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Verarbeitung und Aktivierung von supplementary cementitious materials (SCMs): Zementersatzstoffe und Ton activation technology

Supplementary cementitious materials (SCMs) sind weit verbreitete Zementersatzstoffe, die einen Teil des Kalksteins oder des traditionellen Portlandzementklinkers in Zement und Beton ersetzen. Der Einsatz von supplementary cementitious materials (SCMs) ist einer der wirksamsten Hebel zur Reduzierung von CO₂‑Emissionen, da die Klinkerproduktion große Mengen CO₂ erzeugt: erstens durch die chemische Reaktion bei der Kalzinierung von Kalkstein und zweitens durch den Energiebedarf des Hochtemperatur‑Ofenprozesses. Durch den Ersatz z. B. eines Teils des Klinkers durch SCMs wird weniger Klinker benötigt, was die prozessbedingten CO₂‑Emissionen direkt senkt. Darüber hinaus sind viele SCMs industrielle Nebenprodukte oder lokal verfügbare mineralische Ressourcen, was den Verbrauch von Primärrohstoffen reduzieren und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft unterstützen kann.

Klinkerersatzstoff Ersatz für Portlandzement
Ungebrannter Kalkstein Puzzolane
Muschelschalen enthalten viel Kalk und können gemahlen ebenso wie ungebrannter Kalkstein eingesetzt werden Schlacken: Abfälle aus z.B. der Stahlproduktion werden wiederverwertet. Allerdings werden diese Produktionsprozesse effizienter, wodurch die Verfügbarkeit von Schlacken vermindert wird.
Flugasche: Durch immer weniger Einsatz von Kohlekraftwerken reduziert sich aber die Verfügbarkeit von Flugasche zunehmend Asche aus Lebensmittelabfällenwie die Hülsen von Reis kann eingesetzt werden, um Portlanzement zu ersetzen.
Calcinierte Tonerden können bei 800°C calciniert werden. Dabei wird ebenfalls CO2 freigesetzt wie beim Brennen von Kalkstein, jedoch sind die benötigten Temperaturen viel geringer. -
Tailings aus Bergbauabfällen erhöhen je nach Beschaffenheit sogar die Festigkeit von Zement. Vorteilhaft ist hier die Ressourcenschonung, da anstatt natürliche Sandressourcen Abfälle wieder verwertet werden

Durch den Ersatz von Klinker oder Portlandzement wird deutlich weniger CO2 freigesetzt. Außerdem werden weniger Brennstoffe für die Drehofen benötigt

Homogenisierung von Schlacken als supplementary cementitious materials (SCMs)

Eine zuverlässige Laborcharakterisierung schlackenbasierter supplementary cementitious materials beginnt mit einer konsistenten Probenvorbereitung. Schlacken sind häufig stark inhomogen und können metallische Rückstände enthalten; daher sollten magnetische Bestandteile vor der weiteren Verarbeitung zunächst entfernt werden. Für Zerkleinerung und Homogenisierung werden typischerweise Backenbrecher zur Vorzerkleinerung eingesetzt, gefolgt von Kugelmühlen oder der Schlagkreuzmühle SK 300 zum Feinvermahlen. Bei der Auswahl des geeigneten Backenbrechers sind die entscheidenden Faktoren die anfängliche Partikelgröße, die Probenmenge und die gewünschte Endfeinheit.

Backenbrecher

Ein zweistufiger Vorzerkleinerungsansatz im Backenbrecher – zunächst mit weitem Spalt und anschließend mit engem Spalt – ist oft schneller, als Material direkt durch einen engen Spalt zu zwingen. Probenstücke bis etwa 20 mm können in der SK 300 effizient verarbeitet werden; sie erreicht Endfeinheiten von ca. 700 µm und ist dank robuster Bauweise und Prallplatten aus Wolframkarbid gut für abrasive Materialien geeignet.

