Steinbeis-Team FiberCrete entwickelt zementfreien Beton für Schachtunterteile
In der Baustoffindustrie ist Portlandzement seit über 100 Jahren das wichtigste Bindemittel zur Herstellung von Beton, hat aber einen sehr hohen ökonomischen und ökologischen Preis. Daher geriet die Entwicklung von alternativen Bindemittelsystemen immer mehr in den Fokus, da diese einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leisten können. Auf regionaler Ebene setzt sich das Bündnis „recomine” dafür ein, neue Lösungen für Altlasten aus dem Bergbau und dem Hüttenwesen zu finden. Auch das Steinbeis-Innovationszentrum FiberCrete hat den Bedarf erkannt und entwickelt zusammen mit weiteren Partnern im Rahmen des Bündnisses alkalisch aktivierte Schlacken auf Basis von Wälzschlacken zur Herstellung von hochchemisch belasteten Schachtunterteilen.
Die enorm hohe Portlandzementproduktion mit mehr als 4 Milliarden Tonnen im Jahr hat ihren Preis: Für die Produktion von einer Tonne werden rund 100 Kilowattstunden benötigt und etwa 600 Kilogramm des klimaschädlichen Kohlenstoffdioxids freigesetzt. Die Betonindustrie emittiert etwa 9 % der globalen Kohlenstoffdioxidemissionen. In den letzten Jahren werden deswegen zunehmend Portlandkompositzemente eingesetzt, die neben Portlandzementklinker weitere Sekundärrohstoffe, wie zum Beispiel granulierte Hochofenschlacke, natürliche oder künstliche Puzzolane, gemahlenen Kalkstein oder Steinkohlenflugasche, enthalten. Allerdings finden die portlandzementbasierenden Betone aufgrund ihrer geringen chemischen Beständigkeit im sauren Bereich (pH-Wert < 7) nicht in allen Bereichen, wie zum Beispiel bei Abwassersystemen oder Kläranlagen, Anwendung.
Alkalisch aktivierte Schlacken als klimaschonende Alternative
Und so lenken die Forscher ihr Augenmerk auf alternative Bindemittelsysteme auf Basis alkalisch aktivierter Schlacken, deren Einsatz neue Anwendungsfelder eröffnet und gleichzeitig einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leisten kann. Vor diesem Hintergrund repräsentieren zementfreie Systeme, wie zum Beispiel alkalisch aktivierte Bindemittel, eine interessante Alternative für die partielle oder vollständige Substitution von Portlandzement für die Herstellung von Beton und Mörtel: Sie weisen zum Teil bessere Eigenschaften, zum Beispiel Säurebeständigkeit, auf und verursachen um rund 70 % verringerte Treibhausgase im Vergleich zu Portlandzement. Bei der alkalischen Aktivierung kommen häufig Hüttensand aus dem Hochofenprozess und Steinkohlenflugaschen aus der Abgasreinigung der Kohlekraftwerke als Bindemittel zum Einsatz. Steinkohlenflugasche wird allerdings einerseits durch die Energiewende und dem damit verbundenen Kohleausstieg nicht mehr verfügbar und andererseits durch Prozessoptimierungen bei der Kohlenverbrennung nicht mehr verwertbar sein. Hüttensand wird aufgrund der in der Stahlindustrie künftig eingesetzten Wasserstoffreduktion sowie des zunehmenden Recyclings drastisch weniger zur Verfügung stehen. Die Folgen davon: eine eingeschränkte Verfügbarkeit von ausreichenden Mengen an Kompositmaterialien und somit signifikante Preissteigerungen. Andere Schlacken kommen – obwohl sie reaktive Klinkermineralanteile aufweisen – im Gegensatz zu latent-hydraulischem Hüttensand bislang nicht als Komponente in Zementen zum Einsatz. Daher wird nach geeigneten Alternativen gesucht.
Zusammen forschen – neue Wege finden
Auch das Steinbeis-Innovationszentrum FiberCrete geht gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen und Praxispartnern innerhalb des recomine-Bündnisses dieser Frage nach. Der Schwerpunkt der Zusammenarbeit liegt in der Entwicklung von alkalisch aktivierten Schlacken auf Basis von Wälzschlacken, die zur Herstellung von hochchemisch belasteten Schachtunterteilen verwendet werden können. In dem Bündnis, gefördert durch das Programm WIR! vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, versammeln sich Unternehmen, wissenschaftliche Einrichtungen, Bildungseinrichtungen, Behörden und Nichtregierungsorganisationen aus der erweiterten Region des Erzgebirges. Alle haben das Ziel, neue Lösungen für Altlasten aus dem Bergbau und dem Hüttenwesen zu finden. Diese federn einerseits die hohen Sanierungskosten durch die Förderung disperser Rohstoffe ab und finden andererseits einen breiten regulatorischen und zivilgesellschaftlichen Zuspruch.
