Aufbereitetes Wasser schafft optimierten Beton

Hintergrund

Auch in den nächsten Jahren wird die Zementindustrie vor weiteren Herausforderungen stehen. Der Zementverbrauch wird weiter steigen. Steigende Rohstoffkosten sowie immer strengere Umweltauflagen werden die Kosten- und damit auch die Preisspirale weiter in Gang halten. Genau hier setzt die neue Erfindung an: die Anwendung der FML Concretec-Technologie ist ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung, Kosteneinsparung und Verringerung von Umweltbelastungen. In Zeiten des Klimawandels und des Emissionshandels sind alle Maßnahmen zur Verminderung des Rohstoffeinsatzes und zur Energieeinsparung Schritte in die richtige Richtung.

 Im Zuge der mehrjährigen Forschung der FML wurde der gesamte traditionelle Mischprozess der Betonherstellung in Frage gestellt. Es gelang, eine physikalische Wasseraufbereitung und eine völlig neuartige Mischtechnologie verfahrenstechnisch zu kombinieren. Als Kooperationspartner konnte die Firma MAT gewonnen werden, die den patentierten kolloidal arbeitenden Slurry-Mischer beisteuerte. Die Patentrechte für die Wasseraufbereitung und die Gesamtverfahrenstechnik hält die FML Concretec.

Großanlage im Dauerbetrieb

Bereits in der BFT INTERNATIONAL 04/2008 konnten Sie einen ersten Bericht über das Unternehmen FML Concretec lesen. Anlass dieses Artikels ist die Installation einer Prototyp-Großanlage in einem norddeutschen
Betonwerk. Wir hatten die Möglichkeit, den ersten industriellen Einsatz der FML-Concretec-Technologie erleben zu können. Im Transportbetonwerk der Holcim Beton und Zuschlagstoffe GmbH in Geesthacht wurde vor einigen Wochen dieser erste Prototyp aufgebaut und läuft seitdem parallel zum normalen Produktionsbetrieb mit. Die dort installierte Containeranlage besteht aus einer Wasseraufbereitungseinheit, einem 2.500 l Suspensionsmischer, der Prozesssteuerung und den erforderlichen Dosiereinrichtungen.

Holcim und FML haben vereinbart, dass FML die neue Technologie und Technik im praktischen Einsatz vorführt. Gemeinsam wurde Geesthacht als „Einführungsstandort“ ausgewählt. Der Aufbau dieser Großanlage vor den Toren Hamburgs bietet für FML Concretec, aber auch für Holcim Vorteile. FML hat die Gelegenheit, die neue Anlagentechnik in alle Richtungen zu testen. Zudem ist es ihr gestattet, die Anlage auch für diverse internationale Kundenbesuche und -vorführungen zu nutzen. Das junge Technologieunternehmen möchte mit dieser Installation und der hiermit geschaffenen Präsentationsmöglichkeit die Praxistauglichkeit ihrer Verfahrenstechnik und ihres Know-hows unter Beweis stellen. Eine Besichtigung der Anlage und die damit verbundene anschauliche Demonstration der verbesserten Frischbetoneigenschaften werden eventuelle Vorbehalte beseitigen und das Verständnis für die Technologie und die Chancen, die sich dadurch bieten, wecken. Holcim nutzt die Möglichkeit für sich in der Weise, dass in der mehrmonatigen Testphase diverse Zemente eingesetzt und eine Vielzahl von Vergleichs- und Optimierungsmischungen produziert werden sollen.

Das Verfahren

Diese Technologie ist gekennzeichnet durch die Kombination von justierbarer Wasseraufbereitung und kolloidaler Mischtechnik. Daher ist die patentierte Suspensionstechnologie nur in Verbindung mit der Wasserbehandlung erhältlich. Herzstücke des Verfahrens sind die Hochleistungs-Suspensionsmischanlage und eine
integrierte elektrische sowie ggf. elektrodynamische Wasseraufbereitung.

Bei diesem Verfahren wird im ersten Schritt das Wasser physikalisch in Einzelmoleküle zerlegt. Zudem wird die Ladung der vereinzelten Wassermoleküle in einer Weise verändert, die dazu führt, dass sie leichter an die Bindemittelbestandteile „andocken“ können. Die FML-Wasserbehandlungseinrichtung ist die erste auf die jeweiligen Kundenbedingungen einstellbare Durchlaufanlage auf dem Markt. Andere Wasseraufbereitungssysteme sind nicht in der notwendigen Weise steuer- bzw. justierbar.

In die Anlage der Wasserbehandlung ist ein Zwischentank integriert. Die darin befindliche Wassermenge wird benötigt, um mit einer definierten Durchflussmenge und -geschwindigkeit eine optimale Behandlung des Wassers und möglichst rasche Dosierung sicherzustellen. Zudem werden so Störungen, z. B. durch Schwankungen des Wasserdrucks, vermieden. Die Behandlungsdauer ist einer der wichtigen Einflussgrößen für eine zielgerichtete physikalische Behandlung des Wassers.

Durch das FML-Concretec-Mischverfahren wird zusätzlich eine Zerkleinerung der Bindemittel erzielt. Das wiederum bewirkt, dass ggf. auch geringere Zementfestigkeitsklassen (z.B. CEM 32,5 anstatt CEM 42,5) eingesetzt werden können, mit entsprechendem Kostensenkungseffekt. Durch den reduzierten Mahlaufwand im Zementwerk kann zudem der Energieaufwand und der CO₂-Ausstoß bei der Zementproduktion deutlich reduziert werden, weshalb dieses Verfahren nicht nur für die betonproduzierende Industrie, sondern auch für die Zementindustrie so interessant ist.

Das Wasser und die reaktiven Stoffe (Bindemittel, Additive und ggf. Zusatzstoffe) werden in dem Spezialmischer mit hoher Geschwindigkeit vermischt. Dabei werden die Bindemittelagglomerate aufgelöst und die Bindemittelpartikel teilweise weiter zerkleinert. Während des Mischvorgangs werden durch Kavitation Scherkräfte in die Slurry eingebracht. Durch die typische Mischerbewegung entsteht ein Vakuum und führt zur Implosion der Teilchen direkt hinter den Mischpaddeln. Das Mischsystem bewirkt einen optimalen Energieeintrag und -einsatz und damit auch eine sehr schnelle und vollständige Aktivierung eingesetzter Zusatzmittel.

Im letzten Schritt werden die nichtreaktiven Füllstoffe (Kies und Sand/Splitt) im vorhandenen Mischer des Betonwerks (oder direkt im Transportbeton-Fahrzeug) mit der Slurry vermischt. Für diesen finalen Mischprozess ist nur ein geringer
Energieaufwand nötig.

Die weiteren Vorteile, die Betonproduzenten mit dieser Technologie erzielen können, sind vielfältig (bessere Verarbeitung, SVB mit geringerer Additivzugabe herstellbar; fast porenfreie Oberflächen des Betons, keine Entmischung des frischen Betons, deutlich geringerer Wasserbedarf und Reduzierung der Energiekosten, Herstellung von Sonderbetonen in Verbindung mit Styropor, Holz, Glas etc.).

Die Betonmischung

Während unseres Besuchs wurden sowohl eine Betonmischung, die mit dem FML Concretec-Verfahren hergestellt wurde, als auch eine „herkömmliche“ Werksmischung als „Nullbeton“ und Referenzmischung abgerufen.

 In den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten wurde die FML-Mischung produziert: Nach Abruf der Betonsorte und -menge wurde die in der Steuerung hinterlegte Wassermenge physikalisch aufbereitet. Das aufbereitete Mischwasser wurde in kurzer Zeit über große Zuläufe in den Mischer dosiert. Nacheinander wurden dann Zement und Flugasche für 8 m³ Beton in den Suspensionsmischer gefördert. Nach nur wenigen (< 5) Minuten Mischzeit war die Slurry fertig angerührt und konnte zur weiteren Betonherstellung verwendet werden. 

Zwischenzeitlich wurde ein Trommelmischer mit den Zuschlägen gemäß Rezeptur für 8m³ Beton befüllt. Dieser Mischer fuhr dann unter den Auslass der Concretec-Mischanlage. Vom Kolloidalmischer wurde die Slurry dann direkt über den Trichter in die laufende Trommel eingefüllt. Anschließend wurden Slurry und Zuschläge noch ca. 2,5 Minuten weiter vermengt. Deshalb spricht man bei dieser Phase auch vom „Homogenisieren“. Am Ende der Nachmischzeit entleerte der Trommelmischer einen nach dem FML-Verfahren hergestellten Beton, der mit einem Ausbreitmaß von a0 = 675 mm deutlich weicher/flüssiger war als der parallel auf herkömmliche Art produzierte Beton (a0 = 550 mm).

Die erforderlichen Frischbetonuntersuchungen wurden vor Ort durchgeführt. Vergleichend wurden die Ausbreitmaße nach 0, 30 und 60 Minuten sowie die Setzmaße beider Betonmischungen ermittelt. Des Weiteren wurden Frischbetontemperatur und -rohdichte sowie der Luftporengehalt ermittelt. Komplettiert ist die „Betonüberwachung“ durch Probewürfel, die später im Labor abgedrückt werden.

Die Abb. 8 und 9 stellen die Ergebnisse der beiden Betone dar. Durch den Einsatz der FML-Concretec-Technologie konnten Frisch- und Festbetoneigenschaften deutlich verbessert werden.

