Information: Die Forschungsprojekte wurden mit Mitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" (AiF) gefördert. Die in den Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse werden im Rahmen von Vorträgen und Seminaren, sowie direkter Beratung durch das Institut für Ziegelforschung Essen e.V. an die Industrie vermittelt. Schlussberichte wurden erstellt und sind bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) (Kochstr. 66; D-10969 Berlin) zu beziehen.

Hinweis: Die Forschungsprojekte sind nach Ihrer Nummer absteigend sortiert gelistet.

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 16074 N  -  Verminderung des Energieaufwands bei der Ziegelherstellung durch vibrierende Abschneider

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15868 N  -  Erhöhung des hydrostatischen Kapillarzuges in nassen Ziegel-rohlingen zur Verminderung der Trockenbruchanfälligkeit

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15601 N/2N  -  Erhöhung der Polierresistenz von Pflasterziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15410 N  -  Energieeinsparung durch den Abbrand von kohlenstoffhaltigen Bestandteilen zur Kompensation endothermer Zersetzungsreaktionen beim Brennen von Hochlochziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15401 N  -  Steigerung der Energieeffizienz von Trocknungsanlagen durch Nutzung moderner Niedrigenergietrockner

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15348 N  -  Keramische Einbindung von Getreidereinigungsrückständen zur Ausschleusung belasteter Partien aus dem Ernährungskreislauf in Kombination mit einer Energieeinsparung bei der Herstellung von Ziegeln durch die vollständige Nutzung der in den organischen Rückständen enthaltenen Energie

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15325 BG  -  Solid-Solid-Rekuperation zur Erhöhung der Energieeffizienz von Tunnelöfen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15324 N  -  Maßnahmen zur Verminderung des Feuchteeinflusses auf Quell- und Schwindvorgänge sowie auf Festigkeitsverluste beim Einsatz industriell hergestellter Lehmziegel

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15253 N  -  Optimierung der Festigkeitseigenschaften von Mauerziegel

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15252 N  -  Verminderung der Wärmeleitfähigkeit von Ziegelscherben durch den Schnellbrand

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15211 N  -  Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schubtragfähigkeit von Ziegelmauerwerk

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15062 N  -  Verbesserung des dynamischen Widerstands von Ziegelgebäuden in den deutschen Erdbebengebieten durch den Einsatz von Lagerbalken

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15031 N  -  Konzepte zur Verminderung des Abluftverlustes von Trocknern der Ziegelindustrie

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 15030 N  -  Wärmewirtschaft in Ziegeleien unter besonderer Berücksichtigung von Asynchronitäten im Trockner- und im Ofenbetrieb

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14838 N  -  Ursachen und Vermeidung brennbarer Anbackungen im Abgassystem von Tunnelöfen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14837 N  -  Ursachen und Vermeidung von Schäden aufgrund diffusionsabhängger Reaktionsabläufe in der Aufheizzone von Tunnelöfen unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur von Ziegelrohlingen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14623 N  -  Verbundtragverhalten von unbewehrten und bewehrten Wandbauteilen aus mit Normalbeton verfüllten Mauerziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14549 N  -  Einfluss von Druckimpulsen auf die gleichmäßige Aufheizung des Produktes im Tunnelofen und auf den Energieverbrauch

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14548 N  -  Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit eines vertikalen Trennwand-Außenwandanschlusses ohne Mauerwerksverbund zur Reduzierung der Schall-Längsleitung bei Verwendung wärmedämmender Hochlochziegel-Außenwände

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14480 N  -  Einfluss der Brennführung auf die Produktqualität unter Schnellbrandbedingungen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14251 N  -  Nutzung der Tragfähigkeitsreserven von Ziegelverblendmauerwerk

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14118 N  -  Rationalisierung der Bauweise von Vormauerschalen unter Berücksichtigung neuer Verankerungsmethoden und Fertigungstechniken

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 14120 N  -  Schnellbrand von Vollziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13927 N  -  Optimierung der Pressformgebung durch Zugabe von Additiven

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13823 N  -  Beeinflussung von Glätte und Saugvermögen der Oberflächen von mit Papierfangstoff porosierten Leichthochlochziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13721 N  -  Auswirkung von Sparrenvolldämmung und reduziertem oberen Belüftungsraum bei wärmegedämmten geneigten Dächern auf die physikalische Beanspruchung des Dachziegels

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13578 N  -  Optimierung der Schnellbrandbedingungen von Mauer- und Dachziegeln und ihr Einfluss auf die Produktqualität

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13170 N  -  Entwicklung der Produktionstechnik für hochwärmedämmende Lochziegel aus dickwandigen, hochporosierten Stegen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 13169 N  -  Laborsimulation des Durchströmungsbrandes an Hochlochziegeln aus verschiedenen Rohstoffen zur Optimierung der betrieblichen Brennbedingungen

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 12709 N  -  Erhöhung der Festigkeit von schaumporosierten Ziegeln durch sinterungsfördernde Zusätze

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 12503 N  -  Rohstoffanforderungen und Produktionsbedingungen zur extremen Schnelltrocknung und zum extremen Schnellbrand

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 12336 N  -  Modifizierung von Fluorreinigungsanlagen zur verbesserten Adsorption von Chlorwasserstoff

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 12182 N  -  Energiesparender und umweltschonender Brand von durch Porosierungsmittel hochbefrachteten Leichthochlochziegeln

  FV-Nr. / IGF-Nr.: 12039 N  -  Unterschiedliche Brennraumatmosphären zur Verbesserung der Kalkeinbindung

Energiesparender und umweltschonender Brand von durch Porosierungsmittel hochbefrachteten Leichthochlochziegeln
FV-Nr. / IGF-Nr.: 12182 N

Die Porosierung hochwärmedämmender Hochlochziegel geschieht nahezu ausschließlich durch die Zugabe organischer Substanzen in den Ziegelton. Beim Aufheizen der mit diesen Ausbrennstoffen versetzten Ziegelrohlinge kommt es aufgrund pyrolytischer Reaktionen zu Zersetzungsvorgängen. Die dabei frei werdenden Pyrolyse- oder Schwelgase verbrennen entweder bereits innerhalb des Rohlings oder sie entweichen von dort in die Ofenatmosphäre, wo sie ebenfalls weitgehend oxidieren. Die hierbei freiwerdenden spezifischen (auf die Ziegelmasse bezogenen) Verbrennungswärmen haben die gleiche Größenordnung wie der spezifische Energieaufwand, der zum Betrieb der Tunnelöfen erforderlich ist.

Im Rohling verbleibt nach diesem Verschwelungsvorgang ein zunächst noch unverbrannter Restkohlenstoff, der erst im Bereich der Garbrandtemperaturen verbrennt. Im Ziegel bleiben kleine Hohlräume an den Stellen zurück, wo sich zuvor die Ausbrennstoffe befanden, und bilden den zur Erhöhung der Wärmedämmung gewünschten Porenraum.

Sofern die mit dem Verschwelungsprozess einhergehende spezifische Wärmefreisetzung geringer als etwa 400 kJ/kg ist, so kann - wie im Rahmen des Projektes durchgeführte Berechnungen in Übereinstimmung mit Praxiserfahrungen zeigen - diese eingeziegelte Energie vollständig durch Brennstoffeinsparung kompensiert werden, ohne dass sich negative Einflüsse auf die Brennkurvengestaltung und damit auf die Produktqualität ergeben. Porosierungen mit Ausbrennstoffen bis zu 400 kJ/kg bringen also nicht nur Vorteile hinsichtlich des baulichen Wärmeschutzes, sondern sie lassen den Bedarf an fossilen Brennstoffen im Umfang der dem Rohstoff zugemischten Ausbrennstoffe - vorwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen - ohne negative Auswirkungen zurückgehen.

Zur weiteren Erhöhung der Wärmedämmung von Mauerziegeln sind jedoch auch Porosierungen sinnvoll, die weit über dieses Maß hinausgehen. Liegt der Energieinhalt der Ausbrennstoffmenge zwischen 400 und etwa 1000 kJ/kg, so befindet man sich in einem Übergangsbereich, der mit konventionell betriebenen Tunnelöfen - und natürlich auch mit Schnellbrandöfen - beherrscht werden kann, sofern die Ziegelrohlinge gegenüber starken Brennkurvenverbiegungen tolerant sind, so dass es trotz lokaler Steilaufheizungen nicht zur Bildung von Rissen und Abplatzern an den Rohlingen kommt.

