Aufbaukörnungen aus heterogenem Abbruchmaterial Dipl.-Ing. Alexander Schnell Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller Fachtagung Recycling R 10 22. und 23. September 2010
2/23 Abfallströme im Bereich Bauschutt Aktuelle Daten für Deutschland: Aufkommen an Bauschutt: 57 Mio. t/a (ohne Straßenaufbruch und Bodenaushub) Recyclingquoten 1995 bis 2008: 68 bis 73 %; stagnierend Einsatzbereiche: Tiefbau, Landschaftsbau Anteil Recycling im Hochbau (als rezyklierte Gesteinskörnung): < 5 % Verwertungsdefizite bei Mauerwerkbruch und Sandfraktionen Deponieraum begrenzt Verbundbaustoffe zukünftige Probleme beim Recycling Fazit: Jährlich werden 15 bis 18 Mio. t Bauschutt nicht verwertet Bedarf an neuen Trenn- und Sortierverfahren und/oder Verfahren zur stofflichen Verwertung
3/23 Zielsetzung und Lösungsansatz Ziel: Leichtgranulate aus heterogenen mineralischen Bauabfällen Anwendungspotentiale für das Produkt: Zuschlag für Leichtbeton Schüttung zur Wärme- und Schalldämmung Trägermaterial zur Mykorrhiza-Bildung, Pflanzgranulat Lösungsansatz: Stoffliche Verwertung nach folgendem Prozessschema: Zerkleinerung Homogenisierung Formgebung Thermische Stabilisierung Brecher Kugelmühle Intensivmischer Drehrohrofen
Bereich 1: Betonzuschlag und Schüttung 4/23 Leichtgranulate: Einsatzgebiete und Anforderungen Schüttdichten < 800 kg/m³, möglichst geringer (< 300 kg/m³) Kornfestigkeit > 1 N/mm², möglichst höher Korndurchmesser: 2 bis 8 mm Keine betonschädlichen Bestandteile (z.b. Chloride) Für Schüttungen: Geruchsneutral, nicht brennbar Bereich 2: Pflanzgranulat Biologische Verträglichkeit Korndurchmesser und -form: Als Hydrokultursubstrate: 2 bis 4 mm, rund Als Beimischung: 1 bis 6 mm, rund Bereich 3: Trägermaterial für Mykorrhiza Optimale Porendurchmesser (um 250 µm) Offene Porosität Biologische Verträglichkeit Korndurchmesser und -form: 2 bis 4 mm, gebrochen Quelle: Amykor GmbH
5/23 Ausgangsmaterialien Bau- und Abbruchabfälle Mauerwerkbruch (MW 0/8, 0/32 und 8/32) Vorsiebmaterial (MW VS) Kalksandsteinbruch (KS 0/32) Porenbetonbruch (PB 0/32) Betonbruch (B 0/32)
6/23 Ausgangsmaterialien: Sortieranalyse
7/23 Ausgangsmaterialien: Chemische Analysen Ausgangsmaterialien im ternären System SiO 2 -Al 2 O 3 - Flussmittel (FM) (Flussmittel = CaO + MgO + Fe 2 O 3 + Na 2 O + K 2 O) Bereich für blähfähige Tonrohstoffe: nach RILEY (1951) nach WILSON (1953) Chance zur stofflichen Verwertung? Quelle: BAM
8/23 Zusatzstoffe und Referenzmaterial Zusatz- und Hilfsstoffe (Trenn- und Porosierungsmittel) Chemische Porosierungsmittel: Siliciumcarbid (SiC), Gasfreisetzung im Bereich der Schmelzphasenbildung Alternative: SiC-haltige Reststoffe Trennmittel für Brennprozess im Drehrohrofen: Korundmehl mit mittl. Korndurchmesser von 2 µm Referenzmaterialien für vergleichende Untersuchungen Marktübliche Blähtone mit unterschiedlichen Rohdichten
9/23 Agglomeration Tests mit Mehlen aus Mauerwerkbruch (Größtkorn 100 µm) Granulierversuche mit Intensivmischer lieferten positive Ergebnisse: Mischen und Agglomerieren in einem Arbeitsschritt im Chargenbetrieb möglich Quelle: Gustav Eirich Maschinenfabrik
10/23 Thermische Behandlung im Drehrohrofen Rezeptur: 97 M.-% MW 0 3 M.-% SiC Trennmittel: Al 2 O 3 Brennprozess: Versuch Ofen Solltemp. max. Temp. Brand Drehzahl Neigung Durchsatz [ C] [ C] [min -1 ] [%] [l/h] MW 0 (Brand 2x) Gero DRF 1240 1180 2x 8,00 4,5 1 bis 3 MW 0 (Brand 1x) 100-1245 1185 1x 9,00 4,5 2 bis 3 MW 0-S (Brand 1x) 750/13 1241 1192 1x 9,00 4,5 2 bis 3
11/23 Thermische Behandlung: Temperaturprofil Temperatur-Zeit-Kurve des Drehrohrofens (bei Geräteeinstellung: 1245 C) gemessene Temperatur [ C] 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 Zeit [s] (0 = Einlass, 480 = Auslass) Verweilzeit: ca. 8 Minuten, davon ca. 4 Minuten > 1000 C Kontinuierlicher Betrieb, Durchsatz 2 bis 3 l/h
