Verminderung der Wärmeleitfähigkeit von Ziegelscherben durch den Schnellbrand
der Ziegelindustrie e.V. (FGZ)ProjektnummerAiF 15252 NProjektfördererBMWi über die Arbeits-
gemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke“ e.V. (AiF)DurchführungInstitut für Ziegelforschung
Essen e.V. (IZF)ProjektleiterDipl.-Ing. Michael Ruppik
1 Einleitung
Die gestiegenen Anforderungen an die Qualität von Hochlochziegeln fordern von der Ziegelindustrie, Produkte mit sehr guten Wärmedämmeigenschaften und hinreichender Festigkeit herzustellen. Zur Erhöhung der Wärmedämmung von Hochlochziegeln mit niedrigen Scherbenrohdichten gewinnt die Mischporosierung an Bedeutung. Diese erreicht man durch den kombinierten Einsatz von organischen Porosierungsstoffen (quellfähige Papierfangstoffe, feinteilige Sägespäne) und anorganischen Hohlraum- und Porenbildnern (Molererde, Schaumglaskugeln, Zeolith, Aluminiumhydroxid und Glas- bzw. Mineralfasern) sowie die Zugabe von mineral- und glasphasenbildenden Zusatzstoffen. Veränderungen in der Rohstoffzusammensetzung setzen einen der Rohstoffmischung angepassten Brennprozess voraus. Nur so kann der Ablauf von exothermen und endothermen Verbrennungs- und Zersetzungsreaktionen einerseits und der scherbenbildenden Sinterreaktionen zur Erzielung der geforderten Produkteigenschaften andererseits auch unter Schnellbrandbedingungen gewährleistet werden. Der Schnellbrand von Leichthochlochziegeln erfordert für die technische Realisierbarkeit eine Optimierung des Brennprozesses dahingehend, dass die inneren Oberflächen des Ziegels am Wärme- und Stoffaustausch teilnehmen können – insbesondere bei energetisch hochbefrachteten Rohstoffmischungen.
2 Zielsetzung
Das Forschungsvorhaben geht folgender Frage nach: Wie können durch extrem schnelle Aufheizgeschwindigkeiten und damit insgesamt durch kürzere Gesamtbrennzeiten die Scherbenbildung, respektive die wichtigsten Produkteigenschaften (z. B. Scherbenrohdichte, Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit), beeinflusst werden? Hierzu werden für hochporosierte Ziegelrohlinge aus Rohstoffmischungen mit unterschiedlicher mineralogischer Zusammensetzung das Brennverhalten (wie Ausdehnungs- und Schwindungsabläufe) und die endothermen und exothermen Reaktionen unter Schnellbrandbedingungen bestimmt. Außerdem wird deren Einfluss auf die Produkteigenschaften im Vergleich zum konventionellen Tunnelofenbrand ermittelt.
3 Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Beim Schnellbrand (S) von Hochlochziegeln tritt durch die ablaufenden Sinterprozesse eine im Vergleich zum konventionellen Tunnelofenbrand (N) geringere Volumenschwindung ein. Diese äußert sich in einer geringfügig höheren Porosität und einer geringeren Scherbenrohdichte. Der Ziegelscherben besitzt nach dem Brand ein Porensystem mit einem vergleichsweise höheren Anteil an kleineren Porendurchmessern und einer größeren spezifischen Porenoberfläche. Die Bildung kristalliner Mineralphasen wird herabgesetzt und der Anteil röntgenamorpher Phasen erhöht. Letztgenannte beinhalten sowohl Minerale mit fehlgeordneter Gitterstruktur als auch Glasphasen, die durch die Bildung von Teilschmelzen entstehen. Durch höhere Brenntemperaturen und dementsprechend auch geringfügig längere Brennzeiten im oberen Temperaturbereich wird die Bildung kristalliner Mineralphasen erhöht, und die Porenverteilung verschiebt sich in Richtung größerer Porendurchmesser. Die Unterschiede in den Anteilsmengen von Mineralphasen und amorphen Bestandteilen zeigt »1.
Die Wärmedämmung der in deutlich kürzeren Zeiten gebrannten Ziegel ist tendenziell höher. Dies wird durch vergleichsweise niedrigere Wärmeleitfähigkeiten angezeigt, die übereinstimmend für alle hier erprobten Mischungen nachgewiesen werden. Auf Basis der an konventionell gebrannten Ziegeln durch Einzelsteinmessung ermittelten Wärmeleitfähigkeiten ist die Erhöhung der Wärmedämmung mit 4 bis 8 %, im Einzelfall sogar mit 12 % zu beziffern.
Beim Schnellbrand werden durch die Entwicklung von Reaktionsgasen nachweislich reduzierende Atmosphären im Rohling in Teilbereichen der Aufheizung hervorgerufen, die den Sinterprozess beschleunigen. Diese Prozesse bestimmen die physikalischen Eigenschaften des Scherbens, die im Vergleich zum oxidierenden Brand schon bei niedrigeren Temperaturen erzielt werden können. Zumindest werden durch die Beschleunigung der Reaktionen unter reduzierenden Bedingungen die nur kurzen Verweilzeiten im Temperaturbereich der Sinterung während des Schnellbrandes im Vergleich zu den längeren Brennzeiten eines konventionellen Brandes kompensiert. Dies ist eine der Ursachen dafür, dass die Druckfestigkeiten der Ziegel nur unwesentlich von denen der konventionell gebrannten Ziegel abweichen. In Einzelfällen werden sogar höhere Druckfestigkeiten erreicht.
Bei der Umsetzung der ermittelten Zusammenhänge zwischen der Art der Poren- und Hohlraumbildner und der Wärmeleitfähigkeit sowie der Auswirkung des Schnellbrandes auf die Wärmedämmung der Ziegel ist Folgendes zu berücksichtigen: Der für die Wärmeleitfähigkeit verantwortliche Wärmetransport durch den Hochlochziegel findet vorwiegend über drei Transportmechanismen statt. Das sind: Die Wärmeleitung durch das das Ziegelskelett bildende Scherbengerüst, die Wärmeleitung durch die Luft in den Lochkammern und die Wärmestrahlung von Steg zu Steg durch die Lochkammern. Die Auswirkungen dieser Mechanismen sind größenordnungsmäßig in etwa gleichwertig, sodass die Optimierung der Scherbenwärmeleitfähigkeit durch rohstoffseitige und brenntechnische Maßnahmen nur einen Einfluss von circa einem Drittel auf die Wärmeleitfähigkeit der Ziegel ausüben kann.
Die im Rahmen dieses Vorhabens durch den Schnellbrand verbesserte Wärmedämmung der Ziegel ist, den Erwartungen entsprechend, nicht als ungewöhnlich hoch zu bezeichnen. Sie schafft jedoch Sicherheit in der Erfüllung der Anforderungen an die Wärmedämmeigenschaften von Hochlochziegeln. Der kombinierte Einsatz geeigneter organischer Porosierungsstoffe und anorganischer Leichtstoffe sowie ein auf die Rohstoffmischung angepasster Brennprozess schaffen die Voraussetzungen für eine Produktion von Ziegeln mit extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeiten und ausreichend hohen Festigkeiten.
Es handelt sich um ein Projekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) und wurde unter der Nummer AiF 15252 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert und vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V.
(IZF) durchgeführt.
Der 88 Seiten lange Schlussbericht kann gegen eine Bearbeitungsgebühr bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. in Berlin angefordert werden.