Steigt der Energieinhalt der Ausbrennstoffe jedoch über 1000 kJ/kg an, so ist es nach dem derzeitigen Stand der Technik unvermeidbar, überschüssige Wärme dort aus dem Tunnelofen auszukoppeln, wo sie durch Oxidationsvorgänge innerhalb oder an den Oberflächen der Rohlinge entsteht. Hierzu ist eine intensive Belüftung der Rohlinge im entsprechenden Ofenabschnitt erforderlich, wobei der Luft die Aufgabe eines die Wärme forttragenden Ballaststoffes zufällt. Technisch ungeklärt bleibt dabei die energetische Verwertung der somit erzeugten Warmluft, da die Versorgung des in Ziegeleien zweiten großen Energieverbrauchers, nämlich des Trockners, bereits durch die Kühlluft des Tunnelofens geschieht. Anderweitige Verwendungszwecke, beispielsweise zur Stromerzeugung, sind zwar denkbar, aber aufgrund des relativ niedrigen Temperaturniveaus mit großem Aufwand verbunden.

Laborversuche zeigen, dass Schnellbrandöfen, bei denen die Rohlinge (Leichthochlochziegel) während des Schwelvorgangs intensiv durchströmt werden, gegenüber Tunnelöfen mit konventionellem Besatzaufbau ein deutlich vorteilhafteres Verhalten zeigen und Gefährdungen durch Rissbildungen und Abplatzer zu vermeiden helfen.

Ein ausführlicher Bericht über die Ergebnisse dieses Projektes erscheint im ZI-Jahrbuch 2003. Vorgetragen wurde über die Ergebnisse bereits anlässlich des IZF-Seminars 2002 und der IZF-Mitgliederversammlung 2002. Für Energieinhalte der Ausbrennstoffe unterhalb von 1000 kJ/kg sind erfolgreiche Industrielle Anwendungen der hier beschriebenen Zusammenhänge in großem Umfang bekannt. Für Energieinhalte deutlich oberhalb von 1000 kJ/kg gestaltet sich die Umsetzung nach wie vor außerordentlich schwierig; und es besteht weiterer Forschungsbedarf.

Unterschiedliche Brennraumatmosphären zur Verbesserung der Kalkeinbindung
FV-Nr. / IGF-Nr.: 12039 N

Bei kalkhaltigen Ziegelrohstoffen besteht ein Problem darin, dass sich mit dem Bestreben, schneller zu brennen, die Verweilzeiten im Spitzentemperaturbereich und damit auch die für die Kalkeinbindung zur Verfügung stehenden Reaktionszeiten verkürzen. Folgen hiervon sind geringere Scherbenfestigkeiten bei Feuchteeinwirkung, sogenannte Kalkausblühungen, sowie beim Vorhandensein grobstückiger Kalkeinschlüsse Absprengungen am Fertigprodukt. Für betriebliche Ziegelrohstoffe wurden daher systematisch die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Brennraumatmosphären einerseits und verschieden hohen Brenntemperaturen, Verweilzeiten, Graden der Kalkeinbindung sowie den resultierenden Produkteigenschaften andererseits erforscht.

Was bei Hochlochziegelmassen die Abhängigkeit der Produkteigenschaften von der Spitzentemperatur anbetrifft, so zeigte sich, dass hier eine Erhöhung bzw. Absenkung zu keinen nennenswerten Veränderungen in den Scherbenrohdichten und Festigkeiten führte, jedoch konnten die Wärmeleitfähigkeiten teils um ein Drittel abgesenkt werden. Die Anwendung einer sauerstoffarmen Brennraumatmosphäre ergab Festigkeitszunahmen von bis zu 20 %. Die Erhöhung der Kalkanteile durch Zugabe von kalkhaltigen Rohstoffen und/oder Kalksteinmehlen erbrachte Festigkeitssteigerungen von maximal 50 %.

Während bei den Dachziegeln eine Veränderung der Brennraumatmosphäre in Richtung neutral nur zu geringfügigen Festigkeitssteigerungen führte, konnten bei den Vormauerziegeln Festigkeitsgewinne von bis zu 40 % erzielt werden.

Der Zusatz von Sintermehlen führte im Falle der Dach- und Vormauerziegelrohstoffe zu Erhöhungen in den Festigkeiten um bis zu 20 %, was Absenkungen in den Garbrandtemperaturen um bis zu 60 K und damit ein bedeutsames Energieeinsparpotenzial bedeuten kann. Der Übergang von oxidierender zu reduzierender Brennraumatmosphäre bei den mit Sintermehl versetzten Mischungen lässt weitere Festigkeitssteigerungen von 20 bis 35 % erwarten.

Die in Abhängigkeit von der Zusatzstoffart, Brenntemperatur und Zusammensetzung der Brennraumatmosphäre erzielten Veränderungen in den Produkteigenschaften konnten anhand des ermittelten Mineralphasenbestandes in den gebrannten Scherben teilweise eine Erklärung finden. Verantwortlich hierfür sind im Wesentlichen verstärkte Neubildungen von calcium- und/oder magnesiumhaltigen Mineralphasen. Diese Reaktionen bringen eine erhöhte Kalkeinbindung (Silikatisierung) der carbonathaltigen Komponenten mit sich.

Modifizierung von Fluorreinigungsanlagen zur verbesserten Adsorption von Chlorwasserstoff
FV-Nr. / IGF-Nr.: 12336 N

Ziel dieses Vorhabens war es, die Gründe für die unbefriedigende Reinigungsleistung der in der Ziegelindustrie vielfach vorhandenen Fluorreinigungsanlagen für Chlorverbindungen aufzuklären und geeignete Maßnahmen zu finden, die die Reinigungsleistung soweit anheben, dass die vorgegebenen Grenzwerte eingehalten werden können.

Hierzu wurden in einem Laborreaktor drei Kalksteinsorten S, N und K untersucht, wobei die Kalksteine S und N derzeit in den Fluorreinigungsanlagen der Ziegelindustrie weit verbreitet sind. Der Kalkstein K ist ein Kunstprodukt, das aus Kalksteinmehl unter Zusatz von Kalziumhydroxid hergestellt wird.

Es zeigte sich, dass die Kalksteine S und N selbst bei Temperaturen von 370 °C eine unbefriedigende Reaktivität zeigen, während der Kalkstein K schon bei Temperaturen von 150 °C eine als Maßstab für die Reaktivität herangezogene Beladung im Durchbruchszeitpunkt von 8 % aufweist (Der entsprechende Wert für die Kalksteine S und N liegen bei diesen Bedingungen unter 1%). Die starken Unterschiede in der Reaktivität werden aufgrund optischer und rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen im wesentlichen auf den Reichtum an mikroskopischen Poren des Kalksteins K zurückgeführt.

Durch den Einsatz von Kalkstein K in den vorhandenen Fluorreinigungsanlagen erscheint die für die Ziegelindustrie wichtige Einhaltung des Grenzwertes von anorganischen, gasförmigen Chlorverbindungen weitgehend unproblematisch. Wünschenswert wären weitere Hersteller für dieses oder ähnliche Produkte, um einer Monopolsituation zu entgehen.

Rohstoffanforderungen und Produktionsbedingungen zur extremen Schnelltrocknung und zum extremen Schnellbrand
FV-Nr. / IGF-Nr.: 12503 N

Aufgrund der beim Trocknen von Ziegelrohlingen ablaufenden Schwindungsvorgänge kommt es in den Formlingen zu mechanischen Spannungen, die zu Trockenrissen führen können. Trockenrisse werden nicht durch die Schwindung an sich hervorgerufen, sondern durch Schwinddifferenzen. Bei unterschiedlichem Trocknungsfortschritt stellen sich Feuchtedifferenzen im Gut ein. Das Gutinnere besitzt einen höheren Wassergehalt als der Außenbereich. D.h. die Schwindung ist außen weiter vorangeschritten als im Inneren des Rohlings. Der Außenbereich ist bestrebt, sich zusammenzuziehen, wird aber vom Inneren daran behindert. So entstehen im Innenbereich Druck- und im Außenbereich Zugspannungen. Gegenüber Zugspannungen ist ein Rohling wesentlich empfindlicher als gegen Druckspannungen. Wenn diese Spannungen so groß werden, dass sie nicht mehr durch die Bindekräfte der Masse aufgenommen werden können, dann entstehen Trockenrisse. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Trockenrissempfindlichkeit herabzusetzen.

Eine davon ist die Verbesserung des kapillaren Wassertransportes. Dieses geschieht durch den Zusatz geeigneter Magerungsstoffe. Sie bestehen im allgemeinen aus kantigen, mineralischen Teilchen, die von den tonigen feinen Bestandteilen der Masse durch Wasserschichten getrennt sind. So entsteht zwischen den Teilchen der Magerungsmittel und den Tonpartikeln eine Randgängigkeit für das beim Trocknungsvorgang durch die Masse wandernde Wasser. Dadurch werden der Feuchteausgleich innerhalb des Rohlings begünstigt und die Rissgefährdung herabgesetzt.

Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden Porphyr, Lava sowie Basalt als magernde Zusatzstoffe eingesetzt. Ob bestimmte Magerungsmittel die Rissgefährdung einer Masse tatsächlich vermindern können, hängt jedoch auch vom jeweiligen Rohstoff ab.

