Förderung von Instituten
VDZ – Verband der Deutschen Zementindustrie
Das Forschungszentrum des Verbandes der Deutschen Zementindustrie (VDZ) in Düsseldorf ist eine wichtige Einrichtung zur Erforschung neuer Entwicklungen und Technologien im Baustoffbereich.
Die Dres. Edith und Klaus Dyckerhoff-Stiftung ist dem VDZ seit seiner Gründung eng verbunden und hat den Verband mehrmals für Projekte und für die Anschaffung von Geräten gefördert
Derzeit reserviert das Kuratorium für den VDZ ein Budget von jährlich 20 Tsd. €. Die Gelder werden nicht pauschal vergeben, sondern müssen in jedem Jahr neu projektbezogen beantragt werden. Über die Vergabe entscheidet das Kuratorium nach Begutachtung.
Aktuelles aus den VDZ-Projekten
Neues Projekt: NIR-Spektroskopie für neue Zemente
Die Zusammensetzung von Betonen und Zementen wird derzeit über Röntgen-Verfahren bestimmt. Dieses Verfahren stößt mehr und mehr an seine Grenzen, da im Zuge der Dekarbonisierung …
Betone mit abgesenkten Wasserzementwerten sind frostresistent
Um die CO2-Bilanz von Zement und Beton grundlegend zu verbessern, müssen neue Betone entwickelt werden. Selbstverständlich müssen diese müssen natürlich z.B. hinsichtlich Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit …
Neues Projekt: CO2-Abscheidung in Calcinierungsöfen
Eine Idee, die Klimaverträglichkeit der Zementherstellung zu erhöhen, ist es, das im Brennprozess entstehende CO2 aktiv abzuscheiden. Beim Verband der deutschen Zementwerke (VDZ) in Düsseldorf untersucht …
Neues Projekt: Frostwiderstand von neuen Betonen
Um die CO2-Bilanz von Zement und Beton grundlegend zu verbessern, müssen neue Betone entwickelt werden. Diese müssen natürlich z.B. hinsichtlich Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit die bisherigen …
Neue Referenzbetone definiert
Der VDZ hat seinen Abschlussbericht zum Projekt „Spurenelementscreening von Zementen zur Erzeugung von Kalibrierproben für die Röntgenanalytik“ vorggestellt. Die Autoren ziehen folgendes Fazit: „Ziel des …
KI ist auch In der Zementherstellung hilfreich
Der VDZ hat verschiedene Ansätze künstlicher Intelligenz (KI) miteinander verglichen, um die Druckfestigkeit von Zementen zuverlässig vorherzusagen. KI wird grundsätzlich immer dann sinnvoll eingesetzt, wenn …
Neues Projekt: Erstellung neuer Referenzmaterialen
Mit Unterstützung der Dyckerhoff-Stiftung will der VDZ neue Referenzzemente definieren, die zur Kalibrierung neuer Messverfahren für Spurenelemente in Betonen herangezogen werden können. Grundsätzlich müssen Zementhersteller …
Neues Forschungsprojekt
NIR-Spektroskopie für die Analyse von Recyclingmehlen
Neue Materialien erfordern neue Verfahren. Die derzeit übliche Verfahrensweise, die Zusammensetzung von Betonen und Zementen über Röntgen-Verfahren zu bestimmen stößt an seine Grenzen. Im Blickpunkt eines neuen Forschungsvorhabens am VDZ soll nun untersucht werden, ob die NIR-Spektroskopie für die Analyse von Recyclingmehlen die Röntgenanalyse ersetzen und verbessern kann.
Die Zusammensetzung von Betonen und Zementen wird derzeit über Röntgen-Verfahren bestimmt. Dieses Verfahren stößt mehr und mehr an seine Grenzen, da im Zuge der Dekarbonisierung der Zement-Industrie zunehmend Stoffe zur Absenkung des Klinkeranteils in Zementen verwendet werden, die in der Röntgenanalyse nur sehr diffuse Beugungsmuster erzeugen und daher schwer zu identifizieren sind (z.B. calcinierte Tone oder Recyclingmehle).
