Nutzbarmachung von Gesteinsfüller als Rohstoff zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen: ein Beitrag zur nachhaltigen Produktion in der Steine- und Erden-Industrie

In Deutschland fallen bei der Zerkleinerung von Naturstein zur Produktion von gebrochenen Gesteinskörnungen große Mengen an Gesteinsfüller an. Es wird geschätzt, dass die Gesamtmenge des in Deutschland anfallenden Gesteinsfüllers mindestens 8,1 Mio. t pro Jahr beträgt. Je nach Größe des Betriebs kann die jährlich anfallende Menge an Gesteinsfüller zwischen 5.000 t und 90.000 t schwanken. Die Betriebe vermarkten Gesteinsfüller unter anderem als Urgesteinsmehl oder Fremdfüller. Es wird jedoch nur ein Bruchteil abgesetzt. Der Hauptanteil der anfallenden Gesteinsfüllermassen wird in der Regel auf den innerbetrieblichen Flächen der Steinbrüche entsorgt. Dies führt zu Problemen wie Staubentwicklung bei der Entsorgung, die Entstehung von Gleitflächen auf den innerbetrieblichen Kippen und Platzverbrauch durch die Gesteinsfüllermassen. Weiter stellt die Verkippung des Gesteinsfüllers einerseits einen Ressourcenverlust dar, da die Lagerstätte nicht vollständig genutzt wird, und andererseits einen wirtschaftlichen Verlust dar, da das energieintensivste und teuerste Produkt des Steinbruchs entsorgt wird. Ziel dieser Arbeit war die nachhaltige Nutzbarmachung von Gesteinsfüller als Rohstoff zur Herstellung leichter Gesteinskörnungen - also Gesteinskörnungen mit einer Kornrohdichte kleiner 2.000 kg/m³ und einer Schüttdichte kleiner 1.200 kg/m³ -zu untersuchen. Dazu wurden die Untersuchungen zur Eignung von Gesteinsfüller für eine Produktion von leichten Gesteinskörnungen in vier Phasen durchgeführt. Zunächst wurde in Phase 1 die Eignung von mehreren Gesteinsfüllern anhand der Parameter chemische Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und Brenneigenschaften theoretisch bewertet. Im Zuge der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass sich einzelne Gesteinsfüller als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen eignen. In Phase 2 wurde aus drei Gesteinsfüllern basierend auf den chemischen und thermischen Eigenschaften ein Andesit-Gesteinsfüller für statische und dynamische Brennversuche in Phase 3 ausgewählt. Die statischen Brennversuche im Muffelofen zeigten erste positive Ergebnisse. Es konnten hier bereits leichte Gesteinskörnungen aus dem ausgewählten Andesit-Gesteinsfüller mit Kornrohdichten unter 1 g/cm³ hergestellt werden. Die weiterführenden dynamischen Brennversuche in Phase 3 zeigten, dass sich der ausgewählte Gesteinsfüller durch Mischen mit 1 Massenprozent Siliziumkarbid, Granulieren im Granulierteller und Brennen im Drehrohrofen zu leichten Gesteinskörnungen verarbeiten lässt. Die Schüttdichte, Kornrohdichte, Wärmeleitfähigkeit und Kornfestigkeit der hergestellten Gesteinskörnungen sind kommerziellen Produkten vergleichbar und erfüllen die Anforderung der DIN EN 13055 bezüglich Kornrohdichte und Schüttdichte. Weiter zeigte sich in Phase 4 einerseits, dass in Deutschland größere Mengen an Gesteinsfüller in der Regel nur von mehreren Steinbrüchen bereitgestellt werden können und andererseits, dass eine wirtschaftliche Produktion möglich ist.In Germany, large quantities of rock filler are produced during the crushing of natural stone for the production of crushed aggregates. It is estimated that the total amount of rock filler produced in Germany is at least 8.1 million tons per year. Depending on the size of the operation, the amount of rock filler can vary from 5,000 t to 90,000 t. The quarries sell rock fillers among other things as additives or rock meal. However, only a fraction is actually sold. The majority of the rock fillers being produced are usually disposed of in the quarries' own premises. This leads to problems such as dust generation during disposal, the formation of sliding surfaces on the internal dumps and space consumption by the rock filler masses. The dumping of the rock filler represents a loss of resources since the deposit is not fully utilized, and it also represents an economic loss due to the most energy-intensive and expensive product of the quarry being disposed. The aim of this work was to investigate the sustainable utilization of rock filler as a raw material for the production of lightweight aggregates - i.e. aggregates with a grain density less than 2,000 kg/m³ and a bulk density less than 1,200 kg/m³. For this purpose, the investigations on the suitability of rock fillers for the production of light aggregates were carried out in four phases. In phase 1 the suitability of multiple rock fillers was theoretically evaluated on the basis of the parameters of chemical composition, particle size distribution and burning properties. During the course of the investigations, it was found that individual rock fillers were suitable as raw materials for the production of lightweight aggregates. In Phase 2, an andesite rock filler was selected out of three rock fillers for static and dynamic firing tests in Phase 3, based on the chemical and thermal properties. The static firing tests in the muffle furnace showed first positive results. Lightweight aggregates with grain densities below 1 g/cm³ could already be produced from the selected andesite rock filler. Further dynamic firing tests in phase 3 showed that the selected rock filler can be processed into lightweight aggregates by mixing with 1 wt.% silicon carbide, granulating in the granulation plate and firing in a rotary kiln. The bulk density, grain density, thermal conductivity and grain strength of the manufactured aggregates are comparable to commercial products and meet the requirements of DIN EN 13055 regarding grain density and bulk density. Furthermore, phase 4 showed on the one hand that in Germany larger quantities of rock filler can only be provided by multiple quarries and on the other hand that an economical production is possible