Eine weitere Möglichkeit zur Verminderung der Trockenrissgefährdung besteht darin, die Bindigkeit der Masse durch verfilzende Stoffe zu erhöhen. Diese bewirken in der Ziegelmasse eine Verankerung der Tonteilchen. So kommt es bei der Trocknung aufgrund der armierenden Wirkung der feinen Fasern zu einer beachtenswerten Verminderung der Trockenbruchanfälligkeit. Wie die Versuche zeigen, erweisen sich Papierfangstoff sowie Molererde und in geringerem Maße auch Hanf in diesem Zusammenhang als besonders geeignet.

Auch durch Verminderung der temperaturabhängigen Zähigkeit von Wasser kann die Rissgefährdung herabgesetzt werden. Mit steigender Temperatur wird ein deutlicher Anstieg der Feuchteleitfähigkeit erreicht. Je höher die Feuchteleitfähigkeit im Rohling ist, umso geringer sind die örtlichen Differenzen im Rohlingswassergehalt und somit die durch unterschiedliche Schwindungszustände hervorgerufenen Spannungen. Daher können höhere Rohlingstemperaturen während der Trocknung die inneren Spannungen und somit die Rissgefährdung herabsetzen. Dies gilt jedoch nicht uneingeschränkt. Es zeigt sich, dass die Heraufsetzung der Rohlingstemperatur im ersten Trocknungsabschnitt nur bis zu einer vom jeweiligen Rohstoff abhängigen Grenze Vorteile bringt. Bei Überschreitung dieser Grenztemperatur erhöht sich die Trockenrissgefährdung, obwohl die Beweglichkeit des Wassers im Rohling weiter verbessert und dadurch der Feuchteausgleich begünstigt wird. Ausschlaggebend für die oberhalb der Grenze wieder schnellere Rissbildung ist vermutlich die mit steigender Rohlingstemperatur abnehmende Festigkeit. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die rohstoffabhängige "Grenztemperatur" herauszufinden, bei der die Rissgefährdung am geringsten ist.

Hinsichtlich des Brandes gibt es Rohstoffe, die aufgrund ihrer Rohstoffzusammensetzung als schnellbrandgeeignet einzustufen sind. Andere neigen bei zu schneller Aufheizung zu Reduktionskernbildungen. Solche Rohstoffe können durch Einsatz geeigneter Zusatzstoffe unempfindlicher für schnelles Aufheizen gemacht werden. Für den Ausbrand im Temperaturbereich von 250 bis 800 °C sind Gasdiffusion sowie Festkörperreaktionen geschwindigkeitsbestimmend. Daher ist es wichtig, dass vor Abschluss dieser Reaktionen der Scherben noch nicht oberflächlich verglast und dadurch gasundurchlässig geworden ist. Die benötigte Zeit für Reaktionen ist umso geringer, je kleiner die Korngrößen der Massekomponenten sind. Eine Beschleunigung ist zusätzlich dann möglich, wenn sich Schmelzphasen bilden, da die Diffusionsgeschwindigkeit in Schmelzen im allgemeinen wesentlich größer als in Festkörpern ist. Um die Reduktionskernbildung zu vermindern bzw. zu vermeiden, wurden Natursteinsande und -mehle eingesetzt. Diese bewirken als Magerungsmittel (ähnlich wie bei der Trocknung) eine Erhöhung der Grenzkapillarität und damit eine Verbesserung des Ausbrandes.

Inwieweit Gleichgewichte der chemischen Reaktionen und Schmelzvorgänge erreicht werden können, hängt unter anderem von der im jeweiligen Temperaturbereich bereitgestellten Reaktionszeit und damit von Aufheizgeschwindigkeit und Haltezeit ab. Es stellte sich heraus, dass bei höheren Aufheizgeschwindigkeiten noch ein größerer Quarzanteil und eine geringere Menge amorpher Phase im Scherben enthalten ist, was dadurch zu erklären ist, dass sich in der kürzeren Zeit nicht so viel Quarz auflösen kann und somit weniger amorphe Phase entsteht. In dem untersuchten Bereich der Aufheizgeschwindigkeiten von 100 bis 600 K/h zeigten die Scherben jedoch keine nennenswerten Veränderungen in den Produkteigenschaften.

Erhöhung der Festigkeit von schaumporosierten Ziegeln durch sinterungsfördernde Zusätze
FV-Nr. / IGF-Nr.: 12709 N

Aufgrund der hohen Anforderungen an den Wärmeschutz besteht ein großer Bedarf an Leichthochlochziegeln mit hohem Wärmedämmvermögen. Für konventionell hergestellte Hochlochziegel ergeben sich hinsichtlich der notwendigen Scherbenrohdichteabsenkung Grenzen, die einerseits in der unzureichenden Verarbeitbarkeit von Rohstoffmischungen mit sehr hohem Porosierungsstoffanteil begründet sind. Andererseits sind mit dem oftmals erhöhten Energieeintrag erhebliche verfahrenstechnische und umweltrelevante Probleme verbunden, wie nicht ordnungsgemäßer Ausbrand, Überfeuerung, Brennkurvenaufweitung und Schwelgasentwicklung. Eine Lösungsmöglichkeit stellen schaumporosierte Ziegel dar, die im Strangpressverfahren hergestellt werden können. Die Porenbildung wird nach Zugabe eines Schäumungsmittels auf der Basis eines anionenaktiven Tensides durch Aufschäumen eines breiartigen Schlickers bewirkt. Dieser Schlicker beinhaltet im Wesentlichen Feststoff (Ziegelrohstoff), Anmachwasser und Verflüssigungsmittel. Das hierdurch erzeugte zusätzliche Porenvolumen ist mit ca. 30 Vol.-% als optimal anzusehen. Hinsichtlich des Einsatzes von traditionellen Porosierungsstoffen sind sowohl feines Polystyrol, Sägemehl und anorganische Zusatzstoffe zu bevorzugen, die nach Zugabe in den Schlicker u. a. als Ansteifungsmittel wirken.

Um derartige Produkte auch für die mehrgeschossige Bauweise einsetzen zu können ist bei Dichten von 0,4 bis 0,7 kg/dm³ eine Festigkeitsklasse von 4 erforderlich, die besagt, dass der Mittelwert der Festigkeitswerte 5 N/mm² betragen muss, wobei der kleinste Wert 4 N/mm² nicht unterschreiten darf.

Hinsichtlich der rohstoffseitigen Voraussetzungen bewährt sich zunächst der Einsatz von carbonathaltigen Ziegelrohstoffen die neben ihrer Eigenporosität ein Trocknungs- und Brennverhalten aufweisen, das den Porositätsgewinn durch das Aufschäumen im hohen Maße beibehält. Die festigkeitssteigernden Reaktionen werden durch Zugabe frühsinternder Zusatztone und carbonatärmerer Ziegelrohstoffe hervorgerufen. Der Festigkeitsgewinn ist hierbei in einer veränderten Mineralphasenbildung begründet, was durch Anwendung höherer Brenntemperaturen noch unterstützt wird. Das sich nach Brand bildende Porensystem erstreckt sich mit unterschiedlicher Häufigkeit über einen Radienbereich von 0,1 bis 500 mm, wobei die durch den Schaum und die Eigenporosität carbonathaltiger Ziegelrohstoffe bewirkten Poren einem Bereich von 0,1 bis 10 mm zuzuordnen sind. Durch die rohstoffseitigen und brenntechnischen Maßnahmen wird die spezifische Oberfläche des Gesamtporenraumes vermindert.

Unter optimierten Bedingungen konnten schaumporosierte Hochlochziegel in Originalgröße hergestellt werden, die bei Ziegelrohdichten von 0,4 bis 0,5 kg/dm³ Druckfestigkeiten von 4 bis 7 N/mm² aufweisen. Die dazugehörigen Wärmeleitfähigkeiten liegen zwischen 0,100 und 0,125 W/m*K. Diesbezüglich sind noch Optimierungsmöglichkeiten gegeben, wobei die Gestaltung des Ziegelgitters eine wesentliche Einflussgröße darstellt.

Laborsimulation des Durchströmungsbrandes an Hochlochziegeln aus verschiedenen Rohstoffen zur Optimierung der betrieblichen Brennbedingungen
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13169 N

Der Schnellbrand von Leichthochlochziegeln, insbesondere aus energetisch hochbefrachteten Rohstoffmischungen, erfordert für die technische Realisierbarkeit eine Optimierung des Brennprozesses dahingehend, dass die inneren Oberflächen des Ziegels am Wärme- und Stoffaustausch teilnehmen können. Der Durchströmungsbrand des Ziegelgitters beinhaltet nicht nur die Minderung spannungsverursachender Temperaturdifferenzen, sondern auch den gezielten Austausch bzw. die Bereitstellung reaktiver Gasatmosphären.

