Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller, Dipl.-Ing. Ines Döring, Dipl.-Ing. Manuela Knorr, Dr. sc. nat. Annett Lipowsky, Dr.-Ing. Ulrich Palzer, Dr.-Ing. Barbara Leydolph

Entwicklungen zum Recycling von Ziegeln und Ziegelmauerwerk (Teil 2)

Der Ziegel ist ein Baustoff mit langer Tradition. Seine Produkteigenschaften weiterzuentwickeln, ist Gegenstand vielfältiger Bemühungen. Um die Nachhaltigkeit des Baustoffs zu bestätigen, steht als neue Fragestellung seine Rezyklierbarkeit im Fokus. Gemeinsam mit der Ziegelindustrie wurden am IAB Weimar und am IZF Essen mehrere Forschungsthemen bearbeitet. Teil 2 befasst sich mit dem Ziegel als Rohstoffsubstitut.

4 Schwerpunkt 2: Ziegel als Rohstoffsubstitut

Im Mittelpunkt stand die Verwertung von feinkörnigem Ziegelbruch aus dem Gebäuderückbau als Rohstoffkomponente für die erneute Ziegelherstellung. Wie aus den in der Literatur beschriebenen Untersuchungen [6], [7], [8] hervorgeht, sollte die Partikelgröße des eingesetzten Sekundärrohstoffs Ziegelmehl 200 µm nicht überschreiten. Der Gesamtschwefelgehalt sollte unterhalb von 0,5 Masse-% liegen. Die weiteren Anforderungen beziehen sich auf kalkhaltige Bestandteile, die durch folgende Empfehlungen begrenzt werden:

Glühverlust < 3 Masse-%

Calciumcarbonatgehalt < 10 Masse-% und

Gehalt an Mörtel und Beton < 20 Masse-%

Im Gegensatz zu diesen Anforderungen wurden in den hier beschriebenen Untersuchungen grobkörnigere Varianten als Rohstoffsubstitut eingesetzt, um zu erproben, ob ein direkter Einsatz von Ziegelsanden ohne zusätzliche Zerkleinerung möglich ist. Außerdem waren neben sortenreinen Ziegeln aus dem Rückbau auch Rezyklate verschiedener Recylingunternehmen Gegenstand der Untersuchungen. Diese enthielten erhebliche Anteile ziegelfremder mineralischer Bestandteile und erfüllten die oben genannten Anforderungen nicht immer.

4.1 Material und Methoden

Die Rezyklate stammen aus unterschiedlichen Quellen. Sortenreine gebrauchte Ziegelvarietäten, die bestimmten Qualitäten zugeordnet werden können, wurden selektiv aus Bauwerken, deren Rückbau sich in Vorbereitung oder in der Realisierung befand, als Bruch entnommen. Zusätzlich wurde sortenreiner Ziegelbruch, der überwiegend aus Klinkern und Dachziegeln bestand, von einem Recyclingunternehmen bezogen. Das weitere Altmaterial stammte aus unterschiedlichen Quellen. Der neue Ziegelbruch stand dank des Forschungsprojektes „Füllziegelrecycling“ zur Verfügung (»15).

Die beschafften Rezyklate wurden zunächst in die Fraktionen kleiner und größer 4 mm klassiert. Die Fraktionen < 4 mm wurden ausführlich hinsichtlich der Eigenschaften, die für die Verwertung als Sekundärrohstoff maßgeblich sind, charakterisiert. Der Gesamtschwefelgehalt wurde mittels Schwefel-Kohlenstoff-Analysator, der CaO-Gehalt mittels Röntgenfluoreszenzanalyse und der Carbonatgehalt mittels Differential-Thermo-Analyse bestimmt. Die Materialzusammensetzung der Rezyklate wurde durch Auszählen der Partikel nach deren Farbe unter einem Digitalmikroskop ermittelt. Vorversuche ergaben, dass mit dieser Methode die Unterscheidung zwischen Ziegelpartikeln und Mörtel- bzw. Putzpartikeln bis zu einer Partikelgröße von 250 µm anhand der Farbe möglich ist. Oberhalb dieser Grenze nimmt der Ziegelgehalt mit zunehmender Partikelgröße leicht zu (»16). Das wird – wie oben bereits beschrieben – durch die leichtere Zerkleinerbarkeit der Mörtel und Putze gegenüber den Ziegeln verursacht. Für die Auszählung des Ziegelanteils wurde von allen Proben die Fraktion 1/2 mm ausgewählt. Die Zusammensetzung der Rezyklate aus Rückbau und Abbruch zeigte starke Schwankungen. Der Ziegelanteil variierte von 100 % bei sortenreinem Ziegelmaterial bis hin zu einem Ziegelanteil von ca. 20 % für Mauerwerkbruch. Die neuen Ziegel hatten einen durchschnittlichen Ziegelanteil von 80 %. Weitere, in den Gemischen enthaltene Komponenten waren bei den Altrezyklaten Mörtel, Putz, Beton und zum Teil nicht identifizierbare Bestandteile. Bei den neuen Ziegeln traten Mörtel, Putz und Mineralwollereste als Nebenbestandteile auf.

