Oberseminar Sand als Industrierohstoff

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1 Oberseminar 1999 Sand als Industrierohstoff Betreuer: Prof. Dr. Kurze Bearbeiter: Madeleine Kurze

2 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung Sande in der Bauindustrie Zuschläge für Mörtel und Beton Kalksandstein Sande für die Gussteilfertigung Sande in der Glasindustrie Wasserglas Filtersande Brunnenfilter Wasserreinigungsfilter Gebäudedränung Sande als Strahlmittel Literaturverzeichnis

3 1 Zusammenfassung Sand ist ein sehr wichtiger Rohstoff in verschiedensten Industriezweigen mit bedeutenden Anwendungen. Laut GEOSPEKTRUM (1/99) wurden 1997 in der Bundesrepublik einschließlich der Spezialsande 388 Millionen Tonnen Sand und Kies gefördert. In der Tabelle 1 sind Verwendungen dargestellt: Tab. 1: Verwendungen von Sand aus KOENSLER (1989) Jeder Anwendungsbereich verlangt spezielle Rohstoffkriterien vom Material Sand. Diese Anforderungen wurden an ausgewählten Nutzungsbeispielen zusammengetragen. Wobei jedoch nur die wichtigsten Rohstoffkennwerte dargestellt wurden, da diese für Spezialanwendungen sehr umfangreich sein können. 3

4 2 Sande in der Bauindustrie Sand und Kies werden in der Bauindustrie vor allem als Zuschlag für Beton und Mörtel sowie für die Herstellung von Kalksandstein genutzt. Die Rohstoffkriterien dafür wurden entnommen aus der DIN 4226 Teil 1 und WENDEHORST (1992). 2.1 Zuschläge für Mörtel und Beton Grundsätzlich muss der Zuschlag einigen Grundanforderungen genügen. So darf dieser unter Wassereinwirkung nicht erweichen oder sich zersetzen. In Verbindung mit Zement muss gewährleistet sein, dass sich keine schädlichen Stoffe bilden. Außerdem darf der Zuschlag nicht den Korrosionsschutz der Bewehrung, den Erhärtungsverlauf des Betons oder die Haltbarkeit des Bauteils unter Belastung beeinträchtigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Sande speziellen Kriterien genügen: Die Sande sind nur in den Korngruppen nach Tabelle 2 lieferbar. Tab. 2: Korngruppen für Zuschlagstoffe nach DIN 4226 Teil 1 4

5 Die Lieferkörnungen wurden so gewählt, weil idealer Weise die kleineren Körner die Hohlräume zwischen den größeren Körnern ausfüllen sollten, so dass eine hohe Verdichtung erzielt werden kann. Deshalb werden von natürlichen Sanden Siebanalysen angefertigt, die mit Regelsieblinien verglichen werden. Ein Beispiel für eine solche Regelsieblinie ist in Abbildung 1 dargestellt. Abb.1: Regelsieblinie für Zuschlaggemische 0/32 mm nach DIN 1045 aus WENDEHORST (1992) In diesem Diagramm stellt die Zone zwischen der Linie A und B den günstigen und zwischen B und C den noch brauchbaren Bereich der jeweiligen Sandprobe aus dem Gemisch 0 bis 32 mm Korngröße dar. Die Linie U wird als Sieblinie mit Ausfallkörnung bezeichnet. Bei dieser Sandprobe fehlt im Beispiel das Mittelkorn mit einer Korngröße von 2 16 mm. Solche Zuschläge werden für Wasch- oder Straßenbeton eingesetzt, da sie verdichtungswilliger sind und damit eine höhere Betondruckfestigkeit aufweisen. Wenn die geprüften natürlichen Sande nicht einer Regelsieblinie entsprechen, so werden mehrere Korngruppen künstlich gemischt. Des weiteren sollten die Körner eine gedrungene Form aufweisen, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke nicht größer als 3:1 sein darf. Ungünstig geformte Körner sollten deshalb im Zuschlag über 4 mm mit weniger als 50 Gew.-% vertreten sein. Die Festigkeit ist bei natürlich entstandenen Sanden im allgemeinen aufgrund der vorausgegangenen natürlichen Aussonderung durch Umlagerungen erfüllt. Außerdem sollten folgende schädliche Stoffe in Sanden für Zuschläge nur minimal vorhanden sein: - abschlämmbare Bestandteile (Korngrößen kleiner 0,063 mm), die bei Wasserzutritt quellen können; - Stoffe organischen Ursprungs, die Erhärtungsprozesse verzögern, Verfärbungen hervorrufen oder Aufquellen können; - erweichende, quellende oder treibende Bestandteile wie Glimmer; - bestimmte Schwefelverbindungen wie Gips; - korrosionsfördernde Stoffe wie Chloride, Nitrate oder Halogenide; - alkalilösliche Kieselsäuren wie Flint, die mit Alkalien im Zement unter Volumenvergrößerung reagieren (Alkalitreiben). In vielen Fällen lassen sich durch Aufbereitungsverfahren minderwertige Materialien so verändern, dass sie den Qualitätsanforderungen genügen. Dies ist jedoch nicht immer möglich. So lassen sich zum Beispiel die problematischen Flintbeimengungen nicht entfernen. 5

