Entwicklungen zum Recycling von Ziegeln und
Ziegelmauerwerk (Teil 1)

1 Einleitung

In den verschiedenen Forschungsvorhaben wurden folgende  Untersuchungen durchgeführt:

Aufbereitung von Ziegeln mit integrierten mineralischen Dämmstoffen

Einsatz von Ziegeln aus dem Abbruch als Rohstoffsubstitut für die Ziegelherstellung und

Einsatz von Ziegelmehlen aus unterschiedlichen Sortimenten als puzzolanischer Zusatzstoff zu Zement

2 Kennzeichnung der Ausgangsmaterialien

Bedingt durch die unterschiedlichen Zielrichtungen der Untersuchungen kam eine breite Palette von Ausgangsmaterialien zum Einsatz. Für die Untersuchungen zum Aufschluss von dämmstoffgefüllten Ziegeln wurden neun Produkte aus der laufenden Produktion eingesetzt. Bei den anderen Untersuchungen wurden sowohl ungebrauchte als auch gebrauchte Ziegel bis hin zu Mauerwerkbruch von Recyclingunternehmen verwendet. Klinker, Dach- und Mauerziegel wurden eingesetzt. Insgesamt ergibt sich daraus ein Pool von 48 analysierten Proben.

Die chemische Zusammensetzung der Proben wurde mittels Röntgenfloureszenzanalyse ermittelt. Als Ergebnis liegen die prozentualen Anteile der Haupt- und Nebenoxide sowie der Glühverluste vor. Eine Systematisierung dieser Gehalte für verschiedene keramische Produkte wurde von Augustinik [1] vorgenommen. Wendet man das darauf aufbauende Diagramm von Vogt [2] auf die hier untersuchten Materialien an (»1), zeigen sich für Mauerklinker, Dach- und Mauerziegel Übereinstimmungen zwischen den dargestellten Bereichen und den Analysenwerten der hier untersuchten Ausgangsmaterialien. Die Ziegel mit integrierten Dämmstoffen, die aus der gegenwärtigen Produktion stammen, weisen sowohl höhere Flussmittelgehalte als auch höhere Oxidverhältnisse Al₂O₃/SiO₂ auf, folgen in der Tendenz aber dem „Mauerziegelfeld“. Eine Zusammenfassung der Kennwerte für Mauerziegel und gefüllte Ziegel ist in einem relativ schmalen Bereich möglich. Mauerwerkbruch aus dem Rückbau weicht deutlich von den sortenreinen Ziegeln ab. Das Verhältnis Al₂O₃/SiO₂ ist zu geringeren Werten hin verschoben. Weitere typische Unterschiede zwischen Mauerwerkbruch und sortenreinen Ziegeln sind höhere Glühverluste und Sulfatgehalte.

Betrachtet man die Ergebnisse der Mineralphasenanalyse der untersuchten Proben, lässt sich zusammenfassen, dass in den möglichst sortenrein zurückgebauten Ziegelproben neben nicht umgesetztem Quarz und Feldspat vor allem amorphe Silikate, bestehend aus silikatischen Netzwerken und bei hochgebrannten Produkten aus Glasphase, festgestellt wurden. In geringem Anteil traten je nach Ausgangsrohstoff Mineralneubildungen wie Anorthit, Gehlenit, Diopsid usw. auf. Bei den Proben mit Mörtel- und Putzanhaftungen wie ziegelreicher Bauschutt oder Mauerwerkbruch ließen sich neben den zuvor genannten Phasen noch Anteile an Calciumsilikaten, Calciumsilikathydrat-Phasen, Gips/Anhydrit, Calcit und Portlandit nachweisen.

Eine eng mit der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung in Zusammenhang stehende Eigenschaft ist das Schmelzverhalten. Es wurde von ausgewählten Ziegeln und Bruchmaterial mithilfe der Erhitzungsmikroskopie bestimmt. Die Untersuchungen erfolgten an Mehlen, aus denen zylindrische Prüfkörper mit einem Durchmesser und einer Höhe von 3 mm hergestellt wurden. Die Schattenbilder der Prüfkörper wurden unter Temperatureinfluss bis max. 1600 °C berührungslos optisch analysiert. In Anlehnung an die DIN 51730:2007 [3] wurden als charakteristische Temperaturen die Erweichungs-, die Sphärisch-, die Halbkugel- und die Fließtemperatur angegeben (»2). Bei der Sphärischtemperatur zeigten sich die größten Unterschiede im Vergleich der verschiedenen Produktgruppen. Sie nimmt in folgender Reihenfolge zu:

Füllziegel → Mauerziegel → Dachziegel → Klinker (»3).

