Aufbaukörnungen aus gipshaltigem Ziegelmauerwerk

1 Ausgangssituation

Mauerziegel sind Baustoffe mit langer Tradition. Ihre Produkteigenschaften weiterzuentwickeln ist Gegenstand vielfältiger Bemühungen. Um die Nachhaltigkeit dieser Baustoffe zu bestätigen, steht als neue Fragestellung die Rezyklierbarkeit im Fokus. Das gilt insbesondere für die mit Wärmedämmstoffen gefüllten, leichten Ziegel, die für Außenwände eingesetzt werden. Als Innenputze kommen wegen ihrer guten bauphysikalischen Eigenschaften oftmals Gipsbaustoffe zum Einsatz. In Bezug auf das Recycling stellen die mineralischen Wärmedämmstoffe Störstoffe dar, während der Gips sowohl aus anwendungstechnischer als auch aus wasserwirtschaftlicher Sicht unerwünscht ist. In früheren Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass die Wärmedämmstoffe durch eine Windsichtung von den grob zerkleinerten Ziegeln abgetrennt werden können [1]. Bei den Körnungen < 8 mm ist das nicht möglich. Für die Gipsputze gibt es keine geeigneten, mechanischen Trennverfahren. Eine Entfernung vor dem Rückbau ist denkbar, aber sehr aufwändig.

Ein Ansatz, der auch die Verwertung von gipshaltigem Ziegelbruch ermöglicht, ist die Nutzbarmachung als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen mit Produkteigenschaften, die denen der genormten leichten Gesteinskörnungen wie Blähtonen entsprechen. Der Ansatz baut auf eigenen Untersuchungen zur Verwertung von ziegelhaltigem Bauschutt auf [2], [3], [4], [5]. Danach kann Mauerwerkbruch mit einem Ziegelanteil von mindestens 50 M-% in einem thermischen Verfahren zu leichten Gesteinskörnungen verarbeitet werden. Das Ausgangsmaterial wird vorzerkleinert, gemahlen, mit einem Blähmittel dotiert und auf einem Pelletierteller granuliert. Bei der anschließenden thermischen Behandlung werden die Grüngranulate bei Temperaturen von 1150 bis 1250 °C stabilisiert und gleichzeitig aufgebläht. An das Blähmittel besteht die Anforderung, dass es sich im Temperaturbereich der Schmelzphasenbildung unter Abgabe einer gasförmigen Komponente zersetzt.

Im Folgenden wird über Untersuchungen berichtet, in welchen zum einen eine Musterwand, die aus Hochlochziegeln mit Gipsputz bestand, als Ausgangsmaterial für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen diente. Zum anderen wurden mit Dämmstoffen gefüllte Ziegel unter Zugabe von Gips als Sekundärrohstoff verwendet.

2 Stand des Wissens

Der Stand des Wissens zur Genese von leichten Gesteinskörnungen bezieht sich hauptsächlich auf die aus Tonen hergestellten Granulate. Der Blähvorgang kann nur dann stattfinden, wenn eine ausreichende Menge an Schmelzphase geeigneter Viskosität in dem Temperaturbereich vorhanden ist, in dem das Blähgas freigesetzt wird. Eine näherungsweise Abschätzung des Potenzials eines Ausgangsmaterials bezüglich der Schmelzphasenbildung ist anhand der Gehalte der Oxide SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O und Na₂O möglich. Die Viskosität der Schmelze hängt vom Verhältnis des Gehalts an Flussmittel zum Gehalt an freiem Quarz ab. Für die Entstehung des Blähgases werden unterschiedliche chemische Reaktionen verantwortlich gemacht. Als wichtigste Blähgasquelle werden Redoxreaktionen von Eisenoxiden mit organischem Kohlenstoff genannt, wenn diese im Temperaturbereich des pyroplastischen Zustands erfolgen.

Um die Eignung von Tonrohstoffen ebenso wie die von Abfällen für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen zu überprüfen, wird in der Regel auf das von Riley im Jahr 1953 veröffentlichte und von White im Jahr 1960 ergänzte Dreistoffdiagramm zurückgegriffen [6], [7]. Das Riley-Diagramm beruht auf Messungen des Blähverhaltens von 39 Tonen aus dem mittleren Westen der USA. Die daraus erzeugten Leichtgranulate wiesen Rohdichten zwischen 290 und 990 kg/m³ auf. Um der besonderen Rolle der Eisenoxide beim Blähvorgang besser gerecht zu werden, wurde dieses Diagramm im Jahr 1990 von Cougny zu einem „Vierstoffdiagramm“ weiterentwickelt [8].