Schlagkreuzmühle SK 300

Kugelmühlen eignen sich zur Feinmvermahlung von Schlackenproben bis zu einer maximalen Größe von 15 mm. Auch hier hängt die Wahl des Mühlentyps und der Betriebsparameter von der Ausgangspartikelgröße, der Probenmenge und der Zielfeinheit ab. Für kleine Volumina bis 20 ml wird häufig die MM 400 verwendet. Für größere Chargen kann die TM 300 etwa 500 g Schlacke mit einer Partikelgröße von 5 mm innerhalb weniger Stunden auf eine Endfeinheit von 25 µm vermahlen. Es stehen auch größere Trommeln, die bis zu 2 kg Probe verarbeiten, zur Verfügung.

Trommelmühle TM 300

Schlackeproben

120mm, 30 kg


BB 300

15 min | < 3 µm

15 mm, 250 g


PM 100

5 min | < 500 µm

15 mm, 200 g


SK 300

20 min | < 700 µm

5 mm, 500 g


TM 300

4 Stunden | < 25 µm

Verarbeitung von ungebranntem Kalkstein, Muschelschalen und Puzzolanen als Zementersatzstoffe

Mehrere mineralische Zementersatzstoffe können mit standardmäßiger Zementlabor‑Mahltechnik verarbeitet werden. Ungebrannter Kalkstein wird idealerweise mit Backenbrechern und anschließend mit Kugelmühlen verarbeitet. Muschelschalen bestehen ebenfalls überwiegend aus CaCO₃, sind jedoch dünner als typische Kalksteinproben und können daher effizient mit Schneidmühlen vorzerkleinert und in der Ultra Zentrifugalmühle ZM 300 fein gemahlen werden; hierfür eignet sich der 6‑Scheiben Rotor für Schneidmühlen, und in der ZM 300 können verschleißfeste, wolframkarbidbeschichtete Rotoren sowie Distanzsiebe eingesetzt werden. Weichere supplementary cementitious materials, z. B. Puzzolane oder vulkanische Materialien wie Bimsstein, werden ebenfalls mit Rotormühlen wie der ZM 300 (für Volumina bis 5 l) oder der SR 300 (für größere Probenmengen) verarbeitet. Bei Sieböffnungen unter 1 mm erleichtern Zyklone die Probenabführung und helfen Staubbildung zu verhindern.

Zerkleinerung von Kalkstein und TonSchneidmühle SM 300
Ultra-Zentrifugalmühle ZM 300Schlagrotormühle SR 300

Muschelschalen & Puzzolane

50 mm, 100 g


BB 50


1 min | < 2 mm

80 mm, 1 kg


Vorzerkleinerung SM 200
Feinzerkleinerung ZM 300

3 min | 0,3 µm

5 mm, 200 g


SR 300


45 s | < 500 µm

2 mm, 90 g


ZM 300


2,5 min | 0,1 mm

Pflanzenbasierte supplementary cementitious materials (SCMs) und aschebasierte Zementersatzstoffe


Aschebasierte pflanzliche Materialien – insbesondere solche aus Abfällen der Lebensmittelindustrie wie Reishülsen – können als supplementary cementitious materials (SCMs) und Zementersatzstoffe dienen. Sie können auf die gleiche Weise wie Schlacken oder Kalkstein homogenisiert werden. Die verschleißfeste SK 300 ist besonders für abrasive Proben geeignet, während für Feinmahlungen unter 500 µm Kugelmühlen (für kleine bis mittlere Probenmengen) oder Trommelmühlen (für größere Mengen) eingesetzt werden. Auch die pflanzenbasierten Rohmaterialien selbst (z. B. Reishülsen, Pellets aus Sonnenblumenkernschalen oder Strohreste) müssen analysiert werden; zur Vorzerkleinerung werden Schneidmühlen verwendet, gefolgt von der ZM 300 oder – für größere Volumina – der SR 300 zum Feinmverahlen. Bei faserigen Proben sollten Zyklone immer in Betracht gezogen werden, da sie das Material kühlen, die Probenabführung verbessern und Staubbildung verhindern; ein langsames, gleichmäßiges Beschicken oder die Verwendung von Distanzsieben hilft ebenfalls, Wärmestau zu reduzieren. Das Zuteilgerät DR 100 ermöglicht eine einfachere und konsistentere Probenzufuhr. 