12/23 Ergebnisse: Sieblinien der Chargen nach dem Brennen Siebdurchgang [M.-%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 MW 0-S (Brand 1x) MW 0 (Brand 2x) MW 0 (Brand 1x) 1 MW 0 (Brand 1x) 2 MW 0 (Brand 1x) 3 MW 0 (Brand 1x) 4 MW 0 (Brand 1x) 5 MW 0 (Brand 1x) 6 0 0 2 4 8 16 31,5 Maschenweite [mm] Zielkorngröße 2-8 mm: Ausbeute > 90 % (Bereiche Beton/ Pflanzgranulat) Zielkorngröße 0-2 mm: Ausbeute > 80 % (nur für Bereich Pflanzgranulat)
13/23 Ergebnisse: Sieblinie Grüngranulat vs. Endprodukt Durchgang [V.-%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Grüngranulat Gebranntes Granulat 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Korngröße [mm] Volumen nimmt um 70 Prozent zu (über alle Kornklassen) Brand: 1x
14/23 Ergebnisse: Zirkularität Grüngranulat vs. Endprodukt 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 Grüngranulat Gebranntes Granulat 2000 0 1,00 bis 1,03 1,03 bis 1,06 1,06 bis 1,09 1,09 bis 1,12 1,12 bis 1,15 1,15 bis 1,18 1,18 bis 1,21 1,21 bis 1,24 1,24 bis 1,27 1,27 bis 1,30 Partikelanzahl Sphärizitätsklasse Nach Brenn- und Blähvorgang: deutlich mehr Granalien der Zirkularität 1 bis 1,06 Rundung durch Blähvorgang
15/23 Ergebnisse: Schüttdichten 1200 1000 800 600 400 200 667 617 564 420 420 Schüttdichte [kg/m³] 0 MW 0-S (1x) 1/2 MW 0 (1x) 2/4 MW 0 (1x) 4/8 MW 0 (2x) 2/4 MW 0 (2x) 4/8 Zielbereich (< 800 kg/m³) erreicht weitere Absenkung sinnvoll
16/23 Ergebnisse: Porosität 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 63,9 63,7 66,4 77,1 79,3 Porosität (aus Rein- und Rohdichte) [%] MW 0-S (1x) 1/2 MW 0 (1x) 2/4 MW 0 (1x) 4/8 MW 0 (2x) 2/4 MW 0 (2x) 4/8 Konstante Porosität, kaum Abhängigkeit von Kornfraktion Porosität beim 2. Brennvorgang: + 13 %
17/23 Ergebnisse: Einzelkornfestigkeit Messung der Einzelkornfestigkeit mittels Tablettenprüfgerät Grund: Sehr geringe Probemengen sind ausreichend (20 Granalien) Gerät: Pharma Test PTB 511 Korreliert trotz hoher Streuung mit Druckzylinderverfahren nach DIN EN 13055-1 Quelle: PHARMA TEST AG
18/23 Ergebnisse: Einzelkornfestigkeit und Rohdichte Zielbereich für Kornfestigkeit (> 1 N/mm²) erreicht Absenkung der Rohdichte bei konstanter Kornfestigkeit wünschenswert
19/23 Ergebnisse: Einzelkornfestigkeit, Schwankungsbreite Große Schwankungsbreite (über 20 Einzelwerte) bei allen Materialien Schwankungsbreite steigt mit zunehmender Druckfestigkeit u. Rohdichte
20/23 Ergebnisse: Wasseraufnahme Wasseraufnahme nach 24 h [M.-%] 25 20 15 10 5 0 17,9 15,5 20,6 22,2 11,3 11,1 Bt A8 1/4 Bt A5 4/8 Bt B1 2/4 Bt B2 4/8 MW 0 (1x) 2/4 MW 0 (1x) 4/8 Referenzmaterial und RC-Granulate mit Rohdichten um 1 g/cm³ Prüfung nach DIN EN 1097-6 Deutlich geringere Wasseraufnahme als vergleichbare Blähtone
21/23 Zusammenfassung Ausgangsmaterialien Sortieranalyse: Inhomogenität Chemische Analyse: Homogenität Prinzipielle Eignung als Rohstoff: Ja Grüngranulatherstellung Mischen + Granulieren: Intensivmischer favorisiert Transportfestigkeit: Gut Gebrannte Granulate Druckfestigkeiten und Rohdichten: Vergleichbar mit Referenz Wasseranspruch: Geringer als Referenz Zielkorngrößen: Erreicht Porendurchmesser für Bereich Mykorrhiza: Günstig
22/23 Ausblick Ziel 1: Absenkung der Schüttdichten auf < 300 kg/m³ Variation Ausgangsmaterial Variation Zugabemenge SiC Variation technische Parameter Drehrohrofen Ziel 2: Prozessoptimierung hinsichtlich minimaler Kosten Tests mit SiC-haltigen Reststoffen Variation technische Parameter Granulier- und Brennprozess Vergleich Rollgranulierung vs. Mischgranulierung Ziel 3: Maximale Reproduzierbarkeit und Umsetzung in die Praxis Mörtel- und Betonversuche Untersuchungen zur Gleichmäßigkeit von Mauerwerkbruch Upscaling auf halbtechnischen Maßstab: Granulier- und Brennprozess
23/23 Recycling R 10 Vielen Dank! www.aufbaukoernung.de www.uni-weimar.de/bauing/aufber