Der Gedanke, mit diesem Verfahren die Abtrennung des Gipses zu erreichen, stützt sich auf Grundlagenuntersuchungen zur thermischen Zersetzung von Calciumsulfat.  Aus den zu Anfang des vorigen Jahrhunderts durchgeführten Untersuchungen, die noch heute Stand des Wissens sind, ist bekannt, dass die thermische Dissoziation von Anhydrit erst oberhalb von 1200 °C abläuft [6]. In Gegenwart von Fremdoxiden verschiebt sich die Zersetzung zu niedrigeren Temperaturen:

Dissoziation von Anhydrit in Gegenwart von Kieselsäure
CaSO₄ + SiO₂ CaSiO₃ + SO₂ + 0,5 O₂

Zersetzungsbeginn bei 1000 °C, Ende bei 1250 °C

Dissoziation von Anhydrit in Gegenwart von Eisenoxid
CaSO₄ + Fe₂O₃ CaO*Fe₂O₃ + SO₂ + 0,5 O₂

Zersetzungsbeginn bei 1100 °C, Ende bei 1250 °C

Vorausgesetzt diese Temperaturen treffen zu, behindern sich die Reduzierung des Sulfatgehaltes und die Volumenzunahme durch den Blähvorgang nicht und können für die Gipsabtrennung bei gleichzeitiger Erzeugung geblähter Granulate genutzt werden.

3 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien

Von der Gips- bzw. der Ziegelindustrie wurden folgende Ausgangsmaterialien zur Verfügung gestellt:

Eine mit Gipsputz versehene Musterwand aus Hochlochziegeln (»Abbildung 1)

Jeweils eine Palette von mit Mineralwolle bzw. mit Perlit gefüllten Ziegeln (»Abbildung 2), denen gebrochene Gipsformkörper zugegeben wurden.

Die mit Mineralwolle gefüllten Ziegel bestanden zu 80,0 M.-% aus Ziegel und zu 20,0 M.-% aus Mineralwolle. Die mit Perlit gefüllten Ziegel setzten sich aus 88,2 M.-% Ziegel und 11,8 M.-% Perlit zusammen. Den angelieferten, gefüllten Ziegeln wurden unterschiedliche Gipsanteile von 5,0 und 15,0 M.-% in Form von gebrochenen Gipsformkörpern und Gipsputzen zugegeben.

Für die Herstellung der Ausgangsmischungen wurden die angelieferten Materialien im Backenbrecher gebrochen. Anschließend wurde das als Blähmittel verwendete Siliciumcarbid SiC zugegeben. Die Mischungen wurden in einer Kugelmühle gemahlen und dabei homogenisiert. Nach der Mahlung lagen im Fall der Musterwand 98 Vol.-% des Ausgangsmaterials in Partikelgrößen < 63 µm vor. Bei den Ziegeln betrugen die Anteile < 63 µm 90 Vol.-% für den mit Mineralwolle gefüllten bzw. 85 Vol.-% für den mit Perlit gefüllten Stein.

Die chemischen Zusammensetzungen der Ausgangsmaterialien (»Tabelle 1) unterscheiden sich etwas in Bezug auf den Al₂O₃- und den CaO-Gehalt. Der Al₂O₃-Gehalt ist bei den mit Perlit gefüllten Ziegeln etwas höher, der CaO-Gehalt etwas niedriger. Der Umfang der Gipsdotierung spiegelt sich im Anstieg des SO₃-Gehalts wider.

Eine erste Aussage zur Eignung der Ausgangsmaterialien für die Herstellung geblähter Granulate folgt aus dem Dreistoffdiagramm SiO₂ – Flussmittel FM – Al₂O₃. Die hier eingesetzten Materialien liegen vollständig innerhalb bzw. wenig außerhalb der für Blähtone typischen Bereiche (»Bild 3). Durch die Gipszugabe kommt es zu einer geringen Zunahme des CaO-Gehaltes. Die Zusammensetzung verschiebt sich leicht in Richtung der „Flussmittel-Ecke“.

