitere physikalische und chemisch-mineralogische Untersuchungen sowie Umweltanalysen an den verschiedenen Mauersteinen durchgeführt.

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Aktuelles Projekt Recycling: Rückführung von KS

Kalksandstein – ein Baustoff auf dem Weg zu geschlossenen Stoffkreisläufen

Unser Baustoff Kalksandstein ist vollständig recycelbar. Sortenreine Kalksandstein-Recyclingmaterialien können für hochwertige (Weiter-)Verwertungswege genutzt werden. Deklariertes Ziel der Kalksandsteinindustrie: Eine Recyclingquote von 100 Prozent durch geschlossene Stoffkreisläufe. Um dies zu erreichen, hat die Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V. in Kooperation mit Kalksandsteinherstellern, Recyclingunternehmen und Abbruchbetrieben bereits in den vergangenen Jahren zahlreiche zukunftsweisende Projekte zu den Recyclingmöglichkeiten von Kalksandstein durchgeführt. So wurden neue Anwendungsbereiche erschlossen und weitere Verwertungspfade identifiziert.

Rückführung in den Herstellungsprozess

Dass der in den Werken anfallende Produktionsbruch wieder in den Herstellungsprozess zurückgeführt wird, ist in der Kalksandsteinindustrie gelebte Recyclingpraxis. Bis zu zehn Prozent der Primärrohstoffe können im Regelfall problemlos durch Recycling-Material ersetzt werden.

Allerdings muss es sich dabei um sortenreines Material handeln, das völlig frei von Verunreinigungen ist. Nur dann ist die erneute Herstellung von Kalksandsteinen in gleicher Qualität möglich. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen etwa vom Ersatz für Natursteinsplit in Form von grober Gesteinskörnung bis zum fein aufgemahlenen Füller mit CO2-Reduktionspotenzial.

Erste Hersteller entwickeln bereits Verfahren zur serienmäßigen Herstellung von Recycling-Kalksandsteinen.

 

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Aktuelles Projekt Recycling: KS als Füllstoff

Kalksandstein – ein Baustoff auf dem Weg zu geschlossenen Stoffkreisläufen

Ein weiterer erfolgversprechender Ansatz ist die Nutzung von KS-Recyclingmaterial als Füllstoff für die Herstellung von Beton. Im Rahmen eines Forschungsprojekts hat sich gezeigt, dass sich die Betonqualität bei einer Zugabe von bis zu zehn Prozent KS-Rezyklat nicht verändert.

Mit Kalksandstein zu emissionsärmerem Beton

In einem Forschungsprojekt mit der Universität Kassel konnte die Hypothese bestätigt werden, dass Beton, dem Kalksandstein-Recycling-Material als Füllstoff zugefügt wurde, mit einem reduzierten Zementgehalt herstellbar ist.

Möglich wird dies durch die im Kalksandstein-Rezyklat befindlichen Calciumsilikathydrat-Phasen (CSH-Phasen). Die während der Dampfhärtung in Autoklaven entstehenden CSH-Phasen verleihen Kalksandstein die erforderliche Festigkeit und verfügen über ähnliche Stoffeigenschaften wie Zement.

Im Rahmen des Projekts hat sich gezeigt, dass sich die Betonqualität bei einer Zugabe von zehn Prozent Kalksandstein-Rezyklat nicht verändert. Wird der Beton ausschließlich im Innenbereich eingesetzt, wo moderate Festigkeiten ausreichend sind, kann der Anteil auch auf 20 Prozent erhöht werden. Laut DIN EN 4226-101 wären je nach Anwendungsfall sogar bis zu 35 Prozent erlaubt.

 

Foto: Bimolab gGmbH
Foto: Bimolab gGmbH

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Aktuelles Projekt Recycling: KS in der Abfallwirtschaft

Kalksandstein – ein Baustoff auf dem Weg zu geschlossenen Stoffkreisläufen

Kalksandstein kann auch die Abfallwirtschaft nachhaltig verändern, denn der Einsatz von Kalksandstein-Rezyklaten in der Abfallwirtschaft wirkt sich klimapositiv aus.

Untersuchungen haben ergeben, dass Kalksandsteingranulat als Träger für methanabbauende Mikroorganismen geeignet ist, das klimaschädliche Methan in das vergleichsweise weniger schädliche CO2 umwandeln.

Mit Kalksandstein zu weniger Treibhausgase

In Abfalldeponien entsteht Methan - ein Treibhausgas, das etwa 25-mal schädlicher ist als CO2. Methan entsteht durch den mikrobiellen und chemischen Abbau von organischen Stoffen. 

