Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Puzzolane aus Calcinierung kalkhaltiger und dotierter Tone - Untersuchungen zu deren Hydratationsverhalten im Zement

In dem geplanten Vorhaben sollen einerseits in Fortführung der Projekte IGF 16566 N und IGF 17930 N die erweiterte thermische Aktivierbarkeit von kalkhaltigen und dotierten Tonrohstoffen untersucht werden, andererseits eine prozesstechnisch fundierte rechnerische Bewertung des CO2–Einsparpotentials durch den Einsatz dieser Puzzolane erfolgen.

Der politisch gewollte Rückzug aus der Kohleverstromung wird das Angebot an Flugasche als potentiellem Zementhauptbestandteil verknappen und zu einem verstärkten Wettbewerb führen. Gerade kleine und mittelständische Zementhersteller sind zum Erhalt ihrer Wettbewerbsfähigkeit auf die Erschließung alternativer Quellen von Zementausgangsstoffen angewiesen. Calcinierte Tone bieten sich hier besonders an, weil viele Hersteller bereits heute Zugriff auf lokale Tonvorkommen haben, die aber oft mit Kalk- und Quarzgehalten verunreinigt sind. Andererseits können aber gerade KMU die aufwendigen Grundlagenuntersuchungen zu den in Deutschland bisher kaum produzierten Kompositzementen mit calciniertem Ton leisten.

Im geplanten Vorhaben soll speziell die thermische Aktivierung solcher keramisch minderwertiger Tone untersucht werden, und zwar unter gezielter Ausnutzung der carbonatischen und silikatischen Fraktionen. Zum einen werden natürliche Ausgangsstoffe (Werkstone), zum anderen Tone mit gezielten Zudosierungen von Kalk, Gips oder Bypassstäuben calciniert. Ein besonderes Augenmerk liegt in der Untersuchung der entstehenden reaktiven Mischphasen und deren Hydratationsreaktionen. Zementtechnologische Untersuchungen werden die Leistungsfähigkeit solcher aktivierten Puzzolane im Zement belegen.

Ein wichtiges Kriterium zum Einsatz von calcinierten Tonen im Zement ist neben der baustofftechnologischen Performance aber auch das erreichbare CO2–Einsparpotential. Daher soll auf Basis verschiedener Calciniertechniken eine fundierte Berechnung des realistischen Einsparpotentials ausgeführt und als Funktion der Klinkeraustauschrate bewertet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsprojekt zeigt mehrere Wege auf, wie die Leistungsfähigkeit keramisch minderwertiger calcinierter Tone gesteigert werden kann, so dass Zemente mit calcinierten Tonen als Hauptbestandteil zukünftig konkurrenzfähig hergestellt und vermarktet werden können.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Herstellung normgerechter Zemente mit calcinierten kalkhaltigen Tonen als Zementhauptbestandteil möglich ist. Dabei führte eine Erhöhung der Calcinierungstemperatur bei den untersuchten kalkhaltigen Tonen mehrheitlich zu einer Verringerung des Festigkeitsbeitrags.

Eine weitere Möglichkeit, die puzzolanische Reaktivität von Tonen zu steigern, ist die Dotierung von Tonen mit verschiedenen Stoffen. Ein erfolgsversprechender und innovativer An-atz war dabei die Dotierung mit Bypassstäuben, die den Zementherstellern prozessbedingt vorliegen und die sie dementsprechend ohne zusätzliche Kosten umsetzten können.

Mittels Modellierungen der Toncalcination im Flugstromkalzinator sowie im Drehrohrofen wurde die Auswirkung der Parameter Calcinierungstemperatur und Rohmaterialfeuchte auf die energetische sowie stoffliche Bilanz untersucht. So wurde erstmalig eine belastbare Datenbasis für die ökologische und ökonomische Bewertung dieser neuen Zemente erhalten. Gemäß Modellierung war die Calcinierung im Flugstromkalzinator sowohl energetisch als auch hinsichtlich des CO2 -Ausstoßes effizienter als die Calcinierung im Drehrohrofen.

Die Ergebnisse aus diesem Forschungsprojekt unterstützen die mittelständig strukturierten Unternehmen der deutschen Zementindustrie bei der Entscheidung, ihr Produktportfolio auf die Herstellung von Zementen mit calcinierten Tonen als Hauptbestandteil zu erweitern. Somit können die deutschen Zementhersteller sowohl bei der Auswahl geeigneter Rohstoffe für die Herstellung leistungsfähiger calcinierter Tone als auch bei der Wahl der Anlagentechnik und Calcinierungsbedingungen auf die hier erlangten Forschungsergebnisse zurückgreifen.