Als Alternative zum Röntgen bietet sich die Nahfeld-Infrarotspektroskopie (NIRS) an, deren grundsätzliche Eignung zur Untersuchung silikatischer Stoffe des Bauwesens wurde durch verschiedene Veröffentlichungen bereits punktuell nachgewiesen, aber nie systematisch und übergreifend untersucht wurde.
Am VDZ soll die Eignung der NIR nun anhand von repräsentativen Referenzmaterialien untersucht werden. Gegenwärtig wird dort eine Datenbank solcher Referenzzemente aufgebaut. Im Zentrum des bei der Stiftung beantragten und im Herbst 2024 bewilligten Projekts stehen vor allem Mehle, die aus recyceltem Beton gewonnen werden und mit weiteren Zement-Bestandteilen, wie etwa calcinierten Tonen oder Hüttensanden, vermischt werden.
Ziel des Projekts ist es daher, die Eignung der NIRS für die Analyse von modifizierten Recyclingmehlen nachzuweisen. Hierzu sollen entsprechende Referenzzemente zunächst hergestellt und dann analysiert werden.
Neues Forschungsprojekt
Effiziente CO2-Abscheidung in Calcinierungsöfen
Eine Idee, die Klimaverträglichkeit der Zementherstellung zu erhöhen, ist es, das im Brennprozess entstehende CO2 aktiv abzuscheiden. Beim Verband der deutschen Zementwerke (VDZ) in Düsseldorf untersucht man, ob und unter welchen Bedingungen es sinnvoll ist, die Calcinierung des Kalksteins im Rohmehl vom eigentlichen Brennprozess zu trennen, um möglichst effizient und energiesparend CO2 abzuscheiden.
Grundsätzlich ist das Ziel bekannt und unumstritten: Um die CO2-Bilanz von Zement und Beton grundlegend zu verbessern, muss/soll der Anteil von Portlandzementklinker deutlich gesenkt und durch andere, regional verfügbare, Inhaltsstoffe ersetzt werden. Kalkstein ist die für Deutschland wichtigste Alternative, die aber ihrerseits – chemisch bedingt – zu hohen CO2-Emissionen führt.
Eine Lösung des Problems könnte es sein, das entstehende CO2 im Herstellungsprozess aktiv abzuscheiden, was aber seinerseits sehr energieintensiv ist. Von zentraler Bedeutung dabei ist die CO2-Konzentration im Abgasstrom: Bei einer hohen CO2-Konzentration und geringen Konzentration an störenden Stoffen (z.B. H2O oder N2), ist die CO2-Abscheidung einfacher und deutlich effizienter. Solche Bedingungen könnte man dadurch erreichen, dass man die Calcinierung des Kalksteins im Rohmehl vom eigentlichen Brennprozess trennt. Der VDZ hat daher ein größeres Forschungsvorhaben initiiert, ob dieses in einem speziellen Schachtofen durchgeführt werden kann.
Mit Unterstützung der Dyckerhoff-Stiftung wird 2024 eine spezielle Frage innerhalb dieses Vorhabens untersucht: Wie müssen die in diesem Schachtofen verwendeten Rohmehl-Briketts beschaffen sein, um bei hoher Raumbeständigkeit hohe Calcinationsgrade zu erreichen?
Abschlussbericht vorgelegt
Neue Referenzmaterialen definiert
Grundsätzlich müssen Zementhersteller nachweisen, dass die von ihnen hergestellten Zemente ausreichend stabil sind, dass sie Böden – und vor allem Grundwasser – nicht belasten. Das geschieht über aufwändige und langwierige Versuche, welche Mengen von chemischen Elementen und Schadstoffen aus dem Zement langfristig freigesetzt werden. Auf diese Versuche kann man verzichten, wenn die Konzentration bestimmter chemischer Spurenelemente unter einem Grenzwert liegt. Wie diese Konzentrationen einfacher und schneller gemessen werden können, war Gegenstand eines Forschungsvorhabens im VDZ.