Unter der Voraussetzung einer erzwungenen Durchströmung sind für Ziegel mit filigraner Gitterstruktur bis zu Brenntemperaturen von ca. 700 °C Aufheizgeschwindigkeiten von 2000 K/h anwendbar. Diese orientieren sich an dem Aufheizverhalten des Rohlings selbst, hervorgerufen durch überwiegend exotherme Rohstoffreaktionen. Oberhalb von 700 °C sind zum ordnungsgemäßen Ablauf der Rohstoffreaktionen niedrigere Aufheizgeschwindigkeiten von bis zu 500 K/h vorzugeben. Die in beiden Temperaturbereichen stattfindenden Verbrennungsreaktionen sind mit einem Verzehr des Sauerstoffgehaltes in der Ofenatmosphäre verbunden, sodass ein Angebot von hohen sauerstoffreichen Umwälzluftmengen zum verbesserten Wärmeübergang und zur Aufrechterhaltung der Ausbrennvorgänge beiträgt. Die nach o. b. Programm in einer Zeit von 2 bis 2,5 h (kalt-kalt) gebrannten Ziegel unterschiedlichster Formate, Gitterstrukturen und Rohstoffzusammensetzungen lassen keine Schäden (Rissbildungen, Reduktionskerne, Abplatzungen) erkennen, obwohl während der Aufheizung im Temperaturbereich < 700 °C Temperaturdifferenzen von ca. 300 K und > 700 °C Differenzen von ca. 150 K innerhalb des Einzelziegels auftreten können.

Durch den Schnellbrand werden im Vergleich zum konventionellen Tunnelofenbrand keine negativen Auswirkungen auf das Brennverhalten und die Produkteigenschaften hervorgerufen. Die Verminderung der Brennschwindung ist nicht nur hinsichtlich einer Scherbenrohdichteabsenkung als positiv zu bewerten. Durch ein geringeres Brennschwindmaß wird auch die Gefahr von Rissbildungen herabgesetzt. Zudem ist eine höhere Maßhaltigkeit der Ziegelprodukte zu erwarten. Nennenswert ist insbesondere die Verbesserung in den Wärmedämmeigenschaften um bis zu 10 %, ohne dass Einbußen in der Scherbenfestigkeit auftreten. Dieses Verhalten ist mit Veränderungen in der Mineralphasen- und Porenbildung bei Anwendung des Schnellbrandes in Verbindung zu bringen.

Die Laborsimulation des Durchströmungsbrandes ist eine geeignete Methode, die verfahrenstechnischen Bedingungen unter Berücksichtigung der rohstoffseitigen Voraussetzungen für das jeweilige Ziegelwerk darstellen zu können.

Entwicklung der Produktionstechnik für hochwärmedämmende Lochziegel aus dickwandigen, hochporosierten Stegen
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13170 N

Werden leichte, hochwärmedämmende Ziegel mit hohen Lochanteilen, einer hohen Anzahl von Lochreihen und dünnen Stegen im Ziegelinneren ausgestattet, so führt dies erfolgreich zu guten wärmetechnischen Eigenschaften, bedingt aber Nachteile in der erreichbaren Schalldämmung und der Druckfestigkeit. Die filigrane Lochstruktur kann bei akustischer Anregung zu Resonanzerscheinungen führen, die mitunter die Schalldämmung nennenswert unter den rechnerisch zu erwartenden Wert vermindern. Andere leichte Wandbaustoffe wie z. B. Leichtbetonsteine aus Bims oder Blähton erfüllen i. d. R. die Anforderungen an den Schall- und Wärmeschutz und die Statik, mit vergleichsweise dickeren Stegen und einem wesentlich geringeren Lochanteil.

Ziel des Forschungsvorhabens war zunächst die Entwicklung der Produktionstechnik, die zur Herstellung von neuartigen Leichtziegeln erforderlich ist. Hierzu orientierte man sich anfangs an vorhandenen Lochstrukturen leichter Wettbewerbs-Mauersteine mit Stegdicken von 30 bis 40 mm und einem Lochanteil von 10 bis 15 Prozent. Dadurch sollte das schalltechnische Verhalten der Ziegel im Vergleich zu herkömmlichen Leicht-Hochlochziegeln verbessert werden, bei gleichbleibend guten wärmetechnischen und ausreichenden statischen Eigenschaften.

Es wurden stranggepresste, schaumporosierte Ziegel im Format 10 DF mit Schlitzlochung und einem Lochanteil von ca. 15 Prozent hergestellt. Diese Ziegel wurden hinsichtlich ihr technischen Eigenschaften wie Rohdichte, Druckfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Schallverhalten untersucht. Trotz der erzielten geringen Rohdichten konnte das gesteckte Ziel der angestrebten Wärmeleitfähigkeit von 0,14 W/(m·K) bei ausreichender Druckfestigkeit nicht erreicht werden. Zudem konnte bei den schalltechnischen Versuchen keine signifikante Veränderung des Resonanzverhaltens festgestellt werden, so dass aufgrund der geringen Masse solcher Ziegel keine Verbesserung der Schalldämmung zu erwarten ist.

Aus diesen Gründen wurde die Entwicklung verbesserter, konventionell porosierter Rohstoffmischungen betrieben, um auf der Basis von marktüblichen oder DIN-basierten Ziegeln Modifikationen vorzunehmen und Wege aufzuzeigen, die eine Kombination aus Wärme- und Schalldämmung zulassen. Hierzu war es erforderlich, den Einfluss der Lochgeometrie, der Stegdicken, der Rohdichten und von Füllungen in den Löchern zu untersuchen. Dieses geschah, indem zunächst umfangreiche Messungen der Wärmedämmung unterschiedlichster Lochbildgeometrien in ungefülltem und gefülltem Zustand vorgenommen wurden. Gleichzeitig wurde an diesen Ziegeln das Resonanzverhalten untersucht, um erste Hinweise auf das Schalldämmverhalten zu bekommen. An wärmetechnisch optimierten, marktüblichen Hochlochziegeln wurden sowohl in ungefülltem und gefülltem Zustand die Wärmeleitfähigkeit und die Schalldämmung gemessen und gegenübergestellt. Während die Wärmedämmung des gefüllten Ziegels um ca. 18 Prozent verbessert werden konnte, wurde im Schallverhalten der Resonanzeinbruch in der Messkurve des bewerteten Schalldämmmaßes fast gänzlich unterbunden, wodurch sich das Schalldämmmaß ebenfalls verbesserte.

Auf der Basis eines "DIN-Ziegels" mit vergleichsweise dicken Stegen, wurden mit der optimierten Rohstoffmischung Ziegel vom Format 10 DF hergestellt und diese Ziegel wurden nach vorherigen Berechnungen der Wärmeleitfähigkeit in seinem Lochbild verändert, indem eine Teilfüllung eines solchen Hochlochziegels vorgenommen wurde. Hierdurch wurde das Ziel einer verbesserten Schalldämmung bei ausreichender Festigkeit.

Optimierung der Schnellbrandbedingungen von Mauer- und Dachziegeln und ihr Einfluss auf die Produktqualität
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13578 N

Der Schnellbrand ist bei der Ziegelproduktion ein Brennprozess, der in seinem zeitlichen Ablauf von den zulässigen Spannungen, von den Grenzen des Wärme- und Stofftransportes innerhalb von Rohlingen bzw. innerhalb von Rohlingsstegen und vom Zeitbedarf kinetischer Reaktionsabläufe (z. B. Ausbrand bituminöser Bestandteile, Sinterprozesse) bestimmt ist. Er setzt voraus, dass die Rohlinge untereinander in identischer Weise dem Brennprozess ausgesetzt sind, und dass alle inneren und äußeren Oberflächen zumindest annähernd gleichrangig am Wärme- und Stoffaustausch mit der Ofenatmosphäre teilnehmen. Die sich dabei ergebenden geschwindigkeitsbestimmenden Materialdicken sind die jeweils dünnsten Abmessungen von ungelochten Vollziegeln und Klinkern, die größten zusammenhängenden Materialdicken von gelochten Vormauerziegeln und die maximalen Dicken von Dachziegeln. Die zulässigen Aufheiz- und Kühlgeschwindigkeiten werden durch die oben genannten Materialdicken, durch die Wärmeleitfähigkeiten, die innerhalb der zu erwärmenden Rohlingsdicke erträglichen Temperaturgradienten und keramtechnische Notwendigkeiten bestimmt. Letztere können beispielsweise aus dem Zeitbedarf entstehen, der zum hinreichenden Ablauf von Festkörperreaktionen im Rohlingsinneren erforderlich ist.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus Untersuchungen zum Ausdehnungs- und Schwindverhalten, zum Ausbrennverhalten und zur Porositätsentwicklung erfolgten Schnellbrandversuche mit Original-Ziegelrohlingen der Produktgruppen Klinker, Vormauerziegel und Dachziegel unter nachfolgenden Voraussetzungen:
- Einzel- bzw. Einlagenbrand zur freien Um- und teils Durchströmbarkeit der Rohlinge
- hohe Umwälzleistung der Ofen-Gasatmosphäre zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und des Wärmeübergangs
- hohes Angebot von Restsauerstoff zur Begünstigung der Ausbrennreaktionen
- Bereitstellung ausreichender Brennstoffenergie zur Brennkurvengestaltung mit teils extremen Aufheizgeschwindigkeiten.