Die Optimierung dieser Rezeptur erzielte nachweislich ein Einsparpotenzial von Rohstoffen und Kosten im zweistelligen Prozentbereich.

Zusammenarbeit

Das FML-Concretec-System basiert nicht nur auf einer Qualitätsverbesserung des Betons durch Wasserbehandlung und veränderter Mischtechnik. Es beinhaltet auch die kostenmäßige Optimierung der Kundenrezeptur. Nur in dieser Gesamtheit kann eine bestmögliche Überarbeitung der Betonrezeptur erstellt werden. Damit einhergehende Einsparpotenziale werden hierbei eruiert. Zu Beginn einer derartigen Projektarbeit mit FML Concretec steht die Werksbesichtigung bzw. umfängliche Information über die Produktionsbedingungen. Anschließend werden kundenseits Proben seiner eingesetzten Bindemittel, Zuschlagsstoffe, Additive zum Technikum der FML geliefert und alle notwendigen technischen Details übermittelt. Mit den angelieferten Materialien werden dann die Kundenrezepturen im Labor nachgestellt. Im nächsten Schritt optimiert FML-Concretec die Rezepturen und kalkuliert die hieraus resultierenden Einsparpotenziale.

 Bei den Voruntersuchungen, bei denen FML den Betonproduzenten bei der Rezeptureinstellung behilflich ist, werden stets die gleichen Versuchsparameter angewendet. Zu Beginn wird im Labormischer (der auch ein Kolloidalmischer ist) eine Nullmischung erstellt. Danach folgt die gleiche Mischung, allerdings unter Verwendung von behandeltem Zugabewasser. Als letzte Variante wird die Ausgangsrezeptur unter Verwendung von behandeltem Wasser und Herstellung einer Slurry angemischt. Nach Vorliegen der Versuchsergebnisse dieser Tests kann die Rezepturoptimierung erfolgen. Die optimierten Mischungszusammensetzungen werden anschließend praktisch auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. 

Großanlagen z.B. der Art wie am schleswig-holsteinischen Standort installiert sind jeweils innerhalb weniger Monate lieferbar. Natürlich bedarf jede Großanlage einer „Anlaufphase“. FML stellt dem Kunden in dieser Phase im Rahmen des mit der Lieferung verbundenen Kundenservice ihr Know-how zur Verfügung und hilft bei der Anpassung an die vorhandenen Bedingungen und der Modifizierung der Rezepturen.

In speziellen Fällen besteht die Möglichkeit, im kundeneigenen Labor Versuche durchzuführen. Bessere technische und organisatorische Bedingungen bietet allerdings das Technology Center der FML am Standort Adendorf (nahe Hamburg), ein Betonlabor, das für alle baustofftechnischen und betontechnologischen Untersuchungen gut gerüstet ist. Hier und bei Kunden wurden bereits mehrere Tausend Betonmischungen hergestellt.

Anwendungsmöglichkeiten

Das neu entwickelte Verfahren ermöglicht es, dass die versteckten Potenziale der vorhandenen Betonrezepturen erschlossen werden. Ein entscheidender Punkt ist z.B. die mögliche Aufmahlung des Zementes während der Herstellung der Suspension. Durch den dann feineren Zement kann die Frühfestigkeit des Betons erhöht werden, alternativ können gröbere Zemente niedrigerer
Festigkeitsklassen aufgewertet werden. 

Das kombinierte FML-Concretec-System ist besonders wirtschaftlich für Betonwerke mit einer großen Jahresproduktion und für den Einsatz bei Großprojekten.

In der Betonindustrie gibt es in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Problemstellungen, die mit dem neuartigen System gelöst werden können. So kann man im Bereich des Transportbetons nun eine bessere Konsistenz und längerdauernde Aufrechterhaltung der Verarbeitbarkeit anbieten.

Sonderbetone, die derzeit nur durch einen verstärkten Einsatz hochvergüteter Zemente hergestellt werden können, lassen sich dank der FML-Technologie nun auch mit „Normal-Zementen“ zielsicher herstellen. Für die Fertigteilindustrie bietet sich damit die Option, dass spezielle FT-Zemente nicht mehr zwingend erforderlich sein müssen. Gleichzeitig ist auch hier die Reduzierung der Mischzeit ein wesentlicher Vorteil. Auch bei der Produktion von Hohldecken mit Gleitfertigern oder Extrudern wirken sich die Vorteile der FML-Technologie positiv aus. Ein weiteres Marktpotenzial bieten LVB (leicht zu verdichtender Beton – ECC) und SVB (selbstverdichtender Beton – SCC). Hier sind durch Einsatz des FML-ConcretecVerfahrens Einsparungen gegenüber der normalen Herstellung von LVB/SVB am größten. Auch im Bereich der Rohr-, Rahmen-, Schacht-, Pflasterstein- und Plattenproduktion sind Einsparpotenziale und Möglichkeiten zu Produktverbesserungen vorhanden.