Die Feinheit der Partikel in den Pellets hängt von der Art der verwendeten Mühle ab

Wenn der Faseranteil der gemahlenen Probe reduziert werden muss, können die Siebe in Schneidmühlen oder der SR 300 in umgekehrter Orientierung eingebaut oder die Rotordrehzahl in Rotormühlen reduziert werden. Für die RFA‑Analyse ist sehr feines Mahlen – häufig unter 50 µm – erforderlich; ob Kugelmühlen oder Rotormühlen besser geeignet sind, hängt von der nachgelagerten Analyse ab, da Kugelmühlen feinere Ergebnisse liefern, jedoch mehr Zeit beanspruchen und mehr Metallabrieb erzeugen können [3]. Wenn Abrieb nicht kritisch ist, gilt als allgemeine Regel für reproduzierbare RFA‑Ergebnisse: je feiner, desto besser.

Pflanzliche Proben

Reisschalen 8 mm, 200 g


ZM 300

8 min | 0,5 mm

Asche aus Reisschalen 15 mm, 450 g


SK 300

2 min | 1 mm

Pellets aus Sonnenblumenschalen 30 mm, 500 g


ZM 300

15 min | 0,5 mm

Stroh 20 mm, 300 g


SR 300

7 min | < 200 µm

Mechanochemie trifft Zement:
Alternativen zur Tonkalzinierung und Aktivierungstechnologie für Tone

Aktivierte Tone gehören zu den vielversprechendsten supplementary cementitious materials (SCMs), da sie weltweit verfügbar sind, lokal bezogen werden können und eine signifikante Klinkerreduktion ermöglichen. Traditionell werden reaktive Tone durch Tonkalzinierung hergestellt, doch die mechanochemische Aktivierung ist eine aufkommende Aktivierungstechnologie, die in bestimmten Anwendungen eine überzeugende Alternative bieten kann. Die mechanochemische Aktivierung von Ton – insbesondere mit Kugelmühlen wie der PM 100 oder PM 300 – nutzt mechanische Energie, um die Kristallstruktur zu verändern, Amorphisierung zu ermöglichen und die Reaktivität zu erhöhen, wodurch eine breite Palette lokaler Tonarten als Zementersatzstoffe nutzbar wird. Die PM 100 und PM 300 sind für diesen Prozess im Labor‑ und Pilotmaßstab ideal geeignet. Studien zeigen, dass mechanisch aktivierte Tone feiner, strukturell modifiziert und chemisch reaktiver sind als kalzinierte Tone, insbesondere solche mit hohem Glimmeranteil. Ein Schlüsselelement der Prozesskontrolle in Aktivierungstechnologien ist das GrindControl System, das Temperatur und Druck im Mahlbecher kontinuierlich misst, Überhitzung hilft zu vermeiden und wichtige Einblicke in mechanochemische Reaktionen liefert. Die Sensoren sind mit verschiedenen Bechergrößen kompatibel. Während der Tonaktivierung steigen Temperatur und Druck deutlich an, was auf Gasfreisetzung und Mineralumwandlungen hinweist; diese Überwachung ist wesentlich, um die Reaktivität zu steuern und eine konstante SCM Produktqualität sicherzustellen. Die Daten können außerdem Rückschlüsse auf die Tonzusammensetzung unterstützen – beispielsweise erzeugen Materialien mit höherem Dolomitanteil aufgrund der CO₂ Freisetzung höhere Drücke [1].

