DE102006049836B4

DE102006049836B4 - Verfahren zur Herstellung eines hydraulisch erhärtenden Bindemittels aus Calciumsilikathydraten oder Zementstein als Bindephase und Zuschlagstoffe enthaltenden Baureststoffen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102006049836B4
Application number: DE102006049836A
Authority: DE
Inventors: Winfried Prof Dr.-Ing. Malorny; Kai-Uwe Dr. Niedersen
Original assignee: HOCHSCHULE NEUBRANDENBURG
Current assignee: MALORNY, WINFRIED, PROF. DR.-ING., DE; Niedersen Kai-Uwe Dr De; PERBIX, WOLFGANG, DR., DE
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: DE102006049836A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hydraulisch erhärtenden Bindemittels aus Calciumsilikathydraten oder Zementstein als Bindephase und Zuschlagstoffe enthaltenden Baureststoffen, bei dem
die Baureststoffe auf eine Korngröße kleiner 10 mm zerkleinert werden, wobei die Zerkleinerung durch abrasives Mahlen in einer Walzentellermühle oder Kugelmühle derart selektiv erfolgt, dass aufgrund der geringen Bindungskräfte zwischen Zuschlagstoffen und Bindephase bevorzugt die Bindephase von den Zuschlagstoffen abgelöst und derart zerkleinert wird, dass eine Anreicherung der Bindephase in die Mehlkornfraktion erfolgt,
durch Sieben und/oder Sichten auf eine Kornfraktion kleiner 0,063 mm eine Abtrennung von Zuschlagstoffen und eine Anreicherung an Bindephase bis zu 50 Gew.-% in der verbleibenden Stoffmenge durchgeführt wird
und die verbleibende Stoffmenge anschließend auf 600 bis 800°C über einen Zeitraum von 0,25 bis zu 10 Stunden erhitzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels aus Baureststoffen, die als Bindephase Calciumsilikathydrate bzw. Zementstein enthalten. Das sind insbesondere Abbruchbeton, Betonbrechsand, hydraulische Mörtel, Porenbetonbruch und Kalksandsteinbruch bzw. Gemische aus diesen Stoffen.
Weiterhin werden Verwendungen des erfindungsgemäß hergestellten hydraulischen Bindemittels aufgezeigt.
Stand der Technik
Jährlich fallen allein in Deutschland mehrere Millionen Tonnen Baureststoffe aus Abbruch an. Diese bestehen überwiegend aus Beton, Steinen und Mörtel, sowie sonstigen Beimengungen wie Baustahl und Kunststoffen. Es ist bisher üblich, diese Baurestmassen in Fraktionen zu zerkleinern und Fremdstoffe auszusondern. Je nach Kornklassen werden die mineralischen Bestandteile als Schotter, Splitt, Betonbrechsand usw. wiederverwendet.
Der im derzeitigen Aufkommen an Baurestmassen enthaltene Bindemittelanteil an Calciumsilikathydraten bzw. Zementstein gehen einer höherwertigen Wiederverwendung verloren.
Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, die aus den Baurestmassen und anderen Abfallstoffen Rohmehlersatzstoffe für die Zementherstellung gewinnen. In der DE 198 33 447 C2 wird ein Verfahren offenbart, nach dem verschiedene Abfallstoffe, darunter auch Bauschutt, eingesetzt werden, um einen Rohmehlersatzstoff herzustellen. Hierzu werden diese gezielt gemischt und nach Bedarf mit speziellen Zuschlagstoffen versetzt. Diese Mischung wird dem Rohmehl bei der Zementherstellung zugemischt.
Gemäß der DE 198 33 430 A1 werden kontaminierte Baureststoffe als Rohmehlersatzstoffe aufbereitet, in dem diese nach der Zerkleinerung auf 150 bis 400°C erhitzt und anschließend Zuschlagstoffe wie Kalkstein zugegeben werden.
Durch die DE 196 41 583 C2 ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels aus Betonabfällen bekannt. Danach wird der Betonabbruch zur Festigkeitsreduzierung erhitzt, anschließend zerkleinert und die Füllstoffe abgesiebt. Die verbleibende Stoffmenge wird mit Zugaben zur Förderung der Klinkerphasenbildung versetzt und auf 800 bis 1450°C erhitzt.
Die bekannten Verfahren haben den wesentlichen Nachteil, dass ein hoher Energieeinsatz für die Erzeugung des hydraulischen Bindemittels erforderlich ist. Das ist dadurch bedingt, dass zusätzlich zur erforderlichen Verfahrensweise zur konventionellen Zementklinkerherstellung Energie für die Aufbereitungsprozesse und Vorwärmung etc. erforderlich ist.
