Energiesparende Verfahren zur Bildung hochporöser Strukturen im Ziegelton

Hintergrund und Problemstellung

Hochlochziegel sind hochporosierte Wandbaustoffe, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Ziegelwärmeleitfähigkeit gefüllter Ziegel setzt sich zusammen aus der Wärmeleitung durch das Scherbengerüst und der Wärmeleitung durch die Dämmstoffe der gefüllten Lochkammern. Bei ungefüllten Ziegeln ist außerdem die Wärmestrahlung von Steg zu Steg der Lochkammern relevant. Die wesentliche Einflussgröße auf die Ziegelwärmeleitfähigkeit ist daher die Scherbenwärmeleitfähigkeit. Der Ziegelscherben ist durch Poren aufgelockert, die durch den Ausbrand von organischen Porosierungsstoffen und durch hochporöse anorganische Leichtstoffe entstehen. Der Einsatz von Ausbrennstoffe ist aber begrenzt, da zu große Ausbrennstoffmengen dazu führen können, dass der Tunnelofen nicht mehr beherrschbar geregelt werden kann.

Ziel

Es werden alternative Porosierungsmittel untersucht, da herkömmliche Porosierungsmittel absehbar knapp werden.

Durchführung

Metallisches Aluminium und Tensidschaum werden verschiedenen Ziegelmassen zugegeben und deren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit untersucht.

Ergebnisse

Metallisches Aluminium ist zur Porosierung besonders geeignet. Es entstehen durch 0,15 Masse-% Aluminium theoretisch 70 Vol.-% Poren. Praktisch wird ein großer Teil durch das Eigen­gewicht des Presslings und den Extrusionsdruck zerstört. Die Poren sind im Vergleich zu Tensidschaum aber deutlich feiner und damit stabiler. Die alleinige Porosierung der Lochziegel mit Aluminium ist nicht sinnvoll. Ein leichtes, möglichst rundes Stützkorn stabilisiert die Masse.

Die beispielhafte Mischung WLCSGBH wurde mit Pfefferkorn 13 extrudiert. Durch die ansteifende Reaktion des Calcium-hydroxids bleibt der Rohling formstabil. Nach 15 min ist die Porenbildung durch das metallische Aluminium abgeschlossen. Die Gasbildung muss vor der Extrusion abgeschlossen sein, damit es nicht zur „Pickelbildung“ an der Oberfläche kommt. Die Rohdichte im frischen Zustand ist so hoch, dass durch das Eigengewicht des Tons 40 % der Poren zerstört werden. Wird die Anfangswasserbeladung erhöht, steigt die Trockenschwindung und die Masse lässt sich nicht mehr formstabil extrudieren. »1 ordnet die Mischung in die anderen Versuchsergebnisse ein. Die Scherbenrohdichten liegen am unteren Ende üblicher Hochlochziegel. Die Scherbenrohdichte beeinflusst auch die Druckfestigkeit. Bedingt durch die geringe Rohdichte beträgt die Druckfestigkeit nur 4,3 MPa. Das Diagramm zeigt deutlich, dass die Zusammensetzung wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit hat. Festigkeitsmindernd wirkt sich in der Mischung WLCSGBH der Kalkzusatz aus.

Anhand eines mathematischen Modells werden die Wärmeleitfähigkeiten berechnet. Das Modell beschreibt den Scherben als Zwei-Porengrößen-Modell. Dabei ist eine große Würfelpore allseitig von kleinen Würfelporen umgeben. Der innere Widerstand der Poren stellt eine Parallelschaltung der Widerstände für den Strahlungswärmetransport, den konvektiven Wärmetransport und den Wärmetransport durch Leitung im eingeschlossenen Gasvolumen dar. Die berechneten und mittels Heizdrahtmethode gemessenen Wärmeleitfähigkeiten stimmen gut überein. Wesentliche Einflussfaktoren sind die Wärmeleitfähigkeit des Ziegelmaterials sowie die Porosität.

Die Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers wurde durch Auftragung der gemessenen Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Ziegel und Extrapolation einer Trendlinie auf eine Porosität von 0 % bestimmt (siehe »2). Dies ergab einen Wert von 0,98 W/(mK). Dieser Wert liegt zwischen der Wärmeleitfähigkeit von kristallinem SiO₂ (1,3 W/(mK)) und dem von Glas (0,78 W/(mK)).

Aufgrund der vielen Einflüsse auf die Porosierung lässt sich keine Beziehung zwischen Massezusammensetzung und der sich einstellenden Rohdichte aufstellen. Geringe Frischrohdichten und hohe Viskositäten reduzieren die Schaumzerstörung, führen aber nicht zwangsläufig zu geringen Rohdichten. Wesentlichen Einfluss auf die Porosität hat die Trockenschwindung.

Das Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegel­industrie e.V. (FGZ) wurde vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF) durchgeführt. Das IGF-Vorhaben 16568 N der Forschungsvereinigung Ziegelindustrie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der 101 Seiten lange Schlussbericht kann bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. in Berlin angefordert werden.