Die unter diesen verfahrenstechnisch optimierten Bedingungen ermittelten Produktbrennkurven erfordern je nach Rohstoffzusammensetzung und Format unterschiedliche Gesamtbrennzeiten von:
- ca. 24 bis 28 h für Vollziegel (Format DF-NF)
- ca. 18 bis 21 h für gelochte Vormauerziegel (15 % Lochanteil)
- ca. 11 bis 28 h für Dachziegel mit aufwändiger Querschnittsgestaltung und örtlich unterschiedlichen Materialdicken
- ca. 5 h für plattenähnliche Produkte (z. B. Biber-Dachziegel)

Neben der Rohlingsdicke ist für die Gestaltung der Produktbrennkurve der vollständige Ausbrand bituminöser Bestandteile geschwindigkeitsbestimmend. Je nach Rohstoffart und Format ist hierfür ein Zeitbedarf notwendig, der zwischen 25 und 70 % der Gesamtbrennzeit liegt. Das Ausbrennverhalten wird beeinflusst durch:
- den Anteil an organischem Kohlenstoff
- die CO- bzw. CO2-Entwicklung aus der Verbrennung des Kohlenstoffes und der Zersetzung carbonathaltiger Minerale
- die Porosität des Scherbens und die Entwicklung des Porensystems in Abhängigkeit von der Korngröße, dem Mineralbestand und der Brenntemperaturhöhe
- die Diffusion als Funktion der Porosität, des Porensystems und der Temperatur.

Rohstoffseitige Maßnahmen zur Verbesserung des Ausbrennverhaltens sind in zweierlei Hinsicht wirksam. Die Zugabe von Zusatzstoffen, beispielsweise von Natursteinmehlen und -sanden, bewirkt zunächst eine Minderung der in der Rohstoffmischung enthaltenen Anteile organischen Kohlenstoffes. Des Weiteren führt die veränderte Korngrößenzusammensetzung zu einer Gefügeauflockerung, so dass über einen relativ großen Temperaturbereich ein Scherben mit ausreichend hohen Porositäten für die Gasdiffusion zur Verfügung steht. Bei hohen Temperaturen überwiegen dann die Sinterreaktionen, die teilweise durch die Zusatzstoffe verstärkt werden.

Eine erneute Anpassung der Produktbrennkurve unter Berücksichtigung des veränderten Brennverhaltens stellt gegenüber den o. g. Gesamtbrennzeiten Zeitersparnisse von 20 bis 25 % in Aussicht.

Bei Anwendung dieser rohstoffseitigen und verfahrenstechnischen Maßnahme werden die Produkteigenschaften erreicht, die den für das jeweilige Produkt nach DIN/EN-Normen geforderten Qualitätsansprüchen entsprechen.

Beeinflussung von Glätte und Saugvermögen der Oberflächen von mit Papierfangstoff porosierten Leichthochlochziegeln
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13823 N

Um die Wärmedämmung von Ziegeln zu erhöhen, werden die Rohlinge bei der Formgebung mit einer Lochung versehen. Diese Maßnahme allein ist aber nicht ausreichend, um das gesteckte Ziel zu erreichen, vielmehr muss zusätzlich der Porenraum im Scherben erhöht werden. Dies geschieht im allgemeinen durch Zugabe von geeignet erscheinenden Ausbrennstoffen, den Porosierungsmitteln, zum Rohmaterial. Diese verbrennen beim Ziegelbrand, wobei sie entsprechende Poren hinterlassen.

Neben anderen Porosierungsmitteln werden insbesondere so genannte Papierfangstoffe eingesetzt. Papierfangstoffe sind Rückstände, die in den Produktionswässern bei der Papierherstellung in größeren Mengen anfallen und teilentwässert in Form von Filterkuchen zur Verfügung stehen. Die Feststoffsubstanz besteht je nach Papierart bis zu 50 Massen-% aus organischen Fasern, im Rest enthalten sind so genannten Füllstoffen, wie Kaolin und Kreide. Zur Erzielung einer möglichst geringen Wärmeleitfähigkeit durch hohe Porosierung ist es notwendig, eine möglichst hohe Zugabemenge an Papierfangstoff einzusetzen.

Es hat sich allerdings vereinzelt gezeigt, dass die maximale Zugabemenge für die Papierfangstoffe nicht nur durch eine damit verbundene Abnahme der Druckfestigkeit begrenzt ist, sondern möglicherweise durch einen weiteren Effekt, der sich darin äußert, dass die Presshaut des Ziegels mit zunehmendem Fangstoffgehalt der Betriebsmasse ein immer geringer werdendes Wassersaugvermögen aufweist. Die Vermutung lag daher nahe, dass in einem solche Fall die Ziegeloberfläche wie hydrophobiert wirkt. Der Effekt ist auf die Presshaut des Ziegels beschränkt, d.h. Bruchflächen des Ziegels weisen das in Anbetracht des großen Porenraumes zu erwartende hohe Wassersaugvermögen auf. Das verminderte Saugvermögen könnte dann nachteilige Auswirkungen auf die Putzhaftung haben.

Der Einfluss auf das Saugvermögen und somit auf die Sauggeschwindigkeit ist nicht generell bei zunehmender Papierfangstoffzugabe zu beobachten. Es besteht lediglich die Vermutung, dass ein Zusammenhang mit den Füllstoffen des Fangstoffes besteht. Diese Füllstoffe weisen Korngrößen von nur wenigen Mikrometern auf, und es besteht die Vorstellung, dass sich die Füllstoffe während des Pressvorgangs bevorzugt in der Oberfläche anreichern und dort die Kapillarmündungen verstopfen.

Zur systematischen Untersuchung dieser Beobachtungen wurden drei typische Hintermauerziegeltone mit fünf verschiedenen Papierfangstoffen porosiert. Die Zugabenmengen betrugen 10 %, 20 % und 30 %, wobei sich hierbei bereits - abhängig vom Fangstoff und des Grundmaterials - erste Mengengrenzen bei der Formgebung aufzeigten. Der Einfluss der Porosierungsmittelmenge auf die Scherbenrohdichte und die mit der größeren Porenmenge verbundene Veränderung des Wassersaugvermögens der Ziegeloberfläche wurde untersucht. Zur Bestimmung der Putzhaftung wurden Abreißversuche vorgenommen.

Durch eine Vielzahl von systematischen Untersuchung konnte zwar ein Einfluss der Porosierung auf das Wassersaugvermögen festgestellt werden, und zwar dahingehend, dass mit zunehmender Porosierung ein größeres Porenangebot geschaffen wird, so dass das Saugvermögen zunimmt. Ein negativer Einfluss auch großer Fangstoffmengen auf die Putzhaftung konnte weder durch die Versuche zum Wassersaugvermögen noch durch die Putzabreißversuche festgestellt werden.

Die im Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse werden und wurden im Rahmen von Vorträgen, Veröffentlichungen und Seminaren sowie direkter Beratung an die Industrie vermittelt.

Auswirkung von Sparrenvolldämmung und reduziertem oberen Belüftungsraum bei wärmegedämmten geneigten Dächern auf die physikalische Beanspruchung des Dachziegels
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13721 N

Die Standardkonstruktionen des geneigten Daches über bewohnten Räumen ist die belüftete Dachkonstruktion, ein solches Dach wurde früher auch als "Kaltdach" bezeichnet. Die Belüftung erfolgt zwischen Dachhaut und Dämmung in zwei Hohlräumen. Der obere Belüftungsraum dient der Belüftung der Dacheindeckung. Er liegt zwischen Dachhaut und Unterspannbahn (bzw. Vordeckung oder Unterdach). Der untere Hohlraum dient der Belüftung der Unterspannbahn bzw. des Unterdaches. Er liegt zwischen Unterspannbahn (bzw. Vordeckung oder Unterdach) und Oberkante Wärmedämmung.