Um den thermischen Prozess der Leichtgranulatherstellung zur Desulfatisierung nutzen zu können, muss der zu Anhydrit entwässerte Gipsputz in einem Temperaturbereich zersetzt werden, der nicht oberhalb des Bereichs der Expansion liegt, die durch die Freisetzung des Blähgases verursacht wird. Das wurde mit Hilfe von Differential-Scanning-Analysen und ­erhitzungsmikroskopischen Untersuchungen überprüft. Bei der Erhitzungsmikroskopie wird ein zylindrischer Probekörper in einem Röhrenofen aufgeheizt und die Flächenänderung seines Schattenbildes in Abhängigkeit von der Temperatur mit Hilfe einer Kamera ermittelt und von der Software des Gerätes aufgezeichnet. Die Temperaturen, bei denen charakteristische, aus der Schlackeforschung übernommene Formen [9] auftreten, werden ebenso wie die gesamten Messdaten zu den Flächenänderungen in Abhängigkeit von den Probentemperaturen ausgegeben. Die Ergebnisse der Differential-Scanning-Analyse und der Erhitzungsmikroskopie sind beispielhaft für die Musterwand aus Hochlochziegeln im »Bild 4 und »Bild 5 dargestellt. Danach läuft die Zersetzung des CaSO₄, welches aus dem Gipsputz hervorgegangenen ist, im Temperaturbereich von 975 bis 1100 °C ab (»Bild 4). Die zylindrischen Grüngranulate nehmen bei einer Sphärischtemperatur von 1186 °C eine kugelähnliche Form an (Bild 5 oben). Die Flächenzunahme erreicht bei 1147 °C ein erstes Maximum. Bei 1226 °C ist sie abgeschlossen (»Bild 5 unten). Somit ist die oben genannte Bedingung erfüllt.

4 Herstellung von Blähgranulaten in der IAB-Pilotanlage

4.1 Verfahrensschritte und verwendete Aggregate

Im ersten Verfahrensschritt wurden die Ausgangsstoffe nach einer Trocknung und Grobzerkleinerung in Chargen zu je 200 kg in einer Kugelmühle mit einem Mahlraumvolumen von 500 Litern gemahlen (»Bild 6). Danach erfolgte die Herstellung der Grüngranulate auf einem Granulierteller mit einem Durchmesser von 1,0 m (»Bild 7). Diese Granulate wurden nach der erneuten Trocknung in dem mit Erdgas beheizten Drehrohrofen gebrannt (»Fig 8). Der Drehrohrofen hat einen lichten Innendurchmesser von 0,60 m und ist mit einer 0,15 m starken Feuerfestmörtelschicht ausgekleidet. Aufgrund der baulichen Gegebenheiten ist seine Länge auf 6 m begrenzt. Die Neigung kann in den Stufen 0,5° / 1° / 2° / 3° und die Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen 0,3 und 3,0 U/min variiert werden. Der Ofen kann in einem Temperaturbereich von 500 bis 1500 °C betrieben werden. Er ist mit zahlreichen Messeinrichtungen für Temperatur, Druck und Abgaszusammensetzung ausgerüstet. Das Rauchgas wird in einem Schlauchfilter unter Zugabe von Löschkalk gereinigt.

Aus den Erfahrungen bei der Herstellung der leichten Gesteinskörnungen im beschriebenen Drehrohrofen und aus den parallel dazu durchgeführten Temperatur- und Verweilzeitmessungen ergab sich, dass die Verweilzeit in der Brennzone zu kurz ist, um das Potenzial für die Volumenexpansion vollständig auszuschöpfen (»Fig 9). Vielmehr waren dafür ein zweiter und zum Teil ein dritter Ofendurchlauf erforderlich. Im Fall der Granulate aus den gefüllten Ziegeln hatte diese Vorgehensweise wegen einer Beschädigung der Brennerlanze und der damit verbundenen Veränderung des Temperaturprofils nicht den gewünschten Effekt der Zunahme des Granulatvolumens bzw. der Absenkung der Rohdichte. Zum Nachweis des tatsächlichen Blähpotenzials wurde deshalb eine zusätzliche thermische Behandlung im Muffelofen realisiert.

4.2 Eigenschaften der im Drehrohrofen hergestellten leichten Gesteinskörnungen

In der Pilotanlage wurden von der Musterwand und von den beiden Ziegel-Dämmstoff-Gemischen mit jeweils unterschiedlichen Gipsdotierungen von 0, 5 und 15 M.-% jeweils ca. 200 kg Blähgranulat pro Charge hergestellt (»Bild 10).