Ursache dafür sind Verschiebungen der chemischen Zusammensetzung, wobei ein zunehmender SiO₂-Gehalt zu einer diffusen Zunahme der charakteristischen Temperaturen führt. Nimmt der Gehalt an Schmelzphasenbildnern als Summe aus Fe₂O₃ + CaO + MgO + K₂O + Na₂O zu, sinken diese Temperaturen dagegen ab.

Die werkstoffliche Charakterisierung der verwendeten Ziegel bzw. des Bruchmaterials erfolgte anhand der Rohdichten ihrer Scherben. Diese wurden zum einen mittels Tauchverfahren und zum anderen per Pulverpyknometrie an getrockneten Proben bestimmt. Bei der Pulverpyknometrie wird das Volumen des Ziegelscherbens anhand der Verdrängung eines festen Messmediums ermittelt. Das Medium ist ein Pulver, das aus starren Mikrokugeln mit einer definierten Partikelgrößenverteilung und einer guten Fließfähigkeit besteht [4]. Die Rohdichte folgt aus der Masse der Probe und dem Volumen des verdrängten Messmediums. Die Trockenrohdichten reichen von minimal 1,27 g/cm³ für die Ziegel mit integrierter Dämmung bis maximal 2,40 g/cm³ für eine der Klinkerproben.

Ziegelkörnungen sind ein eingeführtes Produkt für die Dachbegrünung. Bei der Auswahl der Pflanzen muss der pH-Wert berücksichtigt werden. Die Auswertung der im Rahmen des Schwerpunkts „Ziegelkreislauf“ gemessenen Daten zeigt für die sortenreinen Ziegel aus dem Rückbau bzw. für den ziegelhaltigen Mauerwerkbruch einen eindeutigen Anstieg des pH-Wertes mit zunehmendem Gehalt an Mörtel und Putz (»5). Letztere tragen alkalische Bestandteile ein, die den Anstieg bewirken. Hintermauerziegel mit integrierter Dämmung aus dem Rückbau der Musterwände des ersten Schwerpunkts liegen ebenso wie Hintermauerziegel, die direkt aus der Herstellung stammen, oberhalb der Trendlinie. Ursache sind die hohen Kalkgehalte der Ziegel.

3 Schwerpunkt 1: Aufbereitung von Ziegeln mit integrierten mineralischen Dämmstoffen

Von Ziegeln mit porosiertem Scherben, deren Hohlräume zusätzlich mit dämmendem Material gefüllt sind, werden Wärmedämmwerte erreicht, die eine zusätzliche Isolierung der Außenwände von Gebäuden überflüssig machen. Diesen positiven Effekt während der Nutzungsphase können die Verwertungsmöglichkeiten am Nutzungsende konterkarieren. Mauerwerk aus gefüllten Ziegeln wird in Bezug auf die integrierte Wärmedämmung kaum selektiv rückbaubar sein. Die Aufbereitung muss in Recyclinganlagen erfolgen, wo die Komponenten voneinander getrennt werden, um sie dann geeigneten Verwertungsmöglichkeiten zuzuführen.

In den hier beschriebenen Untersuchungen sollte der technische Nachweis erbracht werden, dass Verbundbaustoffe aus Ziegeln mit integrierter Wärmedämmung durch Aufbereitungsprozesse

zunächst aufgeschlossen, d. h. die einzelnen Komponenten entlang ihrer Verbundgrenze physikalisch aufgetrennt und

im weiteren Verlauf der Aufbereitung durch geeignete Sortierverfahren als sortenreine Fraktionen zurückgewonnen werden können

3.1 Material und Methoden

Ausgangspunkt der Untersuchungen waren insgesamt neun Produkte von drei Ziegelherstellern. Davon waren sieben mit Steinwolle gefüllt. Außerdem kamen ein ungefüllter und ein mit Perlit gefüllter Ziegel zum Einsatz. Aus den Ziegeln wurden Musterwände unter Verwendung von Dünnbettmörtel errichtet, die auf einer Seite mit einem Kalk-Zement-Putz und auf der anderen Seite mit einem Kalk-Gips-Putz versehen waren (»6). Aus den Ziegelgeometrien, den Stärken der Putzschichten und den Dichten der Bestandteile wurde die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien berechnet (»7).