Obwohl sich diese belüfteten Dachkonstruktionen in der Vergangenheit als geeignete und sichere Konstruktionen bewährt haben, wird die Zweckmäßigkeit der Belüftung zur Zeit konträr diskutiert. Insbesondere im Hinblick auf eine Verbesserung des Wärmeschutzes wird die Forderung erhoben, den Belüftungshohlraum mit Dämmstoff zu füllen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der oberen Belüftungsebene eines wärmegedämmten Daches beliebiger Neigung auf die Frostbeständigkeit der Dachhaut, bestehend aus hierzulande üblichen Dachziegeln unterschiedlicher Form und Materialeigenschaften, sowie den Feuchtehaushalt der gesamten Dachkonstruktion zu bestimmen. Im Unterschied zum Vorläufervorhaben wurden die Dachziegel zum einen direkt auf dem Versuchsdach befrostet, zum anderen wurde eine direkte Aufwärmung durch Sonneneinstrahlung simuliert. Nur so konnte eine realistische Frost-Tau-Wechselbeanspruchung realisiert und eindeutige Aussagen zur Frostbeständigkeit in Abhängigkeit von der Ausführung der Dachkonstruktion getroffen werden, was bisher nicht bzw. im Rahmen des Vorläufervorhabens nur ungenügend gelang.

Dabei sollte der Einfluss der behinderten Feuchteabgabe an der Dachziegelunterseite auf den Feuchtehaushalt der Dachziegel sowie der Dachkonstruktion durch Messungen ermittelt werden, um einen Überblick darüber zu gewinnen, wie sich die Gestaltung des oberen Belüftungsraumes (vollgedämmt / belüftet) auf das Austrocknungsverhalten und somit die Frostbeständigkeit der Dachziegel sowie mögliche Feuchteschäden an der Unterkonstruktion (Wärmedämmung, Lattung, Sparren) auswirkt. Zu diesem Zweck wurde der bauphysikalischen Dachprüfstand um eine Temperierhaube erweitert, die es ermöglichte, das Dach mit realistischen Temperaturprofilen zu beaufschlagen. Unterhalb des Daches wurde zum einen ein (zwangs-) belüfteter Querschnitt, zum anderen eine unbelüftete Konstruktion ausgeführt.

Unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Dachziegel (naturrot / engobiert / glasiert) stellten sich Frostschäden im hinterlüfteten Querschnitt wesentlich später oder gar nicht ein. Allerdings wurde festgestellt, dass sich naturrote Ziegel im Vergleich zu engobierten bzw. glasierten Ziegeln hinsichtlich des Austrocknungsverhaltens bei hohem Wasserdampfgehalt der Luft konträr verhielten: Während naturrote Ziegel im belüfteten Bereich schneller austrockneten, nahm der Feuchtegehalt der engobierten bzw. glasierten Ziegel in diesem Bereich zu, da durch die Hinterlüftung Feuchtigkeit über die Unterseite der Ziegel eingetragen und nicht ausreichend über die Oberfläche abgeführt werden konnte. Dieser vergleichsweise geringe Feuchteeintrag hatte jedoch keinen Einfluss auf die Frostwiderstandsfähigkeit. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass der Feuchtegehalt der Dachlatten und Sparren im unbelüfteten Querschnitt nur geringfügig über dem der belüfteten Konstruktion lag, der Feuchtegehalt der Wärmedämmung jedoch deutlich zunahm.

Die hinterlüftete Konstruktion ist somit im Sinne einer geringeren Schadensanfälligkeit gegen Frostschäden grundsätzlich positiv zu bewerten.

Optimierung der Pressformgebung durch Zugabe von Additiven
FV-Nr. / IGF-Nr.: 13927 N

Ziegelrohstoffe weisen häufig eine zu geringe Bildsamkeit auf, sodass z. B. hochwertigere, teurere Fremdtone zur Verbesserung der plastischen Eigenschaften eingesetzt werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die rohstoffseitigen Voraussetzungen für die Pressformgebung von Dachziegeln durch die Zugabe von Additiven zu optimieren und zu erarbeiten inwieweit hierdurch die wichtigsten Produkteigenschaften beeinflusst werden.

Durch den Einsatz von Additiven konnte der Anmachwassergehalt zur Erzielung gleicher Bildsamkeiten um bis zu 15 % abgesenkt und die Neigung zur Texturbildung ebenfalls günstig beeinflusst werden. Die Bildsamkeit - auch Plastizität genannt - wird durch das Fließverhalten und die Bindigkeit charakterisiert. Hier zeigt sich, dass durch die Zugabe von Additiven der das Fließverhalten beschreibende Presskopfdruck um bis zu 40 % herabgesetzt und die aus der Bindigkeit resultierende Trocken-Biegezugfestigkeit um bis zu 40 % erhöht werden kann. Außer der Energieeinsparung bei der Formgebung durch die Absenkung des Presskopfdrucks oder bei der Trocknung durch die Verminderung des Anmachwassergehalts, kann durch die Verwendung von Additiven auch ein geringerer Verschleiß bei den Aufbereitungs- und Formgebungsmaschinen erwartet werden.

Die Trockenschwindungen wurden durch den Einsatz zweier Additive um bis zu 20 % gesenkt, bei den Brennschwindungen traten nur unbedeutende Veränderungen auf. Die in der Mitte und im Randbereich der Dachziegel in Strangrichtung ermittelten Schwindungswerte ergaben eine signifikante Abnahme von außen nach innen, wobei dieses "Schwindungsprofil" quer zur Strangrichtung insgesamt noch um weitere 20 % niedriger lag.

Durch die Additivzugabe wurden die Werte für die Wasseraufnahme in allen Fällen herabgesetzt und die Daten für die Scherbenrohdichten entsprechend erhöht. Nach dem Brand war bei allen bezuschlagten Rohstoffmischungen eine Erhöhung der Biegezugfestigkeiten festzustellen, die im Maximalfall bis zu 20 % beträgt. Was die für Dachziegelprodukte bedeutsame Frostwiderstandsfähigkeit anbetrifft, so haben die nach dem Frost-Tau-Wechsel-Verfahren geprüften Pressdachziegel aller Rohstoffmischungen 670 F-T-W schadensfrei überstanden und damit erheblich über dem nach DIN mit 150 F-T-W geforderten Wert gelegen. Bezüglich der Voraussagefähigkeit des vorab ermittelten Tränkungswertes, konnte eine gute Übereinstimmung mit den tatsächlich nach der Frostprüfung angetroffenen Verhältnissen festgestellt werden.

Die durch die Additive - beim Anmachwasser, dem Presskopfdruck, dem Pressabfall, den Festigkeiten, den Schwindungen sowie dem Verhalten gegenüber Frostbeanspruchung - bewirkten Veränderungen stehen in guter Korrelation zueinander.

Schnellbrand von Vollziegeln
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14120 N

Der Schnellbrand ist bei der Ziegelproduktion ein Brennprozess, der in seinem zeitlichen Ablauf von den zulässigen Spannungen, von den Grenzen des Wärme- und Stofftransportes innerhalb von Rohlingen und vom Zeitbedarf kinetischer Reaktionsabläufe (z. B. Ausbrand bituminöser Bestandteile, Mineralumwandlungen, Sinterprozesse) bestimmt ist.

Neben der Rohlingsdicke ist für die Gestaltung der Produktbrennkurve der vollständige Ausbrand bituminöser Bestandteile geschwindigkeitsbestimmend. Je nach Rohstoffart und Format ist hierfür ein Zeitbedarf notwendig, der zwischen 25 und 70 % der Gesamtbrennzeit liegt. Das Ausbrennverhalten wird beeinflusst durch:
- den Anteil an organischem Kohlenstoff
- die CO- bzw. CO2-Entwicklung aus der Verbrennung des Kohlenstoffes und der Zersetzung carbonathaltiger Minerale
- die Porosität des Scherbens und die Entwicklung des Porensystems in Abhängigkeit von der Korngröße, dem Mineralbestand und der Brenntemperaturhöhe
- die Diffusion als Funktion der Porosität, des Porensystems und der Temperatur.

Die oben aufgeführten Reaktionsabläufe im Rohstoff sind ausschließlich geschwindigkeitsbestimmend, da sie innerhalb des Rohlings neben den wärmetechnisch bedingten parabelförmigen Temperaturkurven im Inneren zu weiteren Temperaturunterschieden führen. Diese wiederum prägen dem Rohling zusätzliche Spannungen auf. Lediglich wärmetechnische Verbesserungen, wie z.B. Erhöhung der Wärmeübertragung, spielen eher eine untergeordnete Rolle. Spannungen werden dem Produkt meist "von innen" durch ablaufende Reaktionen aufgeprägt. Bei Kenntnis der entscheidenden Temperaturbereiche und entsprechender Anpassung der Brennkurve und Anpassung des Besatzes an wärme- und keramtechnische Anforderungen sollten trotzdem Zeitersparnisse von 20 bis 25 % möglich sein, ohne die Produkteigenschaften erreicht nachteilig zu verändern.

