KALZTON - Entwicklung künstlicher Puzzolane aus Thüringer Tonen, Reststoffen und Haldenmaterialien unter Berücksichtigung der Brennatmosphäre zur Erzielung einer zementähnlichen Brennfarbe und hohen Puzzolanität
Teilprojekt 1: Werkstoffuntersuchungen kalzinierter Tone
Die aktuellen politischen Vorgaben zur Senkung des CO2-Ausstoßes führen in der Bindemittelentwicklung zu verstärkten Bestrebungen den Klinkeranteil in Zementen zu verringern. Dazu wurde in der Vergangenheit der Gehalt an Klinkerersatzstoffen wie Hüttensand, Flugasche und Kalksteinmehl sukzessive erhöht. Die Umstellung anderer Industriezweige auf nachhaltige Produktionsweisen wird jedoch zur Folge haben, dass puzzolanische und latent-hydraulische Klinkerersatzrohstoffe für die Zement- und Baustoffindustrie wegfallen. Eine Alternative ist die Herstellung von getemperten Puzzolanen mittels thermischer Verfahren. Das notwendige Reaktionspotential solcher Puzzolane kann durch die moderate thermische Behandlung (650-950°C) ungenutzten Tonrohstoffen mit alumosilikatische Anfallstoffe erreicht werden.
Das Unternehmen Adelheid Meißner GmbH hat eine Tongrube in Erfurt-Gispersleben erworben und ist auch Eigentümer der Tongrube Aga in Gera. Diese vorhandenen Rohstofflager und Kieswaschreste aus der Region sollen genutzt werden, um den steigenden Bedarf an geeigneten Klinkerersatzrohstoffen der regionalen Zement- und Betonindustrie zu decken.
Projektziele
Im Projektvorhaben soll gezeigt werden, dass verschiedene Anfall- und Reststoffe aus Thüringen zu hochwertigen Puzzolanen veredelt werden können. Im Fokus stehen vor allem ungenutzte Tonrohstoffe, sowie Kies- und Waschschlämme mit hohem Tongehalt. Diese potentielle Rohstoffbasis für die Thüringer Industrie soll ermittelt, analysiert, kartographiert und hinsichtlich ihrer technischen Eignung überprüft werden. Darüber hinaus sollen grundlegende Untersuchungen zur Calcinierung von Tonen unter Verwendung anderer Prozessgase erfolgen, um die CO2-Neutralität zu erreichen. Zusätzlich werden Versuche unter reduzierenden Brennatmosphären durchgeführt, um eine graue Brenngutfarbe zu realisieren. Diese Färbung soll die Vermarktbarkeit der Produkte in der Zementherstellung verbessern.
Bild 1: Prinzip der Graufärbung von eisenhaltigen Tonrohstoffen, © IAB Weimar
Das Ziel der Entwicklung soll sein, die erforderlichen technischen Kennwerte für die Herstellung solcher Puzzolane und deren Einsatz im Beton zu ermitteln. Es müssen die Anforderungen gemäß DIN EN 197 für definiertes „natürliches, getempertes Puzzolan“ erfüllt werden, wobei der Massenanteil an reaktionsfähigem SiO2 mindestens 25,0 % betragen muss. Auch die Anforderungen an Beton gemäß DIN EN 1045 müssen erreicht werden. Das Entwicklungsziel besteht in der Entwicklung von Betonzusammensetzungen, die weitgehend CO2-neutral sind und damit einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Baustoffindustrie leisten.
Bild 2: Prinzip der Meta-Ton-Herstellung im Drehrohrofen, © IAB Weimar
Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde ein Verfahren zur Herstellung künstlicher Puzzolane (SCM) aus Tonvorkommen bei Erfurt und Aga sowie aus Rest- und Haldenmaterialien entwickelt. Ziel war die Gewinnung hochreaktiver SCMs mit zementähnlicher Brennfarbe. Dafür wurden ge-eignete Rohstoffrezepturen sowie ein Konzept zur Homogenisierung, Lagerung und Qualitäts-sicherung ausgearbeitet. Die thermische Behandlung erfolgt in gasbeheizten Drehrohröfen, wobei sich diese gegenüber Elektroofenversuchen als mindestens gleichwertig erwiesen. Alle hergestellten SCMs erfüllen die Anforderungen der geltenden Zementnormen.
Bild 3: Brenntechnik an der IAB-Weimar gGmbH, © IAB Weimar
Die Produktion der Meta-Tone erfolgt in Form von oxidierend gebrannten Pellets oder Briketts. Erste Musterchargen wurden im Technikumsmaßstab erfolgreich hergestellt. Die anschließen-de Mahlung in Kugelmühlen ermöglichte eine gezielte Einstellung der Partikelgrößenverteilung mit d₉₀ < 45 µm und d₅₀ im Bereich von 4–8 µm – eine optimale Voraussetzung für die Ver-wendung als Zementersatzstoff.
Bild 4: Pellets oder Mini-Briketts aus VETON Coumpound, © IAB Weimar
Die Wirksamkeit der SCMs wurde anhand von Betonversuchen validiert. Zwei Rezepturen mit 20 % bzw. 30 % Zementsubstitution zeigten über 90 Tage eine festigkeitsgerechte Entwick-lung. Zudem konnte durch Zugabe von Zusatzmittel die Frischbetonkonsistenz verbessert werden.
Zur Dauerhaftigkeitsbewertung wurde eine weitere Betonformulierung mit 25 % SCM-Anteil erstellt. Die Herstellung erfolgte mit Rohstoffen der Firma Adelheid Meißner GmbH und wurde durch die IAB Weimar gGmbH begleitet. Diese Rezeptur erfüllte die Anforderungen für chlorid-belastete Umgebungen und bestand den CIF-Test zum Frost-Tausalz-Widerstand. Nach 140 Tagen Bewitterung zeigten sich keine sichtbaren Oberflächenschäden.
Für die finale Rezeptur wurde eine Rohstoffmischung aus 60 % VETON und 40 % RC-KWS gewählt. Die Zugabe von 2–5 % Kalksteinmehl erwies sich als vorteilhaft, da es als Aktivator wirkt und überschüssige Schwefeloxide bindet. Für eine praxisgerechte Anwendung wird ein Substitutionsgrad von 25 % in Kombination mit einem CEM I 42,5 R empfohlen, um eine hohe Frühfestigkeit und Reaktivität sicherzustellen.
Verbundpartner
IAB - Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH
FIB - F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar