Entwicklung von CO2-armen Bindemitteln aus Materialien von gebrannten Steinkohlehalden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Anya Vollpracht; Dr.-Ing. Lars Weitkämper
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541767338

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von ressourcenschonenden, CO2-armen Bindemitteln auf Basis von autogen gebranntem Bergematerial aus dem Steinkohlebergbau als alternative Komponente in klinkerarmen sowie alkalisch-aktivierten Systemen im Rahmen des Schwerpunktprogramms Modul 1 "Alternative und klimaneutrale Bindemittel". Steinkohle entstand über Jahrmillionen aus abgestorbenen Pflanzenresten durch die Ablagerung von Sedimentschichten und dem damit verbundenen Druck- und Temperaturanstieg. Die bei der Kohleaufbereitung entstandenen Bergehalden bestehen daher hauptsächlich aus Schiefer, Ton, Sandstein, Kalkstein, Gips, Kohle und Schwefelverbindungen. Das BMU schätzt die Masse des Bergematerials auf dem Gebiet der heutigen Bundesrepublik Deutschland, die zwischen 1792 und 2003 aufgeschüttet wurden, auf ca. 3,6 Mrd. Tonnen. Für eine mögliche Nutzung des Bergematerials als Sekundärrohstoff in der Bauindustrie stellt dies somit eine erhebliche Ressource dar. In vielen Fällen ist das Bergematerial durch Selbstentzündung der Kohlereste in den Halden erhöhten Temperaturen ausgesetzt gewesen, wodurch die so genannte "Rote Erde" entstanden ist, bei der es sich im Grunde um tonhaltiges Gestein handelt, das bei unkontrollierten, unbekannten Temperaturen calciniert wurde. Zur Verwendung des gebrannten Bergematerials werden in diesem Projekt zwei Ansätze verfolgt: Erstens soll der Klinkerfaktor in zementbasierten Systemen so weit wie möglich reduziert werden, einschließlich der Verwendung von Mehrkomponentensystemen. Die Mischungen werden durch thermodynamische Modellierung der Phasenentwicklung vorausgewählt. Anschließend soll das modellierte Ergebnis validiert bzw. das Modell optimiert werden. Zum anderen sollen Rezepturen auf Basis klinkerfreier, alkalisch-aktivierter Systeme entwickelt werden. Hier werden Mischungen auf der Grundlage eines empirischen Prognosemodells aus einem derzeit laufenden Projekt ausgewählt. Dieses Modell wird für gebranntes Bergematerial und weitere alternative Ausgangsstoffe validiert bzw. angepasst. Der Einfluss unterschiedlicher Phasenzusammensetzungen auf die Reaktionen wird untersucht und es wird ermittelt, in welchem Ausmaß üblicherweise als inert betrachtete Phasen an den Reaktionen teilnehmen. Als Grundlage hierfür wird der Einfluss der Temperatur auf die Mineralphasenbildung untersucht, da gebranntes Bergematerial eine vielfältige und komplexe Mineralogie aufweist. Parallel dazu wird ein geeignetes Aufbereitungsverfahren zur Anreicherung der reaktiven Komponenten entwickelt. Die Mineralogie wird mit den aufbereitungsrelevanten Eigenschaften sowie der puzzolanischen Reaktivität und damit mit dem Potenzial des Materials für den Einsatz in der Zement- / Betonindustrie verknüpft. Neben dem Verständnis der Reaktionsmechanismen sollen die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt eine Abschätzung des Potenzials von gebranntem Bergematerial und eine effiziente Nutzung als Klinker- / Zementsubstitut ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2436: Klimaneutraler Beton