1. Nutzung metallurgischer Schlacken als alternative Zementrohstoffe

Zemente werden sowohl für Konstruktionsbeton im bauaufsichtlich geregelten Bereich als auch für Betonwaren und Nicht-Konstruktionsbaustoffe (z. B. mineralische Fliesenkleber, Mörtel, Beschichtungen) eingesetzt. Im Projekt „METAMENT“ stehen letztere exemplarisch im Fokus, um eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis zu ermöglichen. Da der in Zementen enthaltene Portlandzementklinker zu einem hohen ökologischen Fußabdruck der Bauprodukte im Hinblick auf CO₂-Emission, Energie- und Rohstoffbedarf führt, gewinnen geeignete Klinkersubstitute (Supplementary Cementitious Materials - SCM) zunehmend an Bedeutung. Neben der langjährig etablierten granulierten Hochofenschlacke ("Hüttensand"), die als Nebenprodukt bei der Roheisenerzeugung entsteht, bieten auch weitere metallurgische Schlacken, wie die aus der Herstellung von Ferrochrom, Kupfer oder Stahl, ein ähnliches Potential zur Klinkersubstitution. "METAMENT" soll hier einen wesentlichen Beitrag zur Erschließung dieses Potentials leisten. 

2. Prozessentwicklung zur Erzeugung reaktiver Schlacken 

Die geplanten Projektarbeiten greifen die positiven Erfahrungen der Hüttensandnutzung auf und untersucht am Beispiel der Ferrochromschlacke (FeCr-Schlacke) das Potential weiterer metallurgischer Schlacken. Ziel ist eine alternative hochwertige Verwendung der bei der Metallerzeugung entstehenden FeCr-, Kupfer- (CUS) und Elektroofenschlacken (EOS). Damit sollen kostenintensive Deponierungen für die Bindemittelindustrie vermieden und neue SCMs zur Erreichung ihrer CO₂-Minderungsziele angeboten werden.

Neben der Nutzung als Zementzusatz wird auch die Entwicklung „alkalisch aktivierter Bindemittel“ ohne Klinker betrachtet, insbesondere für Nicht-Konstruktionsbaustoffe. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auf weitere Schlackenarten wie EOS und CUS bzw. Zemente und Betone übertragbar sein und zusätzliche Rohstoffquellen sowie Vermarktungsmöglichkeiten erschließen. Die Demonstration im technischen Maßstab (TRL 6) erfolgt an einer semi-industriellen Wassergranulationsanlage mit Submerged Arc Furnace (Bild 1) beim Projektpartner Elektrowerk Weisweiler. Somit kann das Projekt Erkenntnisse zu verfahrens- und materialtechnischen Aspekten generieren, die weit über Versuche im Labor- oder Technikumsmaßstab hinausgehen.

Üblicherweise erstarren flüssige FeCr-Schlacke und CUS in Metallgefäßen, flüssige EOS in Erdbeeten zu kristallinem Gestein (Bild 2) ohne hydraulische, latent hydraulische oder puzzolanische Eigenschaften. Durch Modifikation der Schlacken im flüssigen Zustand und einem anschließenden Quenchprozess (Wassergranulation) entsteht jedoch ein weitestgehend glasiges Material, dass latent hydraulisch oder puzzolanisch reagiert (Bild 3). Dieses Potential ist bislang nur aus Laborversuchen bekannt und industrielle Anlagen zur Erzeugung von glasiger FeCr-Schlacke und EOS existieren derzeit nicht. Künftig könnte insbesondere EOS aus der Stahlerzeugung mit Direktreduziertem Eisen (DRI) einen neuen Stoffstrom im Millionen-Tonnen-Maßstab bilden und teilweise Hüttensand ersetzen. Bei CUS führt die vereinzelte Wassergranulation bisher zu einem gröberen Granulat, welches nicht der Erzeugung reaktiver Materialien dient, sondern vor allem der besseren Handhabung für Anwendungen im Verkehrsbau nutzt.

4. Erwartete Ergebnisse und Verwertungspotentiale

Es wird davon ausgegangen, dass im semi-technischen Maßstab FeCr-Schlacke sowie EOS und CUS in ein reaktives Material transformiert werden können, dass mittels alkalischer Aktivierung im 1. Schritt zur Herstellung von Nicht-Konstruktionsbaustoffen, im 2. Schritt auch zur Herstellung von anderen zementgebundenen Baustoffen genutzt werden kann.

Die Kompetenzen der Projektpartner liegen beim metallurgischen Prozess und der Schlackenkonditionierung im Pilot- und Labormaßstab , in der chemisch-mineralogischen Analytik sowie rheologischen Charakterisierung, in der alkalischen Aktivierung der Schlacken sowie in der Konzeption und Optimierung der Nicht-Konstruktionsbaustoffe. Von den Ergebnissen profitieren Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.