Verwertung tonhaltiger Schlämme aus der Kieswäsche und silikatreicher Stäube als alkalisch aktivierte Bindemittel zur Herstellung neuartiger Geopolymere für ökologisch optimierte Zementrezepturen
Projektdurchführung
Universität Trier
Fachbereich Geologie
Behringstr. 21
54296 Trier
Zielsetzung
Das Projekt befasst sich mit der nachhaltigen Verwertung von tonhaltigen Schlämmen und silikatreichen Stäuben, die als Reststoffe insbesondere bei der Kies-, Sand- oder Quarzitgewinnung in der Region anfallen. Bislang fehlten für diese Materialien großflächig umsetzbare Nutzungskonzepte, sodass sie meist deponiert oder nur sehr eingeschränkt verwertet wurden. Ziel dieser Projektphase war es, die Verwertungsmöglichkeiten von Kieswaschschlämmen und silikatischen Stäuben zu identifizieren, die sich in einem industriellen Maßstab umsetzen lassen. Damit soll eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft in der Region etabliert werden, die zur Umweltentlastung beiträgt, innovative Produkte hervorbringt und zusätzliche Arbeitsplätze schafft.
Dabei wurden zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Betracht gezogen. Im Fokus standen insbesondere die Entwicklung von Geopolymeren aus kaolinitischem Kieswaschschlamm und silikatreichen Stäuben, die als Zementersatz in der Bauindustrie, als Ersatz für Keramik, im 3D-Druck sowie als elektrisch leitfähige Materialien für Wärmeelemente und Wärmespeicher eingesetzt werden können. Auch Anwendungen außerhalb der Geopolymerforschung wurden untersucht, darunter die Nutzung von kalziniertem Kieswaschschlamm als Portlandzementersatz, die Verwendung in der Keramikproduktion, im Lehmbau, in der Landwirtschaft oder als Bohrspülung. Damit wurde ein breites Spektrum an Verwertungsoptionen systematisch erfasst.
Arbeitsschritte
Zur Umsetzung des Vorhabens wurden zunächst die Reststoffe hinsichtlich ihrer granulometrischen und mineralogischen Zusammensetzung detailliert analysiert. Darauf aufbauend wurden im Labor innovative Geopolymerrezepturen entwickelt und systematisch getestet. Verschiedene Versuchsreihen dienten dazu, den Einfluss unterschiedlicher Mischungsverhältnisse und Aktivatoren auf die Materialeigenschaften zu untersuchen.
So wurde unter anderem geprüft, wie sich ein zunehmender Quarzanteil im Vergleich zum Tongehalt auf die Druckfestigkeit und Verarbeitbarkeit der Geopolymerzemente auswirkt. Parallel dazu wurden Testreihen zur elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt, da angenommen wird, dass Quarz als Dielektrikum wirken und die Effizienz wärmeerzeugender Geopolymere steigern kann. Auch ästhetische Eigenschaften wie Farbveränderungen, die durch den schwankenden Eisengehalt in den Schlämmen entstehen, wurden gezielt untersucht und als möglicher Vorteil – etwa für Anwendungen in der Innenarchitektur – weiterentwickelt.
Ergebnisse
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Reststoffe vielseitig einsetzbar sind und auch Schlämme mit niedrigem Tongehalt wertvolle Ausgangsstoffe darstellen können. So konnte nachgewiesen werden, dass der steigende Quarzanteil die Druckfestigkeit der Proben erheblich verbessert und gleichzeitig den Bedarf an Aktivierungslösungen senkt, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Dies eröffnet insbesondere für Schlämme mit hohem Quarzgehalt neue Anwendungsperspektiven.
Auch die ästhetischen Potenziale der Materialien traten hervor: Durch gezielte Variation von Eisengehalt und Alkalisilikaten konnten Geopolymere mit Farbvarianten von Rosa bis Dunkelorange und mit glänzender Oberfläche erzeugt werden, die bereits Interesse bei Industriepartnern für Design- und Innenarchitekturanwendungen weckten.