Nach einer Standzeit von fünf Wochen wurden die Musterwände abgebrochen und in einem Prallbrecher bei zwei unterschiedlichen Rotorumfangsgeschwindigkeiten zerkleinert. Die Zerkleinerungsprodukte wurden im Hinblick auf die erreichte Korngrößenreduktion mittels Siebanalysen untersucht. Um den Aufschluss zwischen den Bestandteilen zu ermitteln, wurden die Partikel > 8 mm mittels Siebung abgetrennt und händisch sortiert, ausgezählt und ausgewogen. Bei der Sortierung wurde zwischen Ziegel, Putz, Steinwolle und Verbundpartikeln unterschieden (»8). Ziegel mit geringen, nicht abreibbaren Anhaftungen wurden ebenfalls als aufgeschlossen betrachtet und den Ziegeln völlig ohne Anhaftung zugerechnet. Eine Unterscheidung der Putze war nicht möglich. An den feinen, händisch nicht sortierbaren Fraktionen wurden chemische Analysen vorgenommen.

Das gebrochene Material von drei ausgewählten Wänden wurde in einer Bauschuttrecyclinganlage mittels Windsichtung sortiert. Eine dem Windsichter vorgeschaltete Vibrationssiebmaschine trennte zunächst das Feinkorn < 10 mm ab. Das Grobgut > 10 mm wurde dem Sichter aufgegeben und in Schwer- und Leichtgut getrennt. Der Trennerfolg wurde mittels händischer Sortierung überprüft. Als Alternative wurde die Schwimm-Sink-Sortierung im Labormaßstab getestet.

Den Abschluss der Untersuchungen bildete ein Praxisversuch in der Recyclinganlage. Hier kamen neben unvermauerten, gefüllten Ziegeln auch solche aus einer Musterwand, die vor Ort errichtet und unmittelbar vor dem Versuch abgebrochen wurde, zum Einsatz. Die Zerkleinerung erfolgte im Backenbrecher. Das Brechgut wurde mit einer Siebmaschine klassiert und die grobe Fraktion gesichtet. Die Ergebnisse des Praxisversuchs wurden nach Augenschein beurteilt.

3.2 Ergebnisse

Die mittlere Partikelgröße der Zerkleinerungsprodukte aus dem Prallbrecher bewegt sich zwischen 9,6 und 23,0 mm. Der Anteil an Partikeln < 8 mm beträgt 24,2 bis 58,1 Masse-% (»Tabelle 1). Systematische Einflüsse der Scherbenrohdichte oder des Ziegelanteils sind nicht zu erkennen. Die Rotorumfangsgeschwindigkeit hat ebenfalls keinen eindeutigen Einfluss auf die Feinheit der Zerkleinerungsprodukte. Die Ergebnisse bestätigen frühere Aussagen, wonach bei der Zerkleinerung von Ziegeln bzw. Mauerwerk ein erheblicher Feinkornanteil entsteht [5].

Die Zerkleinerung bewirkt neben der Korngrößenreduktion auch eine Trennung der Baustoffe, die in den Musterwänden verbunden waren. Dabei hängt der erreichte Aufschluss von der Partikelgröße ab (»9):

Der Anteil an Ziegelpartikeln ohne Anhaftungen ist in den Fraktionen 8/11,2 bis 22,4/31,5 mm höher als der Ziegelgehalt in den Musterwänden. Ein Aufschluss und eine Anreicherung finden statt. Nur in der gröbsten Fraktion > 31,5 mm ist der Anteil an aufgeschlossenen Ziegelpartikeln kleiner als der Ziegelgehalt der Musterwände

Der Anteil an Verbundpartikeln nimmt mit zunehmender Partikelgröße stetig zu

Gegenüber den Musterwänden ist Putz in allen untersuchten Fraktionen als Ausgangsmaterial deutlich abgereichert. Ab einer Partikelgröße von 22,4 mm sind die Körnungen nahezu putzfrei

Die Steinwolle reichert sich überwiegend in den groben Fraktionen an

Die Aussagen zum Aufschluss beziehen sich auf die Fraktionen > 8 mm. Bei den Putzen und in geringerem Ausmaß auch bei der Mineralwolle sind systematische Verschiebungen gegenüber der Ausgangszusammensetzung feststellbar. So ist der Putzgehalt in allen untersuchten Grobfraktionen geringer als im Ausgangsmaterial. Ursache ist die leichtere Zerkleinerbarkeit der Putze gegenüber den Ziegeln, durch die es zu Anreicherungen in den feinen Fraktionen kommt. Dagegen ist der Gehalt an Steinwolle in den Grobfraktionen gegenüber dem Ausgangsmaterial angereichert. Die Fraktion < 4 mm verändert sich infolge der An- und Abreicherungsvorgänge in ihrer chemischen Zusammensetzung gegenüber den gröberen Fraktionen (»10). Besonders deutlich zeigen das die CaO- und SO₃-Gehalte,_, in denen sich die Putze stark von den anderen Bestandteilen unterscheiden. Die Putzanreicherung führt zu einem Anstieg beider Oxide.