GrindControlPlaneten-Kugelmühle PM 100
Mechanochemie

Eine Studie [2] untersucht, wie der Energieeintrag während der mechanochemischen Aktivierung die chemische Reaktivität von Tonen beeinflusst, mit Fokus auf Planetenkugelmühlen. Die Planetenkugelmühle ist ein bevorzugtes Laborwerkzeug, da sie eine präzise Einstellung zentraler Parameter wie Drehzahl, Kugel‑zu‑Pulver‑Verhältnis und Mahldauer ermöglicht. Durch die Analyse von nahezu 100 Datenpunkten identifizierten die Forschenden eine starke Korrelation zwischen Energieeintrag und der resultierenden Tonreaktivität. Die chemische Reaktivität steigt bei zunehmendem Energieeintrag bis etwa 100 kJ/g schnell an, während weitere Erhöhungen nur geringe zusätzliche Effekte zeigen. Praktisch bietet die Planetenkugelmühle PM 300 – betrieben bei hohen Drehzahlen wie 850 rpm – erhebliche Vorteile, da sie den Energieeintrag maximiert und den Aktivierungsprozess für tonbasierte supplementary cementitious materials (SCMs) beschleunigt.

Planeten-Kugelmühle PM 300

Entdecken Sie diese spannenden Kapitel und profitieren Sie von unserer Expertise

Zerkleinerung und Homogenisierung typischer Materialien

Werkzeuge für eine optimierte Probenvorbereitung für die RFA‑Analyse

Ersatz- und alternative Brennstoffe in der Zementproduktion

Verarbeitung und Aktivierung von SCMS

Ergänzende Zementtechnologien

Sieben von rohen oder homogenisierten Zementmaterialien

FAQ

Was sind supplementary cementitious materials (SCMs)?

Supplementary cementitious materials (SCMs) sind Zementersatzstoffe, die einen Teil von Kalkstein und/oder traditionellem Portlandzementklinker in Zement und Beton ersetzen.

Warum helfen supplementary cementitious materials (SCMs), CO₂‑Emissionen zu reduzieren?

Sie reduzieren die benötigte Klinkermenge. Die Klinkerproduktion ist CO₂‑intensiv aufgrund der Kalzinierungsreaktion von Kalkstein und des hohen Energiebedarfs des Ofenprozesses; der Ersatz von Klinker durch SCMs senkt daher prozessbedingte Emissionen direkt und kann eine kreislauforientierte Ressourcennutzung unterstützen.

Welche Materialien können als SCMs verwendet werden und was beeinflusst ihre Verfügbarkeit?

Beispiele sind Schlacken, Flugasche, Puzzolane/vulkanische Gesteine (z. B. Bimsstein), ungebrannter Kalkstein, Muschelschalen (CaCO₃‑reich), Aschen aus Abfällen der Lebensmittelindustrie wie Reishülsen, kalzinierte Tone und Bergbau‑Tailings. Die Verfügbarkeit kann sich mit Industrietrends ändern – z. B. kann effizientere Stahlproduktion die Schlackenverfügbarkeit verringern, und der Rückgang der Kohleverstromung kann das Flugascheangebot begrenzen.

Wie funktioniert die Tonaktivierung und wie unterscheidet sie sich von der Tonkalzinierung?

Traditionell werden reaktive Tone durch Tonkalzinierung bei 800 °C hergestellt, während die mechanochemische Aktivierung eine Aktivierungstechnologie ist, die die Aktivierung von Tonen durch Mahlen erhöht (z. B. in PM 100 oder PM 300 Planetenkugelmühlen). Mechanische Energie modifiziert die Kristallstruktur, fördert Amorphisierung und kann eine größere Bandbreite lokaler Tone nutzbar machen. Die Prozesskontrolle kann durch GrindControl (Temperatur-/Drucküberwachung) unterstützt werden.

Referenzen

1] Tole, I., Delogu, F., Qoku, E., Habermehl-Cwirzen, K., & Cwirzen, A. (2022). Enhancement of the pozzolanic activity of natural clays by mechanochemical activation. Construction and Building Materials, 352, 128739.  

[2] Alastair T.M. Marsh, Sreejith Krishnan, Suraj Rahmon, Sisan A. Bernal and Xinyuan Ke; Relationsship between milling input energy and chemical reactivity for mechanochemical activation of clays; Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5mr00088b

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