6 Da Beton bei über 50 % der Bauwerke ein wichtiger Konstruktionsbaustoff ist, werden die Rohstoffkriterien streng überprüft. Auf Baustellen dürfen deshalb nur gütegesicherte Baustoffe verwendet werden. 2.2 Kalksandstein Kalksandsteine sind Mauersteine, die aus Kalk und Feinsand mit Wasser vermischt hergestellt werden. In einem Reaktionsbehälter wird ein Kalk-Sand-Gemisch im Verhältnis 1:12 mit Wasser hergestellt. Der gebrannte Kalk wird dabei abgelöscht und es kommt zur Wärmeentwicklung auf C. Unter Pressdruck werden Rohlinge geformt. Diese kommen zur Erhärtung bei C und unter gespanntem Dampf in einen Härtekessel. Dabei werden die Quarzkörner des Sandes durch Kalkhydrat an der Oberfläche aufgeschlossen. Es entsteht eine Kalk-Kieselsäure-Verbindung, so dass die Zuschlagskörner verkittet werden. Die Anforderungen für diese Zuschlagssande entsprechen denen für Beton und Mörtel. 3 Sande für die Gussteilfertigung Sande werden für die Herstellung der Gussformen als Formgrundstoffe eingesetzt. Der Formgrundstoff bildet das Gerüst der Form und dient als Füllstoff. Hauptsächlich werden Quarzsande verwendet. Für höhere thermische Beanspruchungen (siehe Abbildung 2) können auch Zirkonsande, Olivinsande, Chromitsande, Quarzgut (entsteht bei der Aufschmelzung von Quarzsanden) oder andere synthetische Materialien zum Einsatz kommen. Die Rohstoffanforderungen für Quarzsande sind in Tabelle 3 dargestellt. Tab. 3: Anforderungen an Quarzsande für die Gießerei aus KOENSLER (1989) Welche genauen Rohstoffdaten für das jeweilige Gussprogramm in Frage kommen, wird stets durch eine Reihe von Prüfverfahren ermittelt. Optimale Körnungsstrukturen führen zu günstigen Festigkeitseigenschaften und Formstabilitäten, zu günstigen Durchlässigkeiten zur Ableitung freigesetzter Gase beim Gießen und zur Vermeidung von formstoffbedingten 6

7 Fehlerscheinungen am Gussstück. Um lagerstättenbedingte Schwankungen zu beseitigen, werden Aufbereitungsprozesse vorgeschalten. Probleme entstehen beim Gießen und somit Erhitzen der Formen durch den Übergang des Quarzes in die verschiedenen SiO 2 -Modifikationen, was mit Volumenvergrößerung verbunden ist. Diese Volumenänderungen beeinflussen das Ausdehnungsverhalten (siehe Abbildung 2) der Formen und können zu Fehlerbildungen beim Gießen führen. Abb. 2: Ausdehnungsverhalten von Formgrundstoffen aus FLEMMING (1993) Ebenso wirken sich die Begleitminerale der Sande wie Glimmer, Feldspat, Ton, Karbonat oder Kohle negativ auf die Gießereiqualität aus. So können Beimengungen die Sintertemperatur herabsetzen, da diese niedrigschmelzende Eutektika mit Quarz bilden. Deshalb sollten beispielsweise nur maximal 5 Gew.-% Feldspat in den Gießereisanden vorhanden sein, da K 2 O und Na 2 O mit SiO 2 zu niedrigschmelzenden Verbindungen reagieren. Des weiteren wird bei der Erwärmung der Karbonate und der Kohle Kohlendioxid frei, was die Härtereaktionen stören kann. Deshalb ist es günstig für die thermische Belastbarkeit von Formen aus Quarzsanden, wenn der SiO 2 -Anteil hoch ist und nur wenige Beimengungen vorhanden sind. 4 Sande in der Glasindustrie Quarzsand ist ein wichtiger Glasrohstoff. Vor dem Einsatz werden die Sande verschiedenen Aufbereitungsprozessen unterzogen, wie zum Beispiel der Grobsiebung, Magnetabscheidung, Waschen oder Austreiben von Eisenoxiden durch Behandlung von Chlorwasserstoffgasen oder Halogensalzen. Schließlich bestimmen mineralogische, chemische und granulometrische Daten die Eignung und den Einsatz von Quarzsanden wie die Tabelle 4 zeigt. 7

