Mechanochemische Aktivierung von Zusatzstoffen (SCMs) im Bauwesen

Einleitung

Die mechanochemische Aktivierung (MCA) ist eine schnell wachsende Technologie in vielen Bereichen der Materialwissenschaften, insbesondere im Bauwesen. Sie basiert auf der Anwendung von mechanischen und chemischen Prozessen zur Veränderung von Materialien. Eine der Hauptanwen-dungen von MCA ist die Aktivierung von Zusatz-stoffen im Zement, den sogenannten Supplementary Cementitious Materials (SCMs). Diese Materialien umfassen Flugasche, Hüttensand, natürliche Puzzolane, sowie verschiedene Tone, die einen Teil des Portlandzements und somit des Klinkergehalts im Zement ersetzen können. Dadurch wird eine erhebliche Verringerung der CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung erreicht.

Hintergrund zu SCMs und ihre Bedeutung

Die Herstellung von Portlandzement auf herkömmliche Weise verbraucht viel Energie und setzt eine große Menge an Kohlendioxid frei. Die primären oder Scope 1 Emissionen mit ca. 500 kg CO₂ pro Tonne Zement entstehen während des Brennens des Klinkers durch die Zersetzung von CaCO₃ in CaO und CO₂ und das dafür notwendige Verbrennen von fossilen oder alternativen Brennstoffen. Die Scope 1 Emissionen sind für etwa 85 % - 90 % des gesamten CO₂-Fußabdrucks des Zements verantwortlich. Die Minimierung des Klinkergehalts im Zement und in Betonmischungen durch SCMs bietet ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung dieser Emissionen. Zudem können SCMs positive Auswirkungen auf die Langzeitfestigkeit, Wasseranspruch, chemische Beständigkeit und Verarbeitbarkeit des Zements haben.

SCMs wie Flugasche, Hüttensand und Silikastaub sind Nebenprodukte anderer Industrien und tragen daher zur Wiederverwertung von Abfällen bei. Obwohl diese Materialien von Natur aus puzzolanische Eigenschaften haben, die sie für den Einsatz in Betonmischungen qualifizieren, wird ihre Reaktivität durch mechanochemische Aktivierung erheblich gesteigert. Zudem können auch Materialien wie Tone, die von Natur aus kaum oder gar keine puzzolanischen Eigenschaften haben, durch MCA nutzbar gemacht werden. Auch bei der Aktivierung von Tonen können Abraummaterialien aus vorhandenen Gruben oder minderwertige Tone aus der Ton- und Keramikindustrie mechanisch aktiviert werden und bieten somit eine ähnlich ressourceneffiziente Herstellung von SCMs wie bei den oben genannten Nebenprodukten.

Trockene Rührwerksmühle Pamir von NETZSCH, ideal für Mahlen und Dispergieren von Materialien in der Industrie. — Abb. 1: Trockene Rührwerksmühle `Pamir`

Grundlagen der mechanochemischen Aktivierung

Mechanochemische Aktivierung bedeutet, dass mechanische Energie, in Form von Mahlvorgängen oder Verformungen auf ein Material angewendet wird und diese Energie chemische Reaktionen initiiert oder beschleunigt. Wenn SCMs mechanisch behandelt werden, wird das Material durch einen intensiven Mahlprozess zerkleinert und seine Oberfläche vergrößert sich drastisch. Durch die erhöhte Oberfläche können chemische Reaktionen schneller und effizienter ablaufen.

Neben der Oberflächenvergrößerung führt der Prozess der mechanochemischen Aktivierung auch zu Veränderungen in der kristallinen Struktur des Materials. Dies bedeutet, dass kristalline Strukturen aufgebrochen werden und amorphe, reaktive Phasen entstehen, die mit dem während der Hydratation des Zements entstehenden Portlandit zusätzliche C-S-H und C-A-H Phasen bilden. Diese sekundäre C-S-H Bildung kann aufgrund der höheren Dichte zu höheren Festigkeiten führen. Dies gilt unter anderem für Materialien wie Flugasche, die wenig reaktive Phasen enthalten und deren Reaktivität durch mechanochemische Aktivierung dramatisch verbessert wird.

