Hydraulisch wirksamer Zusatzstoff als „Klinkerersatz“
wopfinger baustoffindustrie
In den letzten vier Jahren wurde im Zuge eines Forschungsprojektes in der Wopfinger Baustoffindustrie GmbH ein hydraulisch wirksamer Zusatzstoff als Klinkerersatz entwickelt. Das Projekt hatte zur Zielsetzung, der Zementindustrie eine wirksame Möglichkeit zur CO2-Reduktion zu bieten, ökonomische Vorteile zu erreichen und das Vorhaben mit den bestehenden Zementanlagen verwirklichen zu können.
1 Einleitung
1 Einleitung
Beispielrechnungen haben ergeben, dass bei der Produktion von Portlandzementklinker rd. 25 % und bei der Produktion von Klinkerersatz rd. 46 % mineralische Reststoffe zugesetzt werden können. Durch die günstigeren Beschaffungskosten der Sekundärrohstoffe werden beachtliche finanzielle Vorteile erzielt.
Zusätzliche Kosteneinsparungen entstehen dadurch, dass bei der Produktion von Portlandzementklinker rd. 1,65 t Rohmehl je Tonne Klinker und von Klinkerersatz nur rd. 1,21 t Rohmehl je Tonne Klinker benötigt werden – dass heißt um 25-27 % weniger Rohmehl.
Seit über 40 Jahren laufen Versuche, um die genannten Vorteile mit niedrigem CaO-Gehalt in die Praxis umzusetzen. Mehrere Patente und Veröffentlichungen (11/1971)[1] zum Kalziumsulfoaluminatzement sind bekannt. Klinker mit dieser Zusammensetzung haben einen hohen Schmelzphasenanteil und einen engen Schmelztemperaturbereich, die das Brennen erschweren. Der gebrannte Klinker weist eine hohe Reaktivität, rasches Abbindverhalten und hohe Frühfestigkeiten auf. Durch diese Eigenschaften eignen sich diese Sulfoaluminatzemente ausgezeichnet für Produkte mit besonderen Anforderungen, wie z.B. schnell bindende Reparaturmörtel. Wegen ihrer großen Empfindlichkeit z.B. auf die Wasserdosierung, Temperaturschwankungen oder – vor allem – die genau Zugabe von Verzögerern sind diese Zemente bei der Verarbeitung schwer beherrschbar und dadurch für die Anwendung bei Massenbeton problematisch bis ungeeignet.
Der mit Wopfinger entwickelte hydraulisch wirksame Klinkerersatz weist eine geringere Reaktivität auf. Hauptsächlich besteht er aus Monokalziumsilikat- und Monokalziumaluminatphasen, die bekanntlich eine starke Nacherhärtung und damit ausgezeichnete Langzeitfestigkeiten aufweisen, aber durch die langsamere Erhärtung auch niedrigere Frühfestigkeiten verursachen. Nach zahlreichen Versuchsbränden ist es nun gelungen ein Produkt zu entwickeln, welches mit Portlandzementklinker zufriedenstellende Frühfestigkeiten ergibt und für eine breite Anwendung geeignet ist. Das Verfahren und das Produkt sind patentrechtlich geschützt.
2 Festigkeitsentwicklung im Vergleich zu
üblichen Portlandzementen
Wie aus Tabelle 2 deutlich zu erkennen ist, wurden trotz der höheren Dosierung von Klinkerersatz deutlich höhere Frühfestigkeiten erreicht als bei den Zementen mit üblichen Zumahlstoffen. Somit lassen sich folgende positive Eigenschaften beim Zement mit Klinkerersatz zusammenfassen:
Höhere Frühfestigkeiten verringern die Austrocknungsgefahr, wodurch der Nachbehandlungsbedarf günstig beeinflusst wird.
Die Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton wird durch den Einsatz von Zementen mit Klinkerersatz besonders gesteigert. Einerseits bewirken die, durch den niedrigen Kalkstandard resultierenden Monokalziumsilikate und Monokalziumaluminate eine starke Nacherhärtung, während andererseits durch die bessere Mahlbarkeit des Klinkerersatzes eine höhere Feinheit, eine hohe Verdichtung und damit ein dichtes Betongefüge resultiert, was wiederum einen undurchlässigen, dichten Beton mit langer Lebensdauer nach sich zieht.
Geringere Wärmeentwicklung bei der Bildung der Hydratphasen, wodurch auch das Risiko von Rissbildung stark reduziert wird.