Ziel des Teilvorhabens mit einer Projektlaufzeit vom 1. Januar 2023 bis 31. Dezember 2025 ist die Erforschung einer Walue-Schlacke nach der Wertmetallgewinnung für den Einsatz als alkalische aktivierte Schlacke (AAS) zur Herstellung von zementfreien Schachtunterteilen. Dabei liegt der Fokus auf der Assemblierung der Materialien – Walue-Schlacke und Alkalisilikate sowie Alkalihydroxide – und der Entwicklung und Anpassung der Materialeigenschaften. Im Projektergebnis soll ein neues Produkt auf Basis einer alkalisch aktivierten Walue-Schlacke (AAWS) zur Herstellung von Schachtunterteilen stehen. Hierzu ist eine gezielte Einstellung der rheologischen Eigenschaften der AAWS im erdfeuchten Konsistenzbereich vorzunehmen. Diese AAWS verfügt über einzigartige und innovative Eigenschaften: Dazu zählen beispielsweise eine sehr hohe chemische Resistenz über den gesamten pH-Wertbereich und eine geringe Schwindverformung, die im Vergleich zu portlandzementbasierten Systemen nicht relevant ist. Durch das praktisch schwindfreie Verfestigen können – im Gegensatz zu klassischen Schachtunterteilen aus Beton – große Schachtunterteile hergestellt werden, ohne dass es zu kritischen Schwindrissen im Bauteilgefüge kommt.
Materialentwicklung
Innerhalb des Teilvorhabens wird derzeit eine Walue-Schlacke vor und nach der Aufbereitung chemisch-mineralogisch und physikalisch untersucht. Hierzu wurden unter anderem die Rohdichte mittels Pyknometer nach dem archimedischen Prinzip bestimmt und eine Eluatanalyse durchgeführt. Basierend darauf erfolgt die Definition von Anforderungen an die aufbereitete Walue-Schlacke, damit diese als Basismaterial für die alkalische Anregung zur Herstellung von Schachtunterteilen Verwendung finden können. Dazu werden anhand von Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskop die inerten und reaktiven Phasenbestandteile analysiert und für die geplante Anwendung bewertet.
Derzeit erfolgt die material- und anwendungsgerechte Erforschung einer zementfreien alkalisch aktivierten Walue-Schlacke. Hierzu soll die Walue-Schlacke mittels Feinstmahlung und Sinterung aufbereitet werden, sodass eine Reaktivierung der festigkeitsbildenden Phasenbestandteile hervorgerufen wird. Im Ergebnis ist eine ausreichend hohe Reaktivität der aufbereiteten Walue-Schlacke sicherzustellen, damit diese alkalisch für ein zementfreies System angeregt werden kann. Innerhalb der Materialentwicklung erfolgt die Anpassung der alkalisch aktivierten Walue-Schlacke hinsichtlich der Formgebungstechnologie der Schachtunterteile. Dazu ist eine erdfeuchte Mischung erforderlich, da die Schachtunterteile direkt nach der Formgebung entschalt werden und folglich eine hohe Grünstandfestigkeit aufweisen müssen.
Technologische Umsetzung
Auf Basis der Materialentwicklung erfolgt fortlaufend die Herstellung und Untersuchung von Prototypen im Fertigteilwerk des Projektpartners Baustoffwerk LIMEX-VENUSBERG GmbH. Dazu sind im Rahmen des Vorhabens bereits erste Versuche durchgeführt worden. Hierzu wurde die alkalisch aktivierte Schlacke zunächst im Mischer vermengt und anschließend über ein Förderband zur automatisierten Schachtringanlage transportiert, bei der die Herstellung des Prototyps erfolgte. Dieser wurde im frischen Zustand ausgeschalt und hatte eine ausreichend große Grünstandfestigkeit, um die Form exakt und vollständig abzubilden. Die ersten Ergebnisse zeigen ein hohes und vielversprechendes Potenzial zur Anwendung von alkalisch aktivierten Schlacken für die Herstellung von zementfreien Schachtunterteilen.
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. habil. Sandra Gelbrich (Autorin)
Steinbeis-Unternehmerin
Steinbeis-Innovationszentrum FiberCrete (FC) (Chemnitz)
www.fibercrete.de
Henrik Funke (Autor)
Leiter Forschung und Entwicklung
Steinbeis-Innovationszentrum FiberCrete (FC) (Chemnitz)
www.fibercrete.de