Forschungsprojekt TOFFEE

Aufbereitung und Aktivierung von Tonböden für ressourceneffiziente Geopolymer-Baustoffe Laufzeit: 2022 - 2024

Projekt "TOFFEE" (Bild: STUVA e.V.)

„TOFFEE – Aufbereitung und Aktivierung von Tonböden für ressourceneffiziente Geopolymer-Baustoffe“ ist ein Forschungsprojekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Strategie „Forschung für Nachhaltigkeit – FONA“ von 2022 bis 2024 gefördert wird. Projektpartner sind Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Kreislaufwirtschaft

Im Rahmen einer Tunnelbaumaßnahme anfallendes feinkörniges Abbruchmaterial (Bild: Christoph Budach, TH Köln)

Die Bauwirtschaft hat eine hohe Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen. Gleichzeitig fällt bei diversen Bauprojekten mineralischer Bodenaushub an. Während Kies und Sand sowie Fels durchaus bereits verwertetet werden, zum Beispiel als Gesteinskörnung in Betonen, ist dies bei Schluffen und Tonen nach wie vor anders. Diese bindigen Böden werden häufig auf einer Deponie beseitigt.

Calcinierte Tone

Tonhaltiger Boden vor (links) und nach dem Calcinieren (rechts). (Bild: Pierre Müller, TH Köln)

Vor dem Hintergrund der Verknappung von Flugaschen und Hüttensanden einerseits, und den hohen CO₂-Emissionen bei der Herstellung von Portlandzementklinker andererseits, sind neue Kompositmaterialien bzw. Klinkersubstitute von zunehmender Bedeutung. Calcinierte, also thermisch behandelte Tone sind diesbezüglich von großem Interesse, da große Tonvorkommen überall auf der Welt vorhanden sind.

Eine Möglichkeit, die klimaschädliche Wirkung von Beton zu reduzieren, besteht in der Verringerung des Klinkergehalts von Zementen. Hier liegt die Herausforderung darin, vergleichbar leistungsfähige Portlandkompositzemente zu entwickeln, in denen calcinierte Tone aufgrund ihrer puzzolanischen Wirkung hohe Anteile von Zementklinker ersetzen.

Für den Prozess der Calcinierung und damit auch für dieses Forschungsvorhaben geeignete Bodenarten sind tonhaltige Böden mit einem möglichst hohen Anteil an Tonmineralen. Als wichtigstes Tonmineral zur Aktivierung durch Calcinierung gilt in der Regel das Kaolinit. Als weitere Tonminerale, die einen Beitrag zu den späteren Festigkeitseigenschaften liefern, sind Chlorit, Illit, Montmorillonit, Glimmer und Smektit zu nennen.

Röntgen-Diffraktogramm eines kaolinitreichen Tonbodens im Rohzustand (blaue Linie) und nach der Calcinierung (rote Linie) (Bild: Pierre Müller / TH Köln)

Die Aktivierbarkeit bzw. die Ausbildung festigkeitserzeugender Phasen nach der Calcinierung hängt maßgeblich vom Gehalt der o.g. Mineralien sowie der Zusammensetzung im Boden ab. Die Zusammensetzung der Böden wird im Vorfeld der Calcinierung über eine Charakterisierung und Quantifizierung der Tonmineralogie mittels Röntgendiffraktrometrie (XRD) bestimmt. Innovativ am Forschungsansatz von TOFFEE ist vor allem, dass calcinierte Tone nicht nur ausschließlich in Kombination mit Kalk oder Zement zur Anwendung kommen, sondern diese auch als Bindemittelbasis dienen sollen.

Geopolymer-Baustoffe auf Basis von calcinierten Tonen sind im Baubereich für Einsatzgebiete mit unterschiedlichsten Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften vielfältig vorstellbar. TOFFEE befasst sich daher mit innovativen Ansätzen, wie tonhaltiges Bodenmaterial für ressourceneffiziente Baustoffe eingesetzt werden kann. Ansatz ist, dieses nicht nur als Ersatz für eine Gesteinskörnung zu verwenden, sondern auch als Bindemittel. Hierfür ist das Material zunächst zu behandeln und anschließend zu aktivieren. Es werden also die beiden Technologien „Calcinierte Tone“ und „Alkalisch aktivierte Bindemittel“ in neuartiger Form miteinander kombiniert.

Geotechnische Laboruntersuchungen

Das Labor für Geotechnik und Tunnelbau der TH Köln nimmt die zentrale Rolle bei der Identifikation und auch bei der Beschaffung grundsätzlich geeigneter Bodentypen ein. Zu diesem Zweck werden an tonhaltigen Bodentypen geotechnische Untersuchungen durchgeführt.