Bei den Rezyklaten wiesen die Proben, die geringe Ziegelgehalte und hohe Gehalte an Restpartikeln enthielten, höhere Werte der analysierten Parameter als die sortenreinen Ziegel auf (»Tabelle 2). Die empfohlenen Qualitätsparameter wurden von diesen Rezyklaten nur zum Teil erfüllt. Bei den neuen Hintermauerziegeln traten bei nahezu allen Parametern Überschreitungen auf.

Aus den ursprünglich zur Verfügung stehenden 18 Rezyklatproben wurden die Proben C, D, H, R, T und V ausgewählt, da diese einen breiten Bereich an Recyclingmaterialien repräsentieren. Sie wurden den drei als Basismaterial dienenden Betriebsmassen

kalkfreier Dachziegelton (DZ)

pyrithaltiger Vormauerziegelton (VMZ) und

karbonatreicher Hochlochziegelton (HLZ)

zugesetzt. Die Dotierungen betrugen bei der Dachziegelmasse maximal 10 Masse-%, während dem Hintermauerziegelton bis zu 25 Masse-% zugegeben wurden. Ausgewählte Eigenschaften der Basismaterialien sind in »Tabelle 3 zusammengefasst.

Die Partikelgrößenverteilung der Ausgangsmaterialien hat entscheidende Bedeutung für die Ziegelherstellung. Sie beeinflusst die Menge des nötigen Anmachwassers, das Schwindungsverhalten, die Trocknungseigenschaften und das Brennverhalten. Als Bewertungsmaßstab dienen die Anteile in den Fraktionen 2 µm, 2–20 µm und > 20 µm. Hier bestehen besonders gravierende Unterschiede zwischen den Rezyklaten und den Betriebsmassen (»Tabelle 4).

Um die Auswirkungen auf die Produkteigenschaften zu ermitteln, wurden den Betriebsmassen Rezyklate zugegeben, wobei sich die Zugabemenge an den Anforderungen, die an das jeweilige Produkt gestellt werden, orientierten. Bei den Dachziegelbetriebsmassen wurden maximal 10 Masse-% durch die Rezyklate ersetzt. Bei den Vormauer- und Hochlochziegelbetriebsmassen wurden hingegen bis zu 25 Masse-% substituiert. Aus den Versätzen wurden in einem Laborextruder zylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 33 mm hergestellt und in einem gasbeheizten Muffelofen entsprechend den Betriebsbrennkurven der jeweiligen Werke gebrannt (»17).

Von den ungebrannten Probekörpern wurden die Trockenschwindung und die -biegezugfestigkeit untersucht. An den gebrannten Probekörpern wurden die Rohdichte, die Wasseraufnahme, die Brennschwindung und die Biegezugfestigkeit ermittelt. Eine Begutachtung des Erscheinungsbildes, insbesondere hinsichtlich des Auftretens von „Kalkspatzen“ und Ausblühungen, fand statt. Untersuchungen an Eluaten mit einem Wasser-Feststoff-Verhältnis von 10 zu 1 wurden zur Bewertung der umwelttechnischen Eigenschaften durchgeführt.

4.2 Ergebnisse

Bei den zur Substituion verwendeten Rezyklaten kann zwischen sortenreinen, aus Dachziegeln hervorgegangenen und mineralisch verunreinigten Varietäten unterschieden werden. Bei Zugabe von sortenreinem Dachziegelbruch zum Dachziegelton traten bereits bei 3 Masse-% ein Rückgang der Festigkeit und ein Anstieg der Wasseraufnahme auf. Vormauerziegel- und Hochlochziegelton waren robuster (»18, 19). Bis zu einer Substitution von 10 Masse-% war kein Festigkeitsrückgang zu verzeichnen. Die Wasseraufnahme veränderte sich nicht bzw. nahm ab. Der Scherben wurde also dichter.