Der Kostenfaktor ist für alle Beton produzierenden Industriezweige deutlich absenkbar.

Ausblick

Für spezielle labortechnische Untersuchungen an Betonen, die in letztgenannten Produktionsbereichen eingesetzt und unter Einsatz bestimmter maschineller
Verdichtungsverfahren verarbeitet werden, wird die FML ggf. die entsprechenden Einrichtungen des IFF Weimar nutzen und Versuche in dessen Technikum durchführen.

Dort würden dann auch die jeweiligen Herstellungs- und Erhärtungsbedingungen, wie sie in der Fertigteilindustrie zur Anwendung kommen, berücksichtigt. Zu diesen Bedingungen zählen die Aufheizung der Zuschläge und des Wassers ebenso wie die Beheizung von Schalungen. Damit besteht gegenüber der Herstellung und Lagerung der Probewürfel nach Norm der Vorteil, dass praxisnahe Bedingungen simuliert werden können. Was die Lagerung der Probekörper in beheizten Räumen anbetrifft, so werden derzeit bedarfsgerechte Lagerungsbedingungen auch im Technikum der FML in Adendorf geschaffen. Schon bald wird FML Concretec einen weiteren Schritt getan haben: Nach weiteren Versuchsreihen wird eine Korrelation zwischen Laborergebnissen und im Werk erzielbaren Resultaten definiert werden können. Dies wird Interpolationen und verlässliche Prognosen hinsichtlich zu erwartender Frisch- und Festbetoneigenschaften erlauben.

Eine andere Idee des jungen Unternehmens ist es, dass Betonproduzenten als Dienstleister für Bauunternehmen eine „Suspensionstankstelle“ direkt am Projekt installieren. Hinter diesem Konzept verbirgt sich, dass eine komplette FML-Suspensionsmischanlage mit Wasseraufbereitungsanlage, Kolloidalmischer und Steuerung, z.B. auch als Containerversion, an einem strategisch günstigen Platz positioniert wird. An dieser „Tankstelle“ laden die Fahrmischer, die zunächst nur mit den abgewogenen Zuschlägen (20 bis 25% mehr Zuladung!) befüllt sind, die Bindemittelsuspension in der benötigten Menge zu. Jeder Trommelmischer wird so zum Homogenisierer und kann mit Maximalbeladung den Beton just in (short) time „fertigmischen“. Das führt zu einer qualitativen Verbesserung, verhindert eine Reihe von Problemen und spart nicht nur Stoff- und Transportkosten.

Zusammenfassung

Die wesentlichen Einsparpotentiale resultieren beispielsweise aus einem verringerten W/B-Wert oder der Möglichkeit, Zement teilweise durch z. B. Kalksteinmehl, Flugasche, Hüttensand oder örtlich verfügbare Zusatzstoffe zu ersetzen bzw. deren Anteil zu Lasten des Zements zu erhöhen. Außerdem erlaubt das Verfahren in vielen Fällen, Zemente niedrigerer Festigkeitsklassen einzusetzen, bei gleicher Festigkeitsentwicklung im Beton. Oft kann auch der Einsatz von Additiven (Fließmittel, Verflüssiger) deutlich verringert werden. Nicht zuletzt sind der reduzierte absolute Energieaufwand und die in vielen Fällen mögliche Steigerung der stündlichen Mischleistung schlagkräftige Argumente.

Mit der FML-Technologie ist es nun endlich auch möglich, zielsicher hochqualitative F6-Betone oder SVB herzustellen, mit guten Fließeigenschaften über die gesamte Verarbeitungsdauer. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist durch die Mischungsstabilität gegeben, denn Entmischungen treten auch bei den flüssigen Konsistenzen nicht mehr auf. Das Verfahren erlaubt zumeist eine Reduzierung von Fließmitteln/Betonverflüssigern und/oder Füllstoffen, was in der Regel zu nennenswerten Kosteneinsparungen führt.

Alle genannten Vorteile sind nicht immer als „Paket“ erreichbar. Zielführend ist es daher, wenn der Kunde seine primären Ziele benennt. Diese werden dann bei der Bearbeitung des Projekts bestmöglich berücksichtigt. Die Anlagenteile müssen nicht zwangsläufig in einen Container eingebaut sein, sondern können einzeln geliefert und so auch in bestehende Anlagen eingebaut werden. Auch FML-Wasseraufbereitungsanlagen können, ohne die kolloidale Mischtechnik, einzeln installiert werden. Die maximalen Optimierungseffekte lassen sich allerdings nur mit der kombinierten Anlagentechnik erzielen.

Andrea Janzen

Address/Anschrift

FML Concretec GmbH
Walter-Rathenau-Str. 38
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