MINREST Projektziele

Innerhalb des Projektes sollen regionale, feindispersere mineralischer Reststoffe hinsichtlich ihrer Eignung zur Steigerung der Ressourcen- und CO₂-Effizienz in der Thüringer Betonproduktion untersucht werden. Mit dem Vorhaben wird ein wichtiger Beitrag zum Ausbau der Kreislaufwirtschaft angestrebt, indem Reststoffe einer hochwertigen Verwertung in der Baustoffindustrie zugeführt und ihre Potentiale als zukünftige Betonzusatzstoffe untersucht werden.

Die Ergebnisse der Untersuchungen leisten einen Beitrag zum Aufbau einer Rohstoffdatenbank für die Herstellung von zementreduzierten Betonen, die als Basis zur Schließung von Stoffkreisläufen und dem Aufbau regionaler Wert-schöpfungsketten genutzt werden kann. Auf Basis der Forschungsergebnisse sollen dann exemplarisch Rezepturumstellungen beim Betonwerk BB Beton und Bauwaren Produktions- und Beteiligungsgesellschaft mbH erfolgen. Die Ergebnisse sind übertragbar auf andere regionale Betonwerke.

Für alle Beteiligten innerhalb der Wertschöpfungskette bzw. des Wertstoffkreislaufes werden Daten und ein breites Wissen zusammengestellt auf das für die Weiterentwicklung des Bündnisses bei wirtschaftlichen, gesellschaftlichen oder politischen Fragen zurückgegriffen werden kann.

Bild 1: Schematische Darstellung von Ausgangsstoffanalysen

 

Bild 2: Untersuchungen zur thermischen und mechanischen Behandlung

 

Die Wirkung von feindispersen Zusatzstoffen im Beton kann sowohl auf physikalischen als auch auf chemischen Vorgängen beruhen. Die physikalische Wirkung besteht hauptsächlich in der der Erhöhung der Packungsdichte bzw. des Leimgehaltes durch die Zugabe eines geeigneten Füllkorns, welches die Hohlräume zwischen den groben und feinen Gesteinskörnungen zusätzlich zum Zementleim ausfüllt. Wichtigste Einflussgröße ist hierbei die Partikelgrößenverteilung des feindispersen Zusatzstoffes. Eine chemische Wirkung kann auftreten, wenn sich die Zusatzstoffe an der Hydratation des Zements beteiligen. Eine solche Reaktionsbeteiligung tritt bei puzzolanischen Additiven auf. Sie wird von der Reaktivität der Additive bestimmt, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung, dem Vorhandensein amorpher Anteile und der Partikelgröße abhängt.

Das wissenschaftliche Arbeitsziel besteht darin, potentielle Anfallstoffe umfassend zu charakterisieren. Im Vordergrund stehen dabei die Partikelgröße, die chemische Zusammensetzung, der Nachweis amorpher Anteile und Aussagen zur Hydratationsbeteiligung. Letztere sollen einerseits auf chemisch-mineralogischer Basis anhand des Portlanditverbrauchs und der Hydratationswärmeentwicklung gewonnen werden. Andererseits wird die an Mörtelprismen ermittelte Festigkeit als Maß für die Reaktionsbeteiligung analog zu der von Cyr vorgeschlagenen Methodik verwendet.  

In der praktischen Anwendung können Qualitätsschwankungen der Anfallstoffe im Hinblick auf die Partikelgrößenverteilung und die Reaktivität gravierende Auswirkungen auf die angestrebten Betoneigenschaften bedingen. Daher sind die Schwankungsbreiten der Ausgangsstoffe zu erfassen. Darauf aufbauend sind geeignete Parameter oder Parameterkombinationen zu entwickeln, die eine schnelle Eignungskontrolle erlauben. Gleichzeitig sind die Möglichkeiten der Vergleichmäßigung und die dafür notwendigen Technologien zu untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Charakterisierung erfolgt die Entwicklung von Betonrezepturen durch gezielte Substitution bzw. Zugabe von Zusatzstoffen mit dem Ziel der Einsparung von Zementklinkeranteilen. Die Grundlage dazu bilden ausgewählte Rezepturen für Betonwerksteine und Betonfertigteile, die derzeit beim Verbundpartner BB Beton- und Bauwaren Zeulenroda im Einsatz sind. Derartige Rezepturen weisen sehr hohe Zementgehalte zur Gewährleistung der notwendigen Verarbeitungs-, Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschaften auf. Ein erhöhter Zementeinsatz ist auch für das frühe Entformen der hergestellten Teile oft bereits nach ca. 16 Stunden erforderlich.

Zur Rezepturentwicklung sollen die Packungsdichte der Zementleimmatrix mit den Methoden der numerischen Optimierung und der statistischen Versuchsplanung (DoE) optimiert werden. Dabei sind die geforderten Verarbeitungseigenschaften, Festigkeiten sowie die Frost- Tausalzbeständigkeit zu gewährleisten. Durch die Optimierung der Matrix wird zudem angestrebt, die Oberflächenqualität zu verbessern, um aufwändige Nachbehandlungsprozesse durch Spachteln von Poren und Lunkern zu reduzieren. Die Farbgebung, die Körnungsstruktur und die Helligkeit sollten im Wesentlichen den Originalrezepturen entsprechen. Die Verarbeitbarkeit soll in Richtung leicht verdichtbarer Betone (LVB) oder Selbstverdichtender Betone (SVB) gesteuert werden, um eine bessere Entlüftung zu gewährleisten, den Energieeintrag zu verringern und das Formenmaterial zu schonen.