Rationalisierung der Bauweise von Vormauerschalen unter Berücksichtigung neuer Verankerungsmethoden und Fertigungstechniken
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14118 N

In den Benelux - Staaten wird bereits die Methode des Verklebens von Vormauerschalen im Dünnbett- bzw. Klebeverfahren angewandt. Vorteile wie eine Baukostenreduzierung durch kürzere Bauzeiten sowie verbesserte anwendungstechnische Voraussetzungen sind der Grund für diese Bauweise. Aufgrund dieser verbesserten anwendungstechnischen Vorteile werden die "verklebten" Vormauerschalen i.d.R. nur linienförmig in Höhe der Geschossdecken verankert; auf eine flächige Verankerung wird verzichtet.

Innerhalb dieses Forschungsvorhabens sollten Möglichkeiten aufgezeigt werden, die Bauweise von Verblendfassaden durch neue Fertigungstechniken und Verankerungsarten zu rationalisieren und auch in Deutschland zur Anwendung zu bringen.

Nach der DIN 1053 - 1 dürfen Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge nicht in Rechnung gestellt und Biegezugspannungen parallel zur Lagerfuge nur bis zu einem Höchstwert von 0,3 N/mm² berücksichtigt werden. Um eine linienhafte Verankerung der Vormauerschale zu ermöglichen, ist es deshalb sinnvoll, durch neue Fertigungstechniken - wie z.B. dem Verkleben der Vormauerschale - nachzuweisen, dass höhere Biegezugspannungen als die bisher zulässigen existieren.

In welchem Umfang die Biegezugspannungen bei der Verwendung des Dünnbettmörtels und des Klebemörtels (Mittelbettmörtels) gesteigert werden können, wurde an kleinen Wandprüfkörpern gemäß DIN 1052 - 2 ermittelt. Hierbei wurden beide Belastungsrichtungen, parallel und senkrecht zu den Lagerfugen, untersucht.

Neben den Untersuchungen an kleinen Wandprüfkörpern wurden Verbunduntersuchungen an Zweisteinkörpern durchgeführt. Dies beinhaltete neben Haftscherfestigkeitsprüfungen nach DIN 18555 - 5 auch Biegezugfestigkeitsuntersuchungen mittels des Bond - Wrench - Tests gemäß DIN 1052 - 5.

Die Untersuchungen bezogen sich auf einen herkömmlichen Dünnbettmörtel, wie dieser auch im Hintermauerbereich verwendet wird und einen speziell für dieses Vorhaben entwickelten Klebemörtel bzw. Mittelbettmörtel. Um die vorteilhaften Eigenschaften des verklebten Mauerwerks darzustellen, wurden als Referenzmörtel speziell auf das Saugvermögen der Ziegel abgestimmte Werktrockenmörtel verwendet.

In dem Bild 1 sind exemplarisch die Versuchsergebnisse eines Vormauerziegels in Kombination mit verschiedenen Mörteln dargestellt.

Bild 1: Darstellung der Versuchsergebnisse Ziegel W2

Dem Bild 1 ist zu entnehmen, dass sowohl bei den Untersuchungen an den Zweisteinkörpern, als auch bei den Biegezugfestigkeitsuntersuchungen an kleinen Wandprüfkörpern mit dem Mittelbettmörtel (MM) und dem Dünnbettmörtel (DM) höhere Festigkeiten erzielt werden, als mit dem auf das Wassersaugvermögen des Ziegels abgestimmten Werktrockenmörtel (WTM1).

Ankerauszugsversuche und Schlagregenuntersuchungen sollten Aufschluss darüber geben, inwiefern sich sowohl statische als auch bauphysikalische Vorteile hinsichtlich eines Verklebens der Vormauerschale ergeben.

In den durchgeführten Untersuchungen konnte durch das Verkleben der Vormauerschale eine Erhöhung der Biegetragfähigkeit nachgewiesen werden.

Somit erscheint es möglich, durch diese Fertigungstechnik sowohl eine Biegezugspannung senkrecht zur Lagerfuge in Rechnung zu stellen, als auch den bisherigen Höchstwert der aufnehmbaren Biegezugspannung parallel zur Lagerfuge von 0,3 N/mm² zu erhöhen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht.

Das vorliegende Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Nutzung der Tragfähigkeitsreserven von Ziegelverblendmauerwerk
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14251 N

Ziel dieses Vorhabens war es, eine mathematisch abgesicherte Beziehung zwischen den Ergebnissen einfach durchzuführender Verbunduntersuchungen einerseits und den aufwendigen, aber für den Nachweis der Standsicherheit einer linienhaft verankerten Vormauerschale bisher notwendigen Biegezugprüfungen an Mauerwerkswänden andererseits herzuleiten.

Zur Bestimmung einer Korrelation zwischen einfach durchzuführenden Verbunduntersuchungen und den aufwendigen Biegezuguntersuchungen an Mauerwerkwänden wurden systematische Reihenuntersuchungen unter Variation zahlreicher ergebnisbestimmender Parameter durchgeführt. Dies beinhaltete Haftscherfestigkeits- und Biegehaftzugfestigkeitsuntersuchungen von Zweisteinkörpern sowie Torsionshaftscherfestigkeitsprüfungen und Biegezugfestigkeitsuntersuchungen an Mauerwerkspfeilern.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden elf Vormauerziegel bzw. Klinker untersucht. Um die Bandbreite der auf dem deutschen Markt vertretenen Vormauerziegel abzudecken, wurden sowohl unterschiedliche Formate (DF/NF/2DF) als auch Vollklinker/Vormauer - Vollziegel und Hochlochklinker/Vormauer - Hochlochziegel mit unterschiedlichem Wassersaugvermögen und variierender Wasseraufnahme ausgewählt. Die Mörteluntersuchungen bezogen sich auf drei verschiedene Werktrockenmörtel, die speziell auf das Wassersaugvermögen der Ziegel abgestimmt waren sowie einen herkömmlichen Mauermörtel - ohne Abstimmung auf das Wassersaugvermögen der Ziegel - als Referenzmörtel.

Im Forschungsvorhaben konnte nachgewiesen werden, dass es möglich ist, die Biegezugfestigkeit der Mauerwerkswand bei einer Beanspruchung sowohl parallel als auch senkrecht zur Lagerfuge durch ein Ersatzprüfverfahren abzuschätzen. Bei den geeigneten Ersatzprüfverfahren handelt es sich im Einzelnen um die Haftscherfestigkeitsprüfung, die Torsionshaftscherfestigkeitsprüfung sowie die Biegezugfestigkeitsuntersuchung an Mauerwerkspfeilern.

Die DIN 1053 - 1 lässt den Ansatz einer Biegezugspannung parallel zu den Lagerfugen nur bis zu einer Höhe von 0,3 N/mm² zu. Biegezugspannungen senkrecht zur Lagerfuge dürfen hingegen nicht in Ansatz gebracht werden. Im Hinblick auf eine linienhafte Verankerung ist es jedoch erforderlich, höhere Biegezugspannungen als die bisher nach DIN 1053 -1 zulässigen in Rechnung zu stellen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Biegezugspannungen an kleinen Wandprüfkörpern nach DIN 1052 - 2 bestimmt. Tragfähigkeitsreserven konnten nachgewiesen werden. In den Bildern 1 und 2 ist der Aufbau der Wandprüfkörper zur Bestimmung der Biegezugfestigkeit parallel und senkrecht zu den Lagerfugen dargestellt.

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Bild 1: Wandprüfkörper zur Bestimmung der Biegezugfestigkeit senkrecht zu den Lagerfugen, Ziegelformat NF

  (Ein Mausklick öffnet das vergrößerte Bild in einem eigenen Fenster)
Bild 2: Wandprüfkörper zur Bestimmung der Biegezugfestigkeit parallel zu den Lagerfugen, Ziegelformat NF

Somit erscheint es möglich, sowohl eine Biegezugspannung senkrecht zur Lagerfuge in Rechnung zu stellen, als auch den bisherigen Höchstwert der aufnehmbaren Biegezugspannung parallel zur Lagerfuge von bisher maximal 0,3 N/mm² zu erhöhen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht. Das vorliegende Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Einfluss der Brennführung auf die Produktqualität unter Schnellbrandbedingungen
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14480 N

Das Brennen von Ziegeln erfolgt überwiegend in Tunnelöfen, die in der Regel mit Luftüberschuss gefahren werden. Ein Problem besteht darin, dass für gleiche Produktarten Rohstoffe von sehr unterschiedlicher mineralischer Zusammensetzung verarbeitet werden, die in ihrem Brennverhalten voneinander abweichen und somit verschiedene Brennkurventypen erfordern.
Ziel dieses Vorhabens war es, für betriebliche Rohstoffe der Hochloch-, Vormauer- und Dachziegelindustrie herauszufinden, welches Mindestmaß an thermischer Behandlung im Aufheiz-, Garbrand- und Kühlbereich erforderlich ist, um die rohstoffseitigen, physikalischen und chemischen Reaktionen ablaufen lassen zu können.