Die Sulfatgehalte der im Drehrohrofen aus der Musterwand gebrannten Granulate nehmen gegenüber den Sulfatgehalten der Grüngranulate deutlich ab (»Tabelle 2). Bereits nach einem Durchlauf durch den Drehrohrofen werden Werte unter 0,7 Masse-% erreicht, die bei dem zweiten Durchlauf weiter abnehmen. Die Art der Ziegelfüllung hatte keinen Einfluss. Für leichte ebenso wie für rezyklierte Gesteinskörnungen, die bei der Leichtbetonherstellung z.B. für Wandbausteine eingesetzt werden sollen, darf der Gehalt an säurelöslichem Sulfat einen Wert von 0,8 M-% nicht überschreiten [10], [11]. Dieser Grenzwert wird sicher eingehalten. Die Konzentrationen an eluierbarem Sulfat der aus der ­Musterwand hergestellten leichten Gesteinskörnungen, die an einem „LAGA“-Eluat [12] mit einem Wasser-Feststoff-Verhältnis von 10 zu 1 ermittelt wurden, lagen unter 50 mg/l (»Tabelle 3). Somit ist der Einbau des Materials in ungebundenen Schichten des Straßen- und Wegebaus, welches ein weiteres Einsatzgebiet für leichte Granulate darstellt, ebenfalls ohne Einschränkungen möglich.  

Die Rohdichten der aus der Musterwand hergestellten Granulate ohne SiC-Zugabe bewegen sich zwischen 2,1 und 2,2 g/cm³. Durch die Zugabe des SiC wird eine deutliche Abnahme der Rohdichte auf 0,73 g/cm³ erreicht (»Tabelle 4).

Die Rohdichten der leichten Gesteinskörnungen aus den gefüllten Ziegeln nahmen zwar gegenüber den Rohdichten der Grüngranulate ab, erreichten wegen o. g. Gründe aber nicht die erwarteten Werte.  (»Tabelle 5).

Um zu testen, welches Blähpotenzial nach den Drehrohrofenbränden noch vorhanden ist, erfolgte zusätzlich zu den Versuchen in der Pilotanlage eine thermische Behandlung im Muffelofen (»Bild 11). Unabhängig von der Vorbehandlung der aufgegebenen Granulate – unbehandelte Grüngranulate, Drehrohrofengranulate nach einem Durchlauf, Drehrohrofengranulate nach zwei Durchläufen – wurden Rohdichten deutlich unter 1 g/cm³ erreicht. Dabei zeigten die mit Mineralwolle ­gefüllten Ziegel eine geringere Rohdichte als die mit Perlitfüllung. Das stimmt mit den Aussagen aus der Erhitzungsmikroskopie überein.

Aus den Sekundärrohstoffen, die zukünftig aus „mit Mineralwolle gefüllten Ziegeln“ bzw. „mit Perlit gefüllten Ziegeln“ hervorgehen werden, lassen sich also leichte Gesteinskörnungen mit geringen bis sehr geringen Rohdichten herstellen.

5. Zusammenfassung

Gipshaltiger Mauerwerkbruch oder mit Dämmstoffen gefüllte und mit Gipsputz versehene Ziegel lassen sich gegenwärtig kaum verwerten und müssen daher deponiert werden. Als Alternative bietet sich die Verwertung dieser Materialien als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen in einem thermischen Verfahren an. Aus mit Mineralwolle bzw. mit Perlit gefüllten Ziegeln, denen 5 bzw. 15 M.-% Gips zugegeben wurde, wurden in der Pilotanlage der IAB Weimar gGmbH solche leichten Gesteinskörnungen hergestellt. Der Sulfatgehalt dieser Körnungen aus dem Brennprozess lag selbst bei einer Gipszugabe von 15 M.-% unter dem Gehalt an säurelöslichem Sulfat von 0,8 M.-%, der von leichten bzw. ­rezyklierten ­Gesteinskörnungen einzuhalten ist. Eluierbares SO₃^2- war mit weniger als 50 mg/l praktisch nicht mehr vorhanden. Die Rohdichten entsprachen denen von kommerziellen leichten Gesteinskörnungen. Mit diesem und dem darüber hinaus am IAB vorhandenen Wissen rückt der nächste Schritt – die Errichtung und der Betrieb einer technischen Anlage – in greifbare Nähe.

Danksagung

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Programms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen – Innovationskompetenz“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter der Projektträgerschaft EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Innovationsmanagement mbH durchgeführt.

Das Projekt wurde von Fachleuten aus Industrie und Verbänden der Ziegel- und der Gipsindustrie begleitet und finanziell unterstützt. Für deren großes Interesse und die kritisch-konstruktiven Diskussionen während der Projekttreffen möchten sich die Autoren ausdrücklich bedanken.