In Laboruntersuchungen und mit Vor-Ort-Versuchen auf der Blocklanddeponie in Bremen konnte gezeigt werden, dass Gemische aus Kalksandstein- und Porenbetongranulaten als Träger für methanabbauende Mikroorganismen geeignet sind. Diese wandeln das klimaschädliche Methan in das vergleichsweise "weniger schädliche" CO2 um. Kalksandstein- und Porenbeton-Recycling-Granulate, die mit metanotrophen Bakterien beimpft sind, können also zu einer deutlichen Reduzierung von stark klimaschädlichen Methanemissionen beitragen und Abfalldeponien damit ein Stück weit sauberer machen.

 

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Aktuelles Projekt Recycling: KS als Vegetationssubstrat

Kalksandstein – ein Baustoff auf dem Weg zu geschlossenen Stoffkreisläufen

Kalksandstein spielt auch im städtischen Klimawandel eine wichtige Rolle. Immer häufiger auftretende Wetterextreme wie Starkregen und Rekordsommer machen deutlich, dass beim Bauen neben dem Klimaschutz verstärkt auch die Klimaanpassung in den Fokus rücken muss.

Mit Kalksandstein zu grüneren Städten

So sind begrünte Dächer eine Möglichkeit, um Städte klimaresilienter zu machen.

Sie können große Wassermengen speichern, Gebäude vor Überhitzung schützen und für saubere Luft sorgen.

In einem Forschungsprojekt wurde belegt, dass sich rezykliertes Kalksandstein-Material aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften sehr gut als Vegetationssubstrat für Dachbegrünungen eignet.

 

Dies lässt sich auch auf die Straßen übertragen

In einem weiteren Projekt wurde untersucht, inwieweit der Einsatz von rezyklierten Gesteinskörnungen aus Kalksandstein zur vegetationstechnischen Bodenverbesserung im Bereich von Verkehrsflächen beitragen kann. 

Erste Versuche haben gezeigt, dass sich der Wasserhaushalt von Böden durch den Einsatz von rezyklierten Gesteinskörnungen aus Kalksandstein deutlich verbessert.

Mit einer maximalen Wasserspeicherkapazität von bis zu 20 Prozent kann Kalksandstein dazu beitragen, dass Straßengrün auch in hochverdichteten Böden besser gedeiht.

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Aktuelles Projekt Recycling: KS im Straßenbau

Kalksandstein – ein Baustoff auf dem Weg zu geschlossenen Stoffkreisläufen

Mehr Kalksandsteinreste im Straßenbau sind ebenso denkbar. Pro Jahr fallen zwischen fünf und sieben Millionen Tonnen Kalksandsteinbruch aus dem Gebäudeabriss an. Da im Regelfall nur zehn Prozent sortenreines Abbruchmaterial zur Herstellung von Recycling-Kalksandsteinen verwendet werden kann, müssen auch andere Wege der Wiederverwertung beschritten werden.

Mit Kalksandstein auf neuen Wegen

Der Einsatz von Kalksandstein-Recyclingmaterial für Tragschichten ohne Bindemittel im Straßen- und Wegebau ist möglich.

Zurzeit ist der Anteil im Straßenbau auf fünf Prozent begrenzt; eine Erhöhung des Kalksandsteinanteils auf bis zu 40 Prozent ist laut eines Forschungsprojekts durchaus möglich.

Hierzu laufen bereits weiterführende Untersuchungen unter realen Bedingungen.

 

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Projektübersicht: Recycling von Kalksandstein