Aktivierungsmechanismen

Die mechanochemische Aktivierung folgt mehreren grundlegenden Mechanismen:

Oberflächenvergrößerung: Das Mahlen vergrößert die Oberfläche des Materials erheblich, und es stehen mehr Reaktionsstellen zur Verfügung.
Defektbildung: Mechanischer Stress führt zu Gitterdefekten und Brüchen im Kristallgitter, wodurch diese chemisch reaktiver werden.
Phasenumwandlung: Mechanische Energie kann stabile kristalline Phasen in amorphe, höher energetische Phasen umwandeln, die chemisch reaktiver sind.
Erhöhte Löslichkeit: Die mechanochemische Aktivierung erhöht auch die Löslichkeit der Materialien in der Zementmatrix, was die zusätzliche Bildung der C-S-H und C-A-H Phasen ermöglicht, und die Aushärtung des Zements unterstützt.

Anwendungen und Vorteile der mechanochemischen Aktivierung

Die Anwendung der mechanochemischen Aktivierung auf SCMs bietet viele signifikante Vorteile:

Verbesserte Reaktivität

SCMs, die mechanochemisch aktiviert wurden, weisen eine deutlich höhere Reaktivität auf. Dies bedeutet, dass sie besser mit Wasser und den anderen Zementbestandteilen reagieren und somit ihre Leistung in der Betonmischung optimiert wird.

Reduzierung des Zementgehalts

Durch die erhöhte Reaktivität der SCMs kann der Anteil an herkömmlichem Portlandzement in einer Betonmischung weiter gesenkt werden, ohne dass dies zu Einbußen in der Festigkeit oder Haltbarkeit führt.

Nachhaltigkeit

Die mechanochemische Aktivierung macht es möglich, mehr mineralische Abfälle als Sekundärrohstoff für die Herstellung von SCMs zu verwenden, und weniger klimaschädlicher Portlandzement wird in Bauprojekten eingesetzt.

Kosteneinsparungen

Der verstärkte Einsatz von SCMs durch mechanochemische Aktivierung ist nicht nur umweltfreundlich, sondern auch wirtschaftlich vorteilhaft, da SCMs in der Regel billiger sind als Portlandzement.

Energieträger

Besonders bei der Tonaktivierung im Vergleich zur thermischen Kalzinierung hat die MCA den zusätzlichen Vorteil, dass zu 100 % grüner Strom als Energieträger im Prozess verwendet wird (Vorprozesse wie Trocknung ausgenommen). Dies führt zu einer weiteren Reduzierung der Gesamtemissionen von CO₂ im Vergleich zu fossilen Brennstoffen.

Prozessflexibilität

Aufgrund der elektrisch betriebenen Maschinen ist das Anfahren und Abfahren, insbesondere im Vergleich zur Kalzinierung in Drehrohröfen, kein großes Problem. Der Betrieb von MCA Anlagen kann die durch erneuerbare Energie erzeugten Schwankungen im Stromnetz auffangen und erhebliche Einsparungen bei den Stromkosten ermöglichen.

Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen

Trotz der vielversprechenden Vorteile der mechanochemischen Aktivierung gibt es auch Herausforderungen, die überwunden werden müssen. Frühere Untersuchungen zur Aktivierung wurden häufig in Vibrations- oder Planetenmühlen durchgeführt. Die Prozessparameter und Arbeitsprinzipien dieser Labormaschinen sind in der Regel nicht auf industrielle Anlagen übertragbar. Als hervorragende Alternative hat sich die Aktivierung in einer trockenen Rührwerkskugelmühle herausgestellt. Mit der Baureihe Pamir bietet NETZSCH eine trockene Rührwerkskugelmühle, die sowohl eine Zerkleinerung als auch eine Aktivierung verschiedener SCMs realisieren kann und in einer Vielzahl von Größen von Labor- bis hin zu industriellen Produktionsmaschinen erhältlich ist.

Für die Vermarktung einer industriellen Gesamtanlage besteht starke Partnerschaften mit der thyssenkrupp Polysius GmbH aus Beckum, sowie mit Minerva Engineering Inc. in der Türkei. Als Verlässlicher Partner für Planung, Installation und Inbetriebnahme kompletter Prozessgruppen übernimmt Polysius oder Minerva diese Aufgaben in enger Zusammenarbeit mit NETZSCH.

Fazit

Die mechanochemische Aktivierung ist eine vielversprechende Methode zur Verbesserung der Reaktivität von SCMs und bietet eine nachhaltige und wirtschaftliche Möglichkeit, die Zementproduktion zu optimieren und in Zukunft zu revolutionieren. Sie trägt zur Reduzierung der CO₂-Emissionen in der Zementindustrie bei und eröffnet neue Möglichkeiten für die Verwendung von industriellen Nebenprodukten in der Bauindustrie. Durch weitere Forschung und technologische Innovationen kann die mechanochemische Aktivierung zu einem festen Bestandteil der modernen Zement- und Betonproduktion werden.