Gleichzeitig bestehen aber auch deutliche Einschränkungen. Viele Industriebereiche stehen der Umsetzung zurückhaltend gegenüber, da die notwendige Infrastruktur – etwa freie Kalzinierungsöfen – fehlt und die Aktivierung der Geopolymere mit aggressiven Chemikalien wie Laugen erfolgt. Auch Zertifizierungsprozesse für neuartige Baustoffe erschweren die Einführung in der Bauindustrie. Hinzu kommen marktbedingte Hemmnisse: Der kaolinitische Ton ist vergleichsweise billig verfügbar, weshalb Unternehmen eher auf homogene Rohstoffe aus Tagebauen zurückgreifen als auf Waschschlämme, die zudem getrocknet werden müssen. Der hohe Eisengehalt vieler Schlämme führt außerdem zu Farbveränderungen, die im Bereich Zement und Keramik nicht immer akzeptiert werden.
Trotz dieser Herausforderungen konnte durch das Projekt ein breites Spektrum von Anwendungen aufgezeigt werden, das sowohl ökologisch als auch ökonomisch Potenzial besitzt. Besonders vielversprechend erscheint die Nutzung als Portlandzementersatz oder Keramik, jedoch auch an Anwendung der Geopolymeren ein Industriepartner bereit Interesse bekundet hat.
Öffentlichkeitsarbeit
Um die Ergebnisse bekannt zu machen und Kooperationspartner zu gewinnen, wurden vielfältige Maßnahmen der Öffentlichkeitsarbeit durchgeführt. Ergänzend erschien eine Pressemitteilung und auf der Website des Fachbereichs Geologie wurde über das Projekt informiert. Die Öffentlichkeitsarbeit umfasste zudem zahlreiche Interviews mit Industriepartnern, auf deren Basis die am besten geeigneten Verwertungsmöglichkeiten identifiziert wurden.
Am 03. September 2024 fand an der Universität Trier eine Projektpräsentation für interessierte Firmen statt. Darüber hinaus wurden die Arbeiten für das Fachpublikum auf der Messe Rheinland Bau & Energie in Koblenz vom 14. bis 16. Februar 2025 präsentiert. Überdies wurde im Frühjahr 2025 im Foyer der Universität Trier eine Demoanwendung ausgestellt, die aus drei aus Geopolymer gegossenen, ca. 20 cm großen Skulpturen bestand.
Es fand auch eine wissenschaftliche Verwertung der Projektergebnisse statt. Über den Geopolymerzement, seine Zusammensetzung und seine Eigenschaften wurde ein Artikel (DOI: 10.1051/matecconf/202440306003) und zwei Konferenzbeiträge veröffentlicht. Zwei wissenschaftliche Artikel befinden sich derzeit in Vorbereitung.
Fazit
Das Projekt zeigt eindrucksvoll, dass tonhaltige Schlämme und silikatreiche Stäube nicht als Abfall, sondern als wertvolle Rohstoffe betrachtet werden können. Durch umfassende Analysen und innovative Laborarbeiten konnten unterschiedliche Geopolymerrezepturen entwickelt werden, die sowohl technisch als auch ästhetisch überzeugen. Besonders die Einsatzmöglichkeiten als Zementersatz und in der Innenarchitektur erweisen sich als zukunftsträchtig.
Gleichwohl bestehen für eine großflächige Umsetzung noch Hemmnisse, insbesondere fehlende Infrastruktur, Zertifizierungshürden und ökonomische Faktoren. Dennoch konnten durch gezielte Öffentlichkeitsarbeit wichtige Kontakte zu Industriepartnern geknüpft werden, sodass die Grundlage für eine weiterführende Zusammenarbeit gelegt ist. Insgesamt leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Etablierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, indem es praxisnahe und innovative Lösungen für Reststoffe aufzeigt.