In den Sichtversuchen, für die ein Trommelwindsichter der Marke AirMaster in einer Recyclinganlage genutzt wurde, konnte aufgrund der deutlichen Dichteunterschiede zwischen der Steinwolle einerseits und den Ziegeln sowie den Mörteln und Putzen andererseits, aber auch begünstigt dadurch, dass sich die Steinwolle in den groben Fraktionen anreichert, die Steinwolle vergleichsweise leicht abgetrennt werden. Da durch die vorgeschaltete Siebung keine vollständige Abtrennung der Partikel < 10 mm erreicht wurde, enthielt der dem Sichter zugeführte Materialstrom noch feine Partikel, die zum überwiegenden Teil in das Leichtgut übergingen. Das Ausbringen an Schwergut lag dadurch unter dem Schwergutanteil, der durch händische Sortierung im Aufgabematerial ermittelt wurde (»11). Eine Verbesserung der Trennung, auch bei kleinen Partikelgrößen, kann durch die Anwendung einer Nasssortierung erreicht werden. Hier stimmten der Schwergutanteil im Aufgabematerial und das Schwergutausbringen nahezu vollständig überein.

Im abschließenden Praxisversuch fanden die Erkenntnis aus den Laborversuchen Berücksichtigung. Obwohl die Anwendung eines Prallbrechers zu einem ausreichenden Aufschluss der Steinwolle-Pads aus den Hintermauerziegeln führt, ist sie gleichzeitig mit der Entstehung erheblicher Mengen an feinen Gesteinskörnungen verbunden. Deshalb kam für die großtechnischen Versuche ein Backenbrecher mit Vibrationsaufgeber und aktiver Vorabsiebung zum Einsatz. Das Brechprodukt wurde mit einer Vibrationssiebmaschine bei einer Maschenweite von 10 mm klassiert. Das Grobgut > 10 mm wurde anschließend mit dem Windsichter in Schwer- und Leichtgut getrennt. Die Versuche, an Einzelsteinen und an unverputztem Mauerwerk durchgeführt, lieferten im Gegensatz zu den Prallbrecherversuchen nur wenig Feinkorn von etwa 5 Masse-%. Sowohl das Leicht- als auch das Schwergut wiesen hohe Reinheitsgrade auf. Das Leichtgut bestand aus Steinwolle, die zum Teil noch in Form von Pads vorlag. Das Schwergut bestand als Folge der Geometrie der Hintermauerziegel und des geringen Zerkleinerungsverhältnisses aus plattigen Bruchstücken (»12).

3.3 Technologieempfehlungen

Mit Mineralwolle gefüllte Wärmedämmziegel lassen sich mit den heute eingesetzten Aufbereitungstechnologien in die Bestandteile Ziegelkörnungen und Steinwolleflakes trennen. Zur Zerkleinerung können Prall- oder Backenbrecher, zur Sortierung Windsichter oder Nasssortierer eingesetzt werden. Bei der Kombination Prallbrecher – Windsichter (»13) entsteht ein vergleichsweise hoher Anteil an Körnungen < 10 mm, der nicht gesichtet werden kann und somit unsortiert bleibt. Die im Sichter abgetrennte Steinwolle enthält Ziegelpartikel als Verunreinigungen. Die Ziegelkörnung ist steinwollefrei. Wird die Windsichtung durch eine nasse Sortierung ersetzt, kann die Sortierung bis auf Partikelgrößen > 4 mm ausgedehnt werden. Nach Laborergebnissen ist die mittels Schwimm-Sink-Trennung gewonnene Steinwolle nahezu sortenrein.

Erfolgt die Zerkleinerung per Backenbrecher mit auf die Stegbreite der Ziegel angepasster Austragsspaltweite, ist der Anteil der Fraktion < 10 mm, der nicht im Windsichter sortiert werden kann, deutlich geringer. Die mit der Windsichtung abgetrennte Steinwolle ist ziegelfrei und liegt z. T. noch in Form der ursprünglichen Pads vor. Die erzeugte Ziegelkörnung enthält keine Steinwollereste, weist aber eine plattige Kornform auf (»12).

In Abhängigkeit von der vorgesehenen Verwendung des Ziegelrezyklats kann eine Kornformverbesserung, beispielsweise durch eine zusätzliche Brechstufe oder eine Attritionsbeanspruchung, erforderlich sein.