Erhöhter Sulfatwiderstand in Folge des verminderten Trikalziumaluminatanteils.
Zusätzliche Untersuchungen zeigen, dass Beton aus diesem Zement mit Klinkerersatz auch frost-tausalzbeständig ist.
Ein weiterer Vorteil des Klinkerersatzes besteht darin, dass bei seiner Herstellung 50-60 % weniger Kohlendioxid als bei herkömmlichem Portlandzementklinker freigesetzt wird. Dabei wird der Gesamt-CO2-Ausstoß stark reduziert, was einerseits aus dem geringeren CO2-Ausstoß bei der Dekarbonatisierung der Rohmehlmischung und andererseits aus dem geringeren Brennstoffbedarf resultiert.
Besonders günstig wirkt sich zusätzlich die geringe Brenntemperatur aus, die niedriger als üblich ist und daher den Feuerraum weniger belastet. Üblicherweise wird Portlandzementklinker bei 1.380°C gebrannt, der hier vorgestellte Klinkerersatz kann jedoch schon bei rd. 1200 °C gebrannt werden.
Zusätzlich weist der gebrannte Klinkerersatz eine gute Mahlbarkeit auf, weswegen auch hier ein geringerer Energieaufwand bei der Mahlung nötig wird.
Zu erwähnen ist auch, dass dieser Klinkerersatz auf herkömmlichen Zementanlagen hergestellt werden kann, sodass keine größeren Investitionen zu dessen Herstellung notwendig sind.
Der Brand verlief durch die niedrigere Feuerraumbelastung ohne stärkere Ansatzbildung störungsfrei. Trotz der rd. 9 % höheren Leistung konnte der Erdgasbedarf auf die Hälfte gesenkt werden. Dies ergibt insgesamt eine Energieeinsparung von über 50 %. Die Reduktion des CO2-Ausstoßes lag bei 57 %. Der gebrannte Klinkerersatz zeigt eine gleichmäßige Qualität und weist eine wesentlich bessere Mahlbarkeit auf als die herkömmlicher Portlandzementklinker.
Die Leistung der Drehrohrofenanlagen wird in erster Linie durch die höchstmögliche Wärmeeinbringung bestimmt. Der stark reduzierte Energiebedarf des Klinkerersatzes ermöglicht daher eine wesentliche Leistungssteigerung der Drehrohrofenanlage im Vergleich zum klassischen Portlandzementklinkerbrand. Falls die Randbedingungen, wie z.B. die Kapazität des Rohmehl- bzw. Klinkertransportes oder die Ofendrehzahl der höheren Ofenleistung angepasst werden müssen, können diese mit einem angemessenen Investitionsaufwand vorgenommen werden. Aufgrund der geringeren thermischen Belastung im Ofen verlief die Verbrennung ohne Störungen und ohne Zunahme der Ablagerungen.
3 Zusammenfassung
Ökonomisch ergeben sich wesentlich günstigere Rohstoffkosten, ein stark reduzierter Energiebedarf, eine deutlich höhere Ofenleistung und eine leichtere Mahlbarkeit des resultierenden Klinkers.
Produktspezifisch ermöglicht der Zement mit Klinkerersatz ein breites Anwendungsgebiet mit nachhaltiger Verbesserung des Brennprozesses und eine gleichmäßige Produktqualität durch die Steuerung der Rohstoffmischung. Hinzu kommt, dass der Klinkerersatz in bereits vorhandenen Produktionsanlagen gebrannt werden kann und eine besondere Bedeutung für Länder hat, in denen keine oder kaum oder auch zu teure Zumahlstoffe zur Verfügung stehen.
tab ZKG KOMBI Test
Es handelt sich hierbei um ein Testangebot. Es berechtigt zu keinem gültigen Abonnement und steht hier rein für Testläufe. Bitte diesem Prozess nicht folgen.
Es handelt sich hierbei um ein Testangebot. Es berechtigt zu keinem gültigen Abonnement und steht hier rein für Testläufe. Bitte diesem Prozess nicht folgen.
tab ZKG KOMBI Study Test
Es handelt sich hierbei um ein Testangebot. Es berechtigt zu keinem gültigen Abonnement und steht hier rein für Testläufe. Bitte diesem Prozess nicht folgen.
Es handelt sich hierbei um ein Testangebot. Es berechtigt zu keinem gültigen Abonnement und steht hier rein für Testläufe. Bitte diesem Prozess nicht folgen.