Für den Besatzbrand zeigt der Vergleich der Betriebsbrennkurven mit den im Institut ermittelten optimalen Brennkurven, in welchem Maße noch Brennzeitverminderungen bei den jeweiligen Produktarten vorgenommen werden können. Bei Rohstoffen mit bituminösen Bestandteilen haben die mit 15 % eingebrachten Lochanteile die notwendigen Ausbrennzeiten nahezu halbiert.
Für die Hochlochziegel wurde die Wärmeleitfähigkeit mit organischen Porosierungsstoffen weiter abgesenkt, was mit einem Festigkeitsverlust verbunden war. Um gegensteuern zu können, kamen wegen der relativ niedrigen Brenntemperaturen von 950 °C nur Reaktionspartner wie Kalksteinmehl, Hydroxide und Tone in Betracht, wobei Absenkungen der Spitzentemperaturen von bis zu 50 K möglich wurden, ohne die Produkteigenschaften zu beeinträchtigen.
Für die Vormauer- und Dachziegelherstellung war zu untersuchen, inwieweit geeignete Zusätze das Brennverhalten und die Produktqualität beeinflussen. Da diese Ziegel bei relativ höheren Temperaturen um ca. 1050 °C gebrannt werden, empfahl sich hier der Einsatz von flussmittelhaltigen Reaktionspartnern und Glasmehlen. Es zeigte sich, dass hierdurch die Produktqualität verbessert oder bei bis zu 60 K abgesenkter Spitzentemperatur erhalten bleiben kann. Inwieweit eine Variation der Brenntemperaturen auf die dann resultierenden Produkteigenschaften Einfluss nimmt, konnte für alle drei Produktarten aufgezeigt werden.

Durch den Einsatz der jeweils geeigneten Zusatzstoffe und anschließender Optimierung der dazugehörigen Brennkurven konnten teils weitere Verminderungen in den Gesamtbrennzeiten gegenüber den bisher existierenden Besatzbrennkurven erzielt werden. Für die Leichthochlochziegel zeigte sich, dass beim Übergang vom Besatz- zum durchströmten Einlagen- bzw. Einzelbrand die danach erforderlichen Brennzeiten nur noch wenige Stunden betragen. Im Übrigen wird die Länge der erforderlichen Brennzeiten u.a. auch davon abhängen, inwieweit bestimmte Brennergebnisse, wie Rissbildungen oder Reduktionserscheinungen, vom Kunden und/oder Ziegler toleriert werden.
Die durch die Zusatzstoffe hervorgerufenen, makroskopisch festgestellten Veränderungen der Produkteigenschaften stehen in guter Korrelation zu dem im Scherben röntgenographisch nachgewiesenen Mineralbestand, was für Rohstoff-Optimierungen zukünftig sicherlich von Bedeutung sein wird.

Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit eines vertikalen Trennwand-Außenwandanschlusses ohne Mauerwerksverbund zur Reduzierung der Schall-Längsleitung bei Verwendung wärmedämmender Hochlochziegel-Außenwände
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14548 N

Ziel dieses Vorhabens war es, die Stoßstellendämmung im Knotenpunkt Außenwand - Wohnungstrennwand im Vergleich zur bisher üblichen Stumpfstoßtechnik zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden insgesamt drei Detaillösungen erarbeitet, die durch eine akustische Entkopplung der Außenwand von der Wohnungstrennwand eine Erhöhung des Stoßstellendämm-Maßes Kij versprachen.

Bei der ersten Detaillösung (Durchbindung der Innenwand) lagen die gemessenen Stoßstellendämm-Maße auf dem Weg Fd (Außenwand - Trennwand) deutlich über dem für massive Bauteile zu erwartenden Rechenwert (Messwert: Kij = 11,1 dB, Rechenwert: Kij = 6,2 dB). Für den Weg Ff ergab sich in etwa der rechnerisch ermittelte Wert. Untersuchungen zur Biegetragfähigkeit der Außenschale unter horizontaler Belastung zeigten, dass die gemessenen Werte mit einer Sicherheit > 10 deutlich über den zu erwartenden maximalen Windlasten liegen, wie sie die DIN EN 1055-4 angibt. Die dabei zu beobachtenden Verformungen lagen im gebrauchsüblichen Bereich.

Eine weitere Erhöhung der Stoßstellendämmung konnte durch die zweite Detaillösung (Trennung der Außenwand im Knotenbereich, Entkopplung der Trennwand) erreicht werden. Bei einem Stoßstellendämm-Maß von Kij = 17,1 dB auf dem Weg Fd ergab sich der fast 3fache Rechenwert; auf dem Weg Ff wurde der Rechenwert ebenfalls überschritten. Untersuchungen zur Biegetragfähigkeit führten zu ähnlichen Ergebnissen wir bei der ersten Detaillösung.

Eine weitere Optimierung des zweiten Versuchsaufbaus (Einbau einer Gummischrotmatte, veränderter Ziegelquerschnitt) führten bei der dritten Detaillösung zu einer Erhöhung des Stoßstellendämm-Maßes (Wege Fd und Ff) auf 17,9 dB sowie Erhöhung der Biegetragfähigkeit.

Die Stoßstellendämmung am Knotenpunkt Außenwand - Trennwand konnte demnach durch die akustische Entkopplung bzw. die elastische Trennung der verschiedenen Bauteile deutlich verbessert werden. Eine bauübliche Auflast hat keinen Einfluss auf die Stoßstellendämmung.

Alle untersuchten Anschlussvarianten zeigen gegenüber dem Rechenwert für massive Bauteile eine höhere Stoßstellendämmung sowie ausreichende Biegetragfähigkeiten der Außenschale.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht. Das vorliegende Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Einfluss von Druckimpulsen auf die gleichmäßige Aufheizung des Produktes im Tunnelofen und auf den Energieverbrauch
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14549 N

In Tunnelöfen der Ziegelindustrie geschieht die Besatzanordnung üblicherweise in dichten Besatzstapeln, die zum einen eine möglichst intensive Nutzung des Brennkanalquerschnitts des Ofens gewährleisten und einen möglichst minimalen Aufwand bei der Umladung und Stapelung in der Verpackung sicherstellen. In der Praxis kann man dann feststellen, dass es innerhalb des Stapels, insbesondere bei Rohstoffen mit hohen brennbaren Anteilen, sei es durch eigene Organik oder durch organische Porosierungsstoffe, zu einer reduzierenden Atmosphäre kommt, obwohl im Brennkanal ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Um dieses Problem zu beheben ist es unumgänglich für hohe Turbulenzen innerhalb des Ofens zu sorgen.

Ziel dieses hier vorliegenden Forschungsvorhabens war es daher, den Einfluss einer gepulsten Brennerflamme auf die gleichmäßige Aufheizung von Paketbesätzen in Tunnelöfen zu untersuchen. Die Ergebnisse sollten mit der üblichen gleichdruckgeregelten Brennersteuerung verglichen werden.

Um zu Ergründen, ob durch diese pulsierenden Flammen der Hochgeschwindigkeitsbrenner eine entsprechende Vergleichmäßigung der Ofenatmosphäre und der Temperaturen erreicht werden kann und ob durch die Mikroimpulse ein entsprechenden Druckaufbaus zum Erreichen der inneren Besatzpositionen bzw. -flächen erreicht wird, wurde ein im IZF vorhandener Ofen entsprechend umgerüstet und es wurden Versuche mit entsprechend gesteuerten, mikrogepulsten Hochgeschwindigkeitsbrennern durchgeführt.

Die Wirkungsweise der Druckimpulse in den Paketstapel als Nachweis für eine Vergleichmäßigung der Ofenatmosphäre bis in den Besatzstapel konnte positiv dargestellt werden. Weiterhin konnte bereits während der Projektlaufzeit ein Ziegelwerk gefunden werden, dessen Betreiber die im Forschungsvorhaben verwendeten Brenner an einem realen Tunnelofen im Betrieb einbauen ließ, so dass hier begleitenden Messungen zur Untersuchung der Wirkungsweise der Druckimpulse an einem betrieblichen Tunnelofen durchgeführt werden konnten. In dem betroffenen Ziegelwerk werden porosierte Hintermauerziegel verschiedener Formate hergestellt.

Durch die Neubestückung des Tunnelofens mit den impulsgetakteten Brennern konnte die Qualität der Ware verbessert und die Ausschussquote gesenkt werden. Gleichzeitig konnte der Energieverbrauch gesenkt werden kann. In Öfen, in denen hohe Mengen an organischen Porosierungsmittel eingesetzt werden, kann zudem, durch das mögliche Angebot an Luftsauerstoff, der Ausbrand der Kohlenwasserstoffe im Ofen verbessert werden.

Die impulsgetakteten Brenner brachten im Betrieb den gewünschten Erfolg hinsichtlich der Verbesserung und Vergleichmäßigung der