8 Tab. 4: Kennwerte von Quarzsanden zur Glasherstellung aus KOENSLER (1989) Aus dieser Tabelle 4 lässt sich erkennen, dass die Sande möglichst arm an Verunreinigungen sein sollten. Zum Beispiel führen Eisenoxide bereits in kleinen Konzentrationen zu Grünfärbungen. Ab einem Eisenoxidgehalt von über 0,1 % ist ein Entfärben der Gläser nicht mehr möglich. Schwermetalloxide, die als einzelne Körner vorliegen, sind schwer löslich und können so die Glasschmelze stören. Al-Ti-Na-K-Ca- Mg-Oxide sind meist bedeutungslos für die Glasschmelze, sollten aber bestimmte Gehalte nicht übersteigen. Im allgemeinen werden Sande mit Korndurchmessern zwischen 0,1 0,5 mm eingesetzt, da kleine Korngrößen eine homogene Verteilung (z. B. von färbenden Bestandteilen) ermöglichen. Außerdem führen diese Korngrößen zu größeren Oberflächen für die Reaktionen, so dass der Schmelzprozess verkürzt wird. Zu feinkörnige Rohstoffe können aber Läuterungsschwierigkeiten bewirken und es besteht für den Arbeiter aufgrund einer zu hohen Staubentwicklung Silikosegefahr. Des weiteren wirken sich Wassergehalte der Quarzsande von 3-9 % verkürzend auf den Schmelzprozess aus. Jedoch bereiten nasse Sande im Winter bei der Lagerung durch Gefrieren Schwierigkeiten, weshalb oft getrockneter Sand eingesetzt wird. 5 Wasserglas Wasserglas wird hergestellt durch Schmelzen von Quarzsand und Soda (NaCO 3 ) bzw. Pottasche (K 2 CO 3 ) unter Druck. Es entsteht dabei entweder ein Kaliwasserglas oder ein Natronwasserglas. Beispiel Natronwasserglas: SiO 2 + Na 2 CO 3 -> Na 2 SiO 3 + CO 2 Diese Wassergläser sind in Wasser gut löslich. Je nach Lösungsgrad unterscheidet man Einfachwasserglas mit 33 % Feststoffsubstanz in der Lösung und Doppelwasserglas mit 66 % Feststoff. Wasserglas wird verwendet für Silikatfarben, als Abbindebeschleuniger für Zement oder als Kieselsäurefüllstoff für Kunststoff. 8

9 Nach KOENSLER (1989) müssen die Quarzsande für diese Anwendung einen SiO 2 -Anteil von mehr als 99,5 % und weniger als 0,05 % Eisenoxide aufweisen. Weiterhin sollten die Sande tonfrei sein und eine Korngröße von 0,1-0,5 mm haben. 6 Filtersande 6.1 Brunnenfilter Beim Brunnenausbau werden Filtersande und kiese um das Filterrohr in einen Brunnen eingebaut, um dieses zu stützen, um das Einströmen von Feinsanden in den Brunnen zu vermeiden und um das Wasser zu filtern. In der DIN 4924 sind die Anforderungen für Brunnenfiltersande festgelegt: - Es dürfen nur natürliche Sande und Kiese, keine gequetschten oder gebrochenen Gesteinstrümmer verwendet werden. - Die Kornform soll der Kugelform nahe kommen. - Die Körner sollten eine glatte Oberfläche besitzen. - Es sollten etwa 96 % SiO 2 ; nicht mehr als 4 % Ton, Kalk, Glimmer, Feldspat und Eisen sowie weniger als 0,5 % organische Stoffe vorhanden sein. - Der Sand ist klar gewaschen und in gut gesäuberten Transportmitteln zu liefern. - Auf Verlangen muss der Sand feuergetrocknet werden - Der Über- bzw. Unterkornanteil darf die Angaben in Tabelle 5 nicht überschreiten. Tab. 5: Körnungen von Filtersand und kies aus DIN 4924 Beim Einbau der Filtersande ist ein Korngemisch zu wählen, dass dem Grundwasserleiter angepasst ist, so dass die Körner fest lagern und keine Brückenbildungen um die Filterrohröffnungen entstehen. 6.2 Wasserreinigungsfilter Sande in Wasserreinigungsfiltern dienen zur Entfernung von Schweb- und Trübstoffen aus dem Wasser. Die Rohstoffanforderungen an solche Sande sind in der DIN und im KOENSLER (1989) zu finden. Das Aufnahmevermögen eines solchen Filters hängt direkt mit dem Porenvolumen zusammen. Deshalb wird gefordert, dass diese Sande möglichst gleichkörnig sind. Das heißt, die Ungleichförmigkeit sollte kleiner gleich 1,5 sein. Außerdem darf bei Korngruppen über 1 mm der Unter- oder Überkornanteil 10 Gew.-% und bei Korngruppen kleiner 1 mm 5 Gew.-% nicht überschreiten. Weiterhin sollten bei Trinkwassernutzungen keine Verunreinigungen im Filtersand enthalten sein, die das Wasser aufnehmen kann und danach die menschliche Gesundheit gefährden könnte. 9

