Das System der Melilith-Mischkristallreihe zur Schaffung inertisierter, künstlicher Gesteinskörnung durch Sekundärstoffverklinkerung

Elsner, Felix

doi:10.21268/20240912-0

published

Das System der Melilith-Mischkristallreihe zur Schaffung inertisierter, künstlicher Gesteinskörnung durch Sekundärstoffverklinkerung

German
English

Die globale Bauindustrie wäre ohne den Hochleistungswerkstoff Beton, welcher grundlegend aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung hergestellt wird, nicht technologisch und wirtschaftlich realisierbar. Letztere stellt ca. 65 Vol.-% des Baustoffs dar und wird in der Regel durch primäre Ressourcen gedeckt. Durch zukünftiges Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum, insbesondere in Schwellenländern, wird eine Zunahme des Gesteinskörnungsbedarfs bis 2050 von ca. 28 % auf 37.125 Mt/a prognostiziert [WEB1]. In Kombination mit größtenteils linearen Wirtschaftsansätzen, widerspricht dies den Bestrebungen der Europäischen Union bezüglich Nachhaltigkeit [EU 11]. Demgegenüber resultieren vielfältige mineralische Sekundärstoffströme aus industriellen Prozessen, welche häufig ressourcenverschwendende Deponierung anstelle wertschöpfender Verwertung erfahren.
In der vorliegenden Dissertation wurde ein neuer, synergistischer Lösungsansatz verfolgt, um künstliche inerte Gesteinskörnung durch Sekundärstoffverklinkerung zu generieren, kurz SeKlink. Dies wurde durch einen Hochtemperatursinterprozess und der gezielten Bildung von Phasen der Melilith-Mischkristallreihe erreicht. Melilithe sind, als dominierende Kristallphase des etablierten Sekundärbaustoffs Hochofenstückschlacke, für ihre mechanische Festigkeit, Auslaugungswiderstand und Dauerhaftigkeit bekannt. Sie bilden darüber hinaus ein ausgedehntes Primärausscheidungsgebiet innerhalb des quaternären Systems CaO-MgO-SiO2-Al2O3.
Geeignete Mischungszusammensetzungen, nahe des minimalen Schmelzintervalls, wurden hergestellt, nach statistischer Brennversuchsplanung phasenanalytisch mittels Röntgenbeugungsanalytik untersucht und hinsichtlich wirtschaftlicher Sinterparameter optimiert. Aufbauende Skalierungsversuche im Technikumsmaßstab ermöglichten die Herstellung ausreichender SeKlink-Mengen für normative Prüfverfahren, bei zusätzlicher Optimierung des gesinterten Gefüges. Im Vergleich zu marktüblichen Quarzitkiesen und Hochofenstückschlacken wurden für SeKlink keine signifikanten Abweichungen in Bezug auf mechanische Kornfestigkeit, Frost-Tau-Wechsel-Widerstand sowie betontechnische Kennwerte identifiziert. Weiterhin wurden alle betrachteten Grenzwertvorgaben durch Normen und Richtlinien erfüllt.
Das anzunehmende Korrosionspotential noch vorkommender amorpher Phasenanteile wurde experimentell und mittels thermodynamischer Modellierung betrachtet. Durch eine Anpassung der Kühlrate nach der Hochtemperaturstufe kann dieses Risiko minimiert werden. Ein ausgearbeitetes Prozessschema einschließlich einer Überschlagsrechnung der Produktionskosten zeigte, dass ein nachhaltiges Wirtschaften im industriellen Maßstab realisierbar wäre, unter der Annahme eines adäquaten finanziellen Entsorgungsbeitrags der verwerteten Sekundärstoffe.

The global construction industry would not be economically or technically feasible without the engineering material concrete, which is elementary composed of cement, water and aggregate. The latter represents approximately 65 vol. % of the construction material and is typically sourced from primary resources. Due to future population and economic growth, particularly in emerging economies, an increase in the demand for aggregates is projected to reach approximately 37,125 Mt/a by 2050, indicating a 28 % growth [WEB1]. In line with predominantly linear economic practices, this contradicts the sustainability efforts of the European Union [EU 11]. In contrast to these efforts, diverse secondary mineral material streams result from industrial processes and are often subjected to resource-wasting landfilling instead of value-added utilization.
Proposing an innovative approach, this dissertation is centered on the creation of artificial aggregate through clinkerization of secondary materials, here named SeKlink. This was achieved through a high-temperature sintering process with targeted formation of phases within the melilite solid solution series.
Melilites, the predominant crystalline phase of the well-established secondary building material blast furnace slag, are known for their mechanical strength, leaching resistance, and durability. They constitute a large primary phase space within the quaternary system CaO-MgO-SiO2-Al2O3. Suitable mixture compositions, close to the minimal melting interval, were produced, examined through a statistical design of experiment for sintering trials, followed by a consecutive phase analysis by X-ray diffractometry and optimized in terms of economic sintering parameters. Scale-up trials enabled for the production of sufficient SeKlink-quantities for state-of-the-art testing procedures, in addition to the optimization of the microstructure of the sintered artificial aggregate. No significant deviations were observed for SeKlink, in comparison to quartzite gravel and blast furnace slag, regarding mechanical grain strength, freeze-thaw resistance, and technological concrete properties. Simultaneously, all relevant regulatory requirements were achieved.
The assumed corrosion potential of remaining amorphous phases was experimentally examined and assessed through thermodynamic modelling. This risk can be minimized by adjusting the cooling rate after the high-temperature stage. A general process layout, including a cost estimation for production, demonstrated the feasibility of industrial-scale operations, suggesting a financial contribution for the utilization of the secondary material.