Die Konzentrationsmessungen werden heutzutage in der Regel mit teuren Massenspektrometern vorgenommen. Als Alternative bieten sich Röntgenfluoreszenzspektrometer an, mit denen die Messungen kostengünstiger und schneller vorgenommen werden könnten. Um solche Messungen hinreichend valide durchführen zu können, ist die Herstellung von Kalibriermaterialien erforderlich. Ziel des Projekts war es, solche Referenzzemente zu definieren und herzustellen.
Hierzu wurden die Spurenelementgehalte schwerpunktmäßig deutscher Zemente zunächst mittels ICP-MS nach einem Mikrowellenaufschluss analysiert. Insgesamt wurden über 400 Zemente analysiert.Anhand dieses Screenings von über 400 Zementen wurden geeignete Materialien identifiziert, die sich aufgrund ihrer Spurenelementgehalte zur Herstellung von Referenzproben eignen. Schließlich wurden wurden 25 Zementen ausgewählt, die die gesamte Bandbreite aller relevanten Spurenelementgehalte sowie alle Zementarten der Zementnorm DIN EN 197-1 (bzw. alle Zementhauptbestandteile, die derzeit in Deutschland eingesetzt werden) abdecken.
Damit kann in folgenden Projekten eine röntgenfluoreszenzanalytische Methode (RFA) zur Bestimmung der Spurenelementgehalte in Zementen ausgearbeitet und weiter entwickelt werden.
Da die Förderung Teil eines größeren Projekts ist, ist der gesamte Abschlussbericht vom VDZ nocht nicht freigegeben und wird erst nach Beendigung des Gesamtprojekts veröffentlicht.
Abschlussbericht vorgelegt
KI ist auch in der Zementherstellung hilfreich
Der VDZ hat verschiedene Ansätze künstlicher Intelligenz (KI) miteinander verglichen, um die Druckfestigkeit von Zementen zuverlässig vorherzusagen.
KI wird grundsätzlich immer dann sinnvoll eingesetzt, wenn in einer äußerst komplexen Gemengelage Entscheidungen zu treffen sind. Wobei diese Entscheidungen auf der Basis eines maschinellen Algorithmus gefällt werden, nicht aufgrund von physikalischen oder anderen Modellgleichungen. Dabei agiert der Algorithmus weitgehend autonom, so dass einzelne Entscheidungen nicht unbedingt nachvollziehbar sind.
Eine typische komplexe Gemengelage ist die Vorhersage, wie bruchfest Betonen im Alter von 28 Tagen sind. Die bisherigen ingenieurwissenschaftlichen Modellgleichungen haben keine befriedigenden Ergebnisse geliefert, so dass oft nur vierwöchige Experimente die reale Antwort bringen.
Im nun beendeten Forschungsvorhaben des VDZ wurden auf Basis von Labordaten aus der Güteüberwachung von Zementen verschiedene KI-Vorhersagemodelle entwickelt, mit denen auf Basis einer Grundcharakterisierung des Zementes und seiner gemessenen 2d-Festigkeit die 28d-Festigkeit vor-hergesagt werden kann.Basis der Vergleiche war eine Datenbank mit etwa 70.000 anonymen Datensätzen verschiedener Zementwerke.
Es zeigt sich, dass die Kombination von Daten und Modell einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis haben kann. Dabei wurden einige Modelle mit Trefferquoten von 82 – 84 % erzeugt. Stark geführte Werkzeuge, wie KNIME oder RapidMiner liefern schnell gute Ergebnisse. Das Neuronale Netz mit TensorFlow liefert für den Trainings- und den Testdatensatz etwa gleich gute Ergebnisse.