Durch einen Fachartikel – Identifizierung der Zementart in hydratisierten Betonen und Mörteln von Prof. Dr. -Ing. habil. Anette Müller u. a., Bauhaus Universität Weimar, ist es auch bekannt, dass bei Temperaturen ab 250°C Zersetzungsreaktionen der C-S-H-Phase im Beton einsetzen und bei 600°C bis 1000°C erste Zersetzungsreaktionen abgeschlossen sind.
In der JP 10 114 556 A wird ein Verfahren zur Herstellung von recyceltem Zement sowie ein recycelter Zement vorgeschlagen. Danach werden die beim Abbau von Betonkonstruktionen in einem begrenzten Anteil anfallenden kleinen Körner durch Siebe mit einer Maschenweite von 2,5 mm bis 0,3 mm separiert. Dieser verbleibende Anteil wird weiter zerkleinert und dabei oder danach mit 400°C bis 800°C wärmebehandelt. Anschließend erfolgt eine weitere Zerkleinerung auf eine Korngröße unter 0,1 mm. Durch Zusätze von Hochofenschlacke, Flugasche und Aktivpuzzolan zu dem so hergestellten „Restbetonpulver” wird ein recycelter Zement hergestellt.
Nachteilig in dem Verfahren ist, dass der Anteil kleiner Körner einen größeren, unbestimmten Anteil von Zuschlagstoffen enthält. Mit der weiteren Aufbereitung aller Bestandteile ist der Anteil an Bindemittel im so hergestellten „Restbetonpulver” begrenzt. Nur durch weitere Zusätze kann eine ausreichende Qualität des Bindemittels erreicht werden. Weiterhin wird die Rückgewinnung von Bindemittel aus Abbruchbeton auf deren Bruchanteil mit einer Körnung von 2,5 mm und kleiner beschränkt. Eine gezielte Zerkleinerung und Anreicherung von Bindemitteln aus der Gesamtmasse erfolgen nicht.
Die JP 2005320202 A beschreibt ein Verfahren nach dem Betonabfälle zu Pulver zerkleinert und diese bei 300 bis 500°C getrocknet werden.
Die JP 07300354 A schlägt vor, Zementspanplatten auf kleiner/gleich 5 mm zu zerkleinern und dann auf 300 bis 950°C zu erhitzen. Dadurch werden die Holzkomponenten verbrannt. Die verbleibenden Zementbestandteile werden mit Zement vermischt und wieder für die Herstellung von Zementspanplatten eingesetzt.
Beide Verfahren erzeugen kein hochwertiges Bindemittel.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Rückgewinnung hydraulischer Bindemittel aus Calciumsilikathydrate bzw. Zementstein enthaltenden Baureststoffen, insbesondere Abbruchbeton, zu schaffen, das einen vergleichsweise niedrigeren Energieeinsatz erfordert, in dem die Aufbereitungsphase vereinfacht, der überwiegende Bindemittelanteil zurückgewonnen und eine thermische Behandlung mit niedrigen Temperaturen erfolgt.
Eine weitere Aufgabe ist die effektive Verwendung des so erzeugten hydraulischen Bindemittels.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.
Danach werden die Calciumsilikathydrate bzw. Zementstein enthaltenden Baureststoffe auf eine Korngröße kleiner 10 mm zerkleinert, wobei die Zerkleinerung durch abrasives Mahlen in einer Walzentellermühle oder Kugelmühle derart selektiv erfolgt, dass aufgrund der geringen Bindungskräfte zwischen Zuschlagstoffen und Bindephase bevorzugt die Bindephase von den Zuschlagstoffen abgelöst und derart zerkleinert wird, dass eine Anreicherung der Bindephase in die Mehlkornfraktion erfolgt. Durch Sieben und/oder Sichten auf eine Kornfraktion kleiner 0,063 mm wird eine Abtrennung von Zuschlagstoffen und eine Anreicherung an Bindephase bis zu 50 Gew.-% in der verbleibenden Stoffmenge durchgeführt und die verbleibende Stoffmenge anschließend auf 600 bis 800°C über einen Zeitraum von 0,25 bis zu 10 Stunden erhitzt.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, das im Baustoff die Bindungskräfte zwischen den Zuschlagstoffen und der umhüllenden Bindemittelmatrix am niedrigsten sind. Durch einen höheren Zerkleinerungsgrad mittels abrasives Mahlen und Abtrennung der gröberen Füllstoffe kann der verbleibende Baureststoffanteil mit Bindemittelanteilen angereichert werden. Das Mahlen kann z. B. mit einer Walzentellermühle oder, unter Nutzung geeigneter Mahlkörper, mit einer Kugelmühle realisiert werden. Dabei werden die an den Zuschlagstoffen der Baureststoffe befindlichen Bindemittel abrasiv entfernt und zerkleinert, wodurch eine Anreicherung der Bindemittel in der Mehlkornfraktion erfolgt.
Es wurde weiterhin überraschend gefunden, dass bei einer anschließenden Erhitzung auf 600 bis 800°C das entstehende Dicalciumsilikat in Modifikationen vorliegt, welche wesentlich reaktiver sind als die im technischen Zementklinker enthaltene Belit-Phase. Das wird auf die vom konventionellen Zementklinkerbrand abweichende Genese der erzeugten hydraulischen Bindemittel zurückgeführt. Offenkundig unterscheiden sich die Phasenbildungsbedingungen bei der thermisch induzierten C₂S-Entstehung aus dem Calciumsilicathydratgel des Zementsteins maßgeblich von denen des Zementklinkerbrandes. Untersuchungen zeigten, dass sich die Bildung der aus der Technologie des klassischen Zementklinkerbrandes wohlbekannte, langsam erhärtende β-Phase des Dicalciumsilikates durch geeignete Prozessführung zugunsten der Bildung wesentlich reaktiverer Phasen unterdrücken lässt, so dass eine normzementähnliche Festigkeitsentwicklung erzielt werden kann.
Erstaunlicherweise erfolgt die Bildung der gewünschten hydraulisch aktiveren Umwandlungsprodukte bei vergleichsweise niedriger Temperatur, die optimal im Bereich um 700°C liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird der zerkleinerte, in den Feinanteilen angereicherte Baureststoff maximal 30 Minuten bei 700 ± 20°C erhitzt.
Dadurch wird die Entsäuerung des Calciumcarbonats vermieden.
Durch eine Trocknung der Baureststoffe vor der Zerkleinerung oder vor der Anreicherung der Bindephase durch Sieben und/oder Sichten gemäß Anspruch 3 werden die nachfolgenden Verfahrensschritte effektiver. Zur Trocknung kann die Abwärme aus dem letzten Verfahrensschritt, der thermischen Behandlung, genutzt werden.
In den Ansprüchen 4 bis 8 sind besondere, vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäß hergestellten Bindemittels aufgeführt.
Für den Einsatz des Bindemittels bei geringeren Anforderungen, wie die Verdämmung, Hohlraumverfüllung usw., kann das Bindemittel nach Anspruch 4 alleine oder in Mischung mit Füllstoffen verwendet werden.
Im Bindemittel ist, je nach Aufbereitung, ein geringer bis größerer Anteil primärer Zuschlagstoffe enthalten. Zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften im Endprodukt, wie z. B. Druckfestigkeit, wird gemäß Anspruch 5 vorgeschlagen, diesen Anteil an Zuschlagstoffen bei der Mischung mit weiteren Zuschlagstoffen zu berücksichtigen.
Eine weitere bevorzugte Verwendung nach Anspruch 6 ist der Einsatz des. Bindemittels für die Herstellung hydrothermal erzeugter Baustoffe.
Das sind nach Anspruch 7 Kalksandstein oder Porenbeton. Hier kann das Bindemittel mit geringeren bis großen Mischungsanteilen eingesetzt werden.
Gemäß Anspruch 8 kann das Bindemittel auch als Grundstoff für die Herstellung eines Feinstbindemittels eingesetzt werden. Für diese Verwendung wird nur der durch Sieben und/oder Sichtung gewonnene Feinanteil eingesetzt. Es besteht hier die Möglichkeit, den Feinanteil durch eine intensivere Zerkleinerung der Baureststoffe wesentlich zu erhöhen.
Beispiele
Nachfolgend soll das Verfahren an einem Beispiel erläutert werden.
Die 1 zeigt die Verfahrensstufen nach Beispiel 1
Das entwickelte und erprobte Verfahren umfasst die mechanisch/thermische Aufarbeitung von Calciumsilikathydrat bzw. Zementstein enthaltenden Baureststoffen. Die optimale Vorgehensweise zum Erhalt einer maximalen Bindemittelausbeute als auch zur Rückgewinnung der hydraulischen Eigenschaften besteht in der nachstehenden Kombination von Verfahrensschritten.

a) Vortrocknung der Mineralstoffe
b) Selektive Zerkleinerung der Mineralstoffe auf Korngrößen < 1 mm
c) Abtrennung der bindemittelreichen Feinkornfraktion mittels Sichten (Recyclingzement – Vorstufe)
d) Thermische Behandlung der Recyclingzement – Vorstufe bei 700°C

Im ersten Verfahrensschritt erfolgt die Trocknung der Baureststoffe zur Herstellung der Rieselfähigkeit der Mineralstoffe unter Nutzung der bei der thermischen Behandlung anfallenden Abwärme.
Die sich anschließende selektive Zerkleinerung des Abbruchs hat die weitestgehende mechanische Trennung des Verbundes zwischen Zementstein und Zuschlag zum Ziel und wird bis zum Erhalt von Korngrößen < 1 mm durchgeführt. Dafür geeignete Zerkleinerungsaggregate sind z. B. Walzentellermühlen. Im Zuge der selektiven Zerkleinerung reichert sich der Zementstein bzw. Calciumsilikathydrat in der Mehlkornfraktion an.
Prinzipiell besteht an dieser Stelle die Möglichkeit eine bindemittelreiche Kornfraktion durch Siebung abzutrennen. Geringe Unterschiede in den Rohdichten zwischen Zementstein und Zuschlag ermöglichen allerdings die Steigerung der Ausbeute an hydratisiertem Bindemittel durch die Abtrennung der bindemittelreichen Feinkornfraktion durch geeignete Sichtermethoden.
In einem Korngrößenbereich von ca. 0–0,063 mm enthält die dabei erhaltene Recyclingzement-Vorstufe bis zu 50% Bindemittel.
Die thermische Behandlung zur Rückgewinnung der hydraulischen Eigenschaften im Recyclat über 30–60 min erfolgt bei Temperaturen um 700°C. Über die Verlängerung der thermischen Behandlung ist die Steuerung des Entsäuerungsgrades von im Recyclat vorhandenem, carbonatisiertem Kalk möglich.
Das erhaltene Produkt ist ein Recyclingzement, welcher bezüglich der Festigkeitsentwicklung und der Festigkeit einem handelsüblichen Zement vergleichbar ist, dennoch anwendungsbezogen spezifische Eigenschaften aufweist, die von Normzementen nicht erbracht werden.
Die aufzuwendende Energiemenge entspricht dagegen nur ca. einem Drittel der Menge, welche zur Klinkerherstellung bei der Produktion von Zement benötigt wird.
Neben Abbruchbeton und Betonbrechsand sind mineralische Bau- bzw. Reststoffe wie z. B. hydraulische Mörtel und Putze, Porenbetonbruch, Kalksandsteinbruch etc. als Verfahrensinput geeignet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hydraulisch erhärtenden Bindemittels aus Calciumsilikathydraten oder Zementstein als Bindephase und Zuschlagstoffe enthaltenden Baureststoffen, bei dem die Baureststoffe auf eine Korngröße kleiner 10 mm zerkleinert werden, wobei die Zerkleinerung durch abrasives Mahlen in einer Walzentellermühle oder Kugelmühle derart selektiv erfolgt, dass aufgrund der geringen Bindungskräfte zwischen Zuschlagstoffen und Bindephase bevorzugt die Bindephase von den Zuschlagstoffen abgelöst und derart zerkleinert wird, dass eine Anreicherung der Bindephase in die Mehlkornfraktion erfolgt, durch Sieben und/oder Sichten auf eine Kornfraktion kleiner 0,063 mm eine Abtrennung von Zuschlagstoffen und eine Anreicherung an Bindephase bis zu 50 Gew.-% in der verbleibenden Stoffmenge durchgeführt wird und die verbleibende Stoffmenge anschließend auf 600 bis 800°C über einen Zeitraum von 0,25 bis zu 10 Stunden erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zerkleinerte, in den Feinanteilen angereicherte Baureststoff maximal 30 Minuten bei 700 ± 20°C erhitzt wird, um die Entsäuerung von Calciumcarbonat zu vermeiden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Baureststoff vor der Zerkleinerung oder vor der Anreicherung der Bindephase durch Sieben und/oder Sichten getrocknet wird.
Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten hydraulischen Bindemittels, dadurch gekennzeichnet, dass dieses alleine oder in Mischung mit Füllstoffen im Erdbau und Grundbau zur Verdämmung, Hohlraumverfüllung, im Straßen- und Wegebau zur Bodenstabilisierung, Bodenverbesserung oder Bodenverfestigung verwendet wird.
Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten hydraulischen Bindemittels, dadurch gekennzeichnet, dass bei seiner Mischung mit Zuschlagstoffen der bereits im erfindungsgemäß hergestellten Bindemittel enthaltene Anteil von Zuschlagstoffen berücksichtigt wird.
Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten hydraulischen Bindemittels, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Herstellung hydrothermal erzeugter Baustoffe eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Bindemittel zur Herstellung von Porenbeton oder Kalksandstein eingesetzt wird.
Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten hydraulischen Bindemittels, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Grundstoff für die Herstellung eines Feinstbindemittels eingesetzt wird.