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Industrieabfälle können Schlüsselzutat für CO₂-armen Zement sein
Zweifacher Abfallnutzen: Rotschlamm aus der Aluminiumproduktion und ausgebaggerte Sedimente sind schwer zu entsorgen. Ein Forschungsteam hat daraus Zusätze für klinkerärmeren Zement hergestellt, dessen Festigkeit mit herkömmlichen Mischungen vergleichbar sein kann. Nach Berechnungen der Autoren ließe sich der CO₂-Ausstoß je nach Rezeptur um 25 bis 50 Prozent verringern. Ob dies auch im großtechnischen Maßstab gelingt, ist noch offen.
Montréal (Kanada). Beim Bauen mit Beton steckt ein großer Teil der Klimabelastung bereits im Bindemittel Zement. Um seinen Hauptbestandteil Klinker herzustellen, werden Kalkstein und weitere Rohstoffe stark erhitzt. Dabei entsteht Kohlendioxid sowohl durch den Energiebedarf als auch durch chemische Reaktionen im Kalkstein. Deshalb untersuchen Forscher seit Jahren auch Industrieabfälle als Ersatz für bisherige Zementrohstoffe.
Eine Möglichkeit bietet der sogenannte Kalkstein-Ton-Zement, kurz LC3. Bei ihm ersetzt eine Mischung unter anderem aus gebranntem Ton und Kalkstein einen Teil des besonders emissionsintensiven Klinkers. Doch minderwertige Tone reagieren oft weniger gut als die üblicherweise eingesetzten Rohstoffe. Ihre Nutzung könnte deshalb zusätzliche Stoffe erfordern, die die Festigkeitsbildung unterstützen.
Forscher der Concordia University in Montréal haben nun untersucht, ob sich dafür zwei Abfallmaterialien kombinieren lassen: Rotschlamm aus der Aluminiumgewinnung und tonhaltige Sedimente, die beim Ausbaggern von Gewässern anfallen. Beide Reststoffe verursachen Entsorgungsprobleme, enthalten aber auch Mineralbestandteile, die für Zement interessant sind.
Zunächst hat das Team Rotschlamm und ausgebaggerte Sedimente thermisch behandelt, um ihre Reaktionsfähigkeit zu erhöhen. Eine Stunde bei 800 Grad Celsius erwies sich dabei als günstige Behandlungsdauer. Anschließend lag der sogenannte Festigkeitsaktivitätsindex für beide Materialien bei über 80 Prozent. Dieser Laborwert zeigt, wie gut ein Zusatzstoff zur Entwicklung der Festigkeit beitragen kann.
Aus den behandelten Reststoffen stellten die Forscher verschiedene Zementmischungen mit Klinker, Kalkstein und Gips her. Sie prüften ihre Festigkeit und untersuchten die beim Abbinden entstehenden mineralischen Verbindungen. Dadurch ließ sich erkennen, ob der Rotschlamm Schwächen der weniger hochwertigen Sedimente ausgleichen kann.
Die Ergebnisse zeigen: Bestimmte Mischungen aus beiden Reststoffen erreichten eine höhere Festigkeit als Varianten, die nur die gebaggerten Sedimente enthielten. Einige Rezepturen waren bei der Festigkeit mit herkömmlichem Portlandzement vergleichbar. Nach Angaben der Autoren schnitten die neu entwickelten Bindemittel zudem besser ab als der zum Vergleich herangezogene kommerzielle LC3-Zement.
Dahinter steckt ein chemischer Synergieeffekt. Der Rotschlamm liefert unter anderem reaktionsfähiges Aluminium und erhöht die Alkalität der Mischung. Das begünstigt die Bildung zusätzlicher Hydratphasen, also mineralischer Verbindungen, die beim Abbinden entstehen und das Material verfestigen. Mikroskopische Analysen und thermodynamische Modellrechnungen stützen diese Erklärung.
Allerdings ist mehr Rotschlamm nicht automatisch besser. Bei einigen Mischungen sank die Festigkeit, wenn sein Anteil zu hoch war. Wie viel davon sinnvoll ist, hängt auch davon ab, welchen Anteil des ursprünglichen Klinkers die Rezeptur ersetzt. Ein universelles Mischungsverhältnis gibt es den Versuchen zufolge nicht.
Ein weiterer Vorteil könnte die Klimabilanz sein. Weil die neuen Rezepturen weniger Klinker benötigen, fallen bei ihrer Herstellung nach den Berechnungen der Forscher 25 bis 50 Prozent weniger Treibhausgasemissionen an als bei gewöhnlichem Portlandzement. Das größte Einsparpotenzial ergibt sich demnach bei geeigneten Mischungsverhältnissen und entsprechend hoher Klinkerersetzung.