Weitere Forschungsprojekte zum Thema Recycling

AiF-Nr. 18240 - Fb. 133 - 2021: Eden, W.; Kurkowski, H.: Rezyklierte Gesteinskörnungen aus Kalksandstein für vegetationstechnische Bodenverbesserungsmaßnahmen im Erd- und Straßenbau, Forschungsbericht Nr. 132 der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Hannover 2021
AiF-Nr. 19889 - Fb. 131 - 2021: Eden, W.; Kolbe, R.; Kurkowski, H.; Middendorf, B.; Mollenhauer, K.; Schade, T.; Wetekam, J.: Einsatz von Füllern aus Kalksandstein-Recycling-Material als Upcycling für Kalksandstein-, Beton- und Asphaltprodukte, Forschungsbericht Nr. 131 der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Hannover 2021
AiF-Nr. 18119 - Fb. 127 - 2019: Eden, W.; Kurkowski, H.; Nytus, N.; Radenberg, M.: Eignungsnachweis von Tragschichten ohne Bindemittel mit erhöhten Anteilen an rezykliertem Kalksandstein-Mauerwerk – Erprobungsstrecke in praxi, Forschungsbericht Nr. 122 der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Hannover 2019
Nicht AiF - Fb. 122 - 2016: Eden, W.; Lieblang, P.; Konrad, D.; Schäfers, M.; Vogdt, F. U.: Ressourceneffizienz in der Kalksandsteinindustrie, Forschungsbericht Nr. 122 der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Hannover 2016
AiF-Nr. 16637 - Fb 118 - 2015 Eden, W.; Kurkowski, H.; Lau, J.J.; Middendorf, B.: Bioaktivierung von Porenbeton- und Kalksandstein-Recyclinggranulaten mit Methan oxidierenden Bakterien zur Reduktion von Methanausgasungen aus Hausmülldeponien - ein Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz –Methanox II, Forschungsbericht Nr. 117, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 2015
AiF-Nr. 17319 - Fb 116 - 2014 Bischoff, G.; Eden, W.; Gräfenstein, R.; Kurkowski, H.; Middendorf, B.: Vegetationssubstrate aus rezyklierten Gesteinskörnungen aus Mauerwerk, Forschungsbericht Nr. 116, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 2014
AiF-Nr. 17251 - Fb 115 - 2014 Eden, W.; Kurkowski, H.; Middendorf, B.: Verwertungsoptionen für rezyklierte Gesteinskörnungen aus Mauerwerk in der Steine- und Erden-Industrie, Forschungsbericht Nr. 115, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 2014
AiF-Nr. 15517 - Fb 111 -2010 Eden, W.; Flottmann, N.; Kohler, G.; Kollar, J.; Kurkowski, H. Radenberg, M.; Schlütter, F.: Eignung von rezykliertem Kalksandstein-Mauerwerk für Tragschichten ohne Bindemittel Forschungsbericht Nr. 111, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 2010
Nicht AiF - Fb 106 - 2008 Eden, W.; Middendorf, B.: Entwicklung eines Recycling-Mauersteins unter Verwendung von Abbruchmaterial und Baurestmassen und Anwendung der Kalksandstein-Technologie Forschungsbericht Nr. 106, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 2010
AiF-Nr. 12785 - Fb 97 - 2003 Eden, W., Friedl, L.; Krass, K.; Kurkowski, H.; Mesters, K.; Schießl, P.: Eignung von Kalksandstein-Bruchmaterial zum Recycling in der Baustoffindustrie, Forschungsbericht Nr. 97 der Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Hannover 2003
AiF-Nr. 9978 - Fb 86 - 1997 Eden, W.: Herstellung von Kalksandsteinen aus Bruchmaterial von Kalksandsteinen mit anhaftenden Dämmstoffen sowie weiterer Baureststoffe, Forschungsbericht Nr. 86, Forschungsvereinigung Kalk-Sand, Hannover 1997
AiF-Nr. 8888 - Fb 80 - 1994 Eden, W.: Wiederverwertung von Kalksandsteinen aus Abbruch von Bauwerken bzw. aus fehlerhaften Steinen aus dem Produktionsprozess, KS-Recycling Teil I, Forschungsvereinigung Kalk-Sand e.V., Forschungsbericht Nr. 80, Hannover 1994

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Weitere aktuelle AiF-Projekte

  • Kosteneinsparung und Steigerung der Ressourceneffizienz von Kalksandsteinen durch Ansatz von Druckhaltestufen bei der Hydrothermalhärtung – sog. „Treppenkurven“ (AiF-Nr. 20307-N)
  • Entwicklung eines Schnellprüfverfahrens zur Sicherstellung der Dampfgängigkeit für hochverdichtete Kalksandstein-Rohlinge (AiF-Nr. 21107-N)
  • Einsatz von Calciniertem Ton zur Nutzbarmachung bislang ungeeigneter Sande für die Kalksandsteinproduktion (AiF-Nr. 21067-N)
  • Eignung von Sägeschlämmen aus der Fertigung von Kalksandstein-Planelementsystemen als Optimierungszusatz für die Kalksandsteinproduktion (AiF-Nr. 21068-N)

 

Illustration: Gerd Altmann auf Pixabay

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Abgeschlossene AiF-Projekte

  • Rezyklierte Gesteinskörnungen aus Kalksandstein für vegetationstechnische Bodenverbesserungsmaßnahmen im Erd- und Straßenbau (AiF-Nr. 18240-N)
  • Verbesserte Schalldämmung von Kalksandstein-Mauerwerk durch Optimierung der produktionstechnischen Herstellparameter – Erhöhung des dynamischen E-Moduls des KS-Materials (AiF-Nr.19837-N)
  • Einsatz von Füllern aus Kalksandstein-Recycling-Material als Upcycling für Kalksandstein-, Beton- und Asphaltprodukte (AiF-Nr. 19889-N)
  • Einsatz natürlicher mineralischer Füller für die Optimierung der Eigenschaftskennwerte von Kalksandsteinen – Reduzierung der Produktionskosten, des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen (AiF-Nr. 20062-N)

 

Foto: Siggy Nowak auf Pixabay

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