Beispielhafte geotechnische Versuche zur Bestimmung von geotechnischen Eigenschaften (Bild: P. Müller, TH Köln)

Die geotechnische Charakterisierung der Ausgangsmaterialien beinhaltet unterschiedliche Versuche zur Bestimmung von Bodeneigenschaften wie der Korngrößenverteilung, des natürlichen Wassergehalts, der Zustandsgrenzen (d.h. Wassergehalt des Bodens an der Fließgrenze, an der Ausrollgrenze sowie an der Schrumpfgrenze), dem Wasseraufnahmevermögen nach Enslin/Neff sowie des Glühverlusts. Zusätzlich erfolgt eine Einstufung der Materialien in Bodengruppen nach DIN 18196.

Betontechnologische Untersuchungen

Calcinierte Tone als Zementersatz in mineralischen Baustoffen

Mörtelmischung bestehend aus Zement, calciniertem Ton, Normensand und Wasser (Bild: Pierre Müller, TH Köln)

Calcinierte Tone dienen als Bestandteil bzw. teilweiser Zementersatz in Mörtelmischungen, mit denen die Entwicklung der zeitabhängigen Druckfestigkeit unter Berücksichtigung unterschiedlich hergestellter calcinierter Materialien bestimmt werden kann. Untersuchungen von Festigkeitseigenschaften sollen den puzzolanischen Einfluss von calcinierten Tonen aufzeigen.

Zur Bestimmung von Biege- und Druckfesftigkeit hergestellte Mörtelprismen (Bild: Pierre Müller, TH Köln)

Zur Beurteilung der Reaktivität werden die Festigkeiten bzw. die Festigkeitsentwicklung der unterschiedlichen calcinierten Tone (in Kombination mit Zement) anhand von Mörteldruckfestigkeiten im Alter von 7, 28 und 91 Tagen ermittelt und mit der von reinen Zementmörteln verglichen. Ausgehend von der Rezeptur eines reinen Zementmörtels wird der Zement in den untersuchten Mörtelmischungen sukzessive durch kalzinierten Ton substituiert, wobei die weiteren Mischungsbestandteile konstant gehalten werden. Als Zement wird ein moderner, ökoeffizienter CEM II/C-M (S-LL) 42,5 N eingesetzt.

Rheologische Untersuchungen

Viskomat zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Feinkornsystemen (Bild: Pierre Müller, TH Köln)

Zwecks Betrachtung des Fließverhaltens und damit der Verarbeitungseigenschaften der calcinierten Tone erfolgen Untersuchungen mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters an Leimen unter Variation der Substitutionsrate von Zement. Dabei wird das scherratenabhängige rheologische Verhalten von Leimmischungen anhand speziell entwickelter Messprofile untersucht und mittels eines geeigneten Modells abgebildet.

Alkalisch aktivierte Bindemittel

Seit über 100 Jahren ist die grundsätzliche Wirkung alkalisch aktivierter Bindemittel bekannt. Die Zugabe eines hochalkalischen Aktivators zu einem Präkursor in Form von Schlacke, Asche oder auch Gesteinsmehl initiiert eine Festigkeitsentwicklung.

Je nach Stofftyp bilden sich vernetzte Silikatstrukturen, also anorganische langkettige Moleküle, die als Geopolymere bezeichnet werden, oder die von der Zementerhärtung bekannten Calciumsilikathydrate. Betone mit alkalisch aktivierten Bindemitteln kommen bereits vereinzelt als nachhaltige Baustoffe zum Einsatz.

Geopolymer-Baustoffe

Auch wenn Geopolymer-Baustoffe auf der Basis von tonhaltigen Böden keine Festigkeiten erreichen wie Konstruktionsbetone, gibt es eine Reihe von potenziellen Anwendungen:

Tiefbau-Baustoffe
wie Straßenunterkonstruktionen, Verfüllbaustoffe, Flüssigboden, Ringspaltmassen

Konstruktive Betonersatz-Baustoffe
wie Ziegel, Beton für Sauberkeitsschichten, Ballastierungskörper, Gartenbausteine Innenausbau-Baustoffe wie Estriche und Schüttungen, Dämmstoffe,

Lehmputze
All diese könnten zukünftig ohne Beanspruchung von konventionellen Lagerstätten hergestellt werden. Der Rohstoff kann vielmehr bei Baumaßnahmen aus dem Bodenaushub oder Tunnelausbruchmaterial gewonnen werden.