10 6.3 Gebäudedränung Eine weitere Anwendung von Filtersanden ist die Wasserableitung an Gebäuden. Zu diesem Zweck können nach KOENSLER (1989) folgende Körnungen eingesetzt werden: - sandiger Kies 0/32 mm für Mischfilter - 0/4 mm für Stufenfiltersand - sandiger Kies 4/32 mm - Grobkies 32/63 mm. Dabei sollte das Verhältnis der Korndurchmesser bei 50 % Siebdurchgang von Filter zu entwässernden Boden kleiner gleich 25 sein: df / de Sande als Strahlmittel Sande ohne Bindemittel können als Strahlmittel eingesetzt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass das Strahlgut nicht abgetragen wird. Deshalb wird nach KOENSLER (1989):...die verwendete Korngröße bestimmt durch die kinetische Energie beim Auftreffen auf die Strahlgutoberfläche, diese wächst proportional zu Masse des Korns (Kornvolumen * Dichte) und mit dem Quadrat der Auftreffgeschwindigkeit. In Tabelle 6 sind Beispiele für Korngrößen für ausgewählte Strahlgutoberflächen dargestellt. Tab. 6: Kornbereiche für Strahlmittel nach Koensler (1989) Strahlgut Aluminium Dentalguß Edelstahl Glas mattieren Granit Marmor Holzarbeiten Schuhindustrie Lithographische Anstalten Kornbereich 0,1-0,4 mm 0,1-0,6 mm 0,3-3 mm 0,1-0,5 mm 0,2-1,5 mm 0,2-0,7 mm 0,1-0,7 mm 0,1-0,7 mm 0,1-0,4 mm Ein Vorteil der Quarze ist, dass diese eine geringe plastische Verformbarkeit aufweisen und ein für den Strahlungsprozess ideales Zersplitterungsverhalten zeigen, wie der Fall c) in Abbildung 2 verdeutlicht. 10

11 Abb. 2: Zersplitterungsverhalten mineralischer Strahlmittel nach Koensler (1989) a) b) c) d) Weiterhin sprechen für den Einsatz von Quarzsanden als Strahlungsmittel die langjährige Erfahrung mit dem Stoff, es gibt keine Entsorgungsprobleme und die Kosten sind relativ gering. Aber trotzdem darf Sand als Strahlungsmittel nur unter bestimmten Sicherheitsvorkehrungen genutzt werden, da durch die Staubentwicklung für den Arbeiter Silikosegefahr besteht. 11

12 8 Literaturverzeichnis Bieske, Erich (1992): Bohrbrunnen, R. Oldenbourg Verlag München Wien, 7. Auflage, S.106. DIN 4226 Teil 1: Zuschlag für Beton; Zuschlag mit dichtem Gefüge; Begriffe, Bezeichnungen und Anforderungen aus DIN Taschenbuch 33 (1988): Baustoffe; Bindemittel, Zuschlagstoffe, Mauersteine, Bauplatten, Glas und Dämmstoffe, Beuth Verlag GmbH Berlin, 6. Auflage. DIN 4924: Filtersande und Filterkiese für Brunnenfilter aus DIN Taschenbuch 12 (1989): Wasserversorgung 1, Beuth Verlag GmbH Berlin, 8. Auflage. DIN 19623: Filtersande und Filterkiese für Wasserreinigungsfilter aus DIN Taschenbuch 12 (1989): Wasserversorgung 1, Beuth Verlag GmbH Berlin, 8. Auflage. Flemming, E. & Tilch, W. (1993): Fachbuch Formstoffe und Formverfahren, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, Stuttgart, Seite Koensler, Winfried (1989): Sand und Kies, Enke Verlag Stuttgart. Lange, Joachim (1980): Rohstoffe der Glasindustrie, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1. Auflage, Seite Nölle, Günther (1982): Technik der Glasherstellung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 2. Auflage. Wendehorst (1992): Baustoffkunde, Curt R. Vincentz Verlag Hannover, 23. Auflage. Zeitschrift: Geospektrum (1/99): Zeitschrift der Alfred-Wegener-Stiftung, Spektrum-Akademischer Verlag Heidelberg. 12