Bei Zugabe der Varietäten mit Nebenbestandteilen reicht der substituierte Anteil als Kennzahl nicht aus, weil so die Fremdbestandteile nicht explizit berücksichtigt werden können. Als Hilfsgröße wird die Summe aus substituiertem Anteil und dadurch eingetragene Fremdbestandteile verwendet. Bei einer Substitution von 10 Masse-% mit einem Gehalt an Fremdbestandteilen von 20 Masse-% beträgt diese Kennzahl beispielsweise (10 + 10 x 20/100) Masse-% = 12 Masse-%. Zwischen dieser Kennzahl und den Eigenschaften der gebrannten Proben ergeben sich plausible Abhängigkeiten. Bei gleichem substituierten Anteil führt das Substitut mit mehr Fremdbestandteilen zu einem stärkeren Festigkeitsrückgang als das mit niedrigem Fremdstoffgehalt (»18). Wie die Art der Fremdstoffe die Eigenschaften beeinflusst, kann mit dieser formalen Betrachtungsweise nicht berücksichtigt werden (»20).

Ein weiteres, wichtiges Qualitätsmerkmal stellt das optische Erscheinungsbild der gebrannten Produkte dar. Beim Dachziegelton ist eine Systematik zu erkennen. Substitute mit keinen oder nur geringen Anteilen an Fremdbestandteilen können in Mengen bis zu 3 Masse-% zugegeben werden, ohne dass optische Beeinträchtigungen auftreten (»Tabelle 5). Bereits der Ziegelbruch D, der 13,3 Masse-% Fremdbestandteile enthält, führt bei 3 % Substitution in geringem Ausmaß zu „Kalkspatzen“. Werden 10 % der Dachziegelmasse durch Rezyklate substituiert, werden bei allen Substituten optische Beeinträchtigungen festgestellt. Bei den anderen Produkten sind kaum Tendenzen erkennbar. Die optischen Beeinträchtigungen nehmen nicht immer mit der Zugabemenge zu. In drei Fällen ergaben sich bei höheren Zugabemengen sogar Verbesserungen.

Im Rahmen der Eluatanalysen wurde das Auslaugverhalten der Proben bei einer Zugabe von 10 % RC-Materialien untersucht. Sowohl die Werte bezüglich der Schwermetalle als auch die Werte der wasserlöslichen Salze können als unbedenklich eingestuft werden, obwohl die Partikelgröße in der Probenvorbereitung deutlich feiner ausgewählt wurde, als in den einschlägigen Prüfvorschriften gefordert. Hierdurch ist die der Elution zur Verfügung stehende Oberfläche erheblich größer als bei der in den einschlägigen Normen geforderten Korngröße.

4.3 Empfehlungen

Aus den vorgelegten Ergebnissen kann gefolgert werden, dass Betriebsmassen für die Ziegelherstellung durch Rezyklate teilweise substituiert werden können. Der Umfang der Substitution hängt sowohl vom Produkt als auch von den Eigenschaften der Substitute ab. Dem Dachziegelton sollten nicht mehr als 3 Masse-% sortenreiner Dachziegelbruch zugegeben werden, um die Qualität der Produkte nicht zu beeinträchtigen. Dagegen scheinen bei der Herstellung von Hintermauerziegeln Substitutionen bis mindestens 10 Masse-%, auch bei hohem Fremdstoffanteil der Substitute, möglich zu sein.

Die vorgelegten Ergebnisse sind durch weitere Untersuchungen zum Einfluss der Fremdbestandteile und der Partikelgröße zu vertiefen. In systematischen Untersuchungen sollten die Auswirkungen von Art und Anteil der Fremdbestandteile auf die Ziegelqualität ermittelt werden, um die hier definierte Kennzahl aussagekräftiger zu machen. Alle Substitute der dargestellten Untersuchungen waren Sande mit Partikelgrößen bis 4 mm. Sie waren damit im Vergleich zu den Betriebsmassen sehr grob. Nach Literaturangaben führt eine Mahlung der Substitute zu deutlich verbesserten Ergebnissen. Der Druckfestigkeitsanstieg liegt zwischen 10 und 30 %, wenn das Zugabematerial mit einer ursprünglichen 90%-Durchgang-Partikelgröße von 0,5 mm auf eine x90-Partikelgröße von 0,15 mm gemahlen wird [9]. Dieses Potenzial zur Verbesserung der Eigenschaften und ggf. höherer Substitutionsquoten sollte Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.

Danksagung

Die Ergebnisse basieren auf Forschungsarbeiten (AiF-ZIM, AiF-IGF, EuroNorm) und wurden finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Wir möchten den Projektträgern für die finanzielle Unterstützung danken. Ein weiterer Dank gebührt den beteiligten Industriepartnern für ihre Unterstützung der Forschungsprojekte wie Ziegel-Kontor Ulm GmbH Thermopor, Deutsche Poroton GmbH, Mein Ziegelhaus GmbH & Co. KG, Deutsche Rockwool GmbH & Co. KG, Wienerberger AG, Schlagmann Poroton GmbH & Co. KG. Dem Institut für Ziegelforschung Essen e.V. danken wir für die gute fachliche Zusammenarbeit.

Literatur siehe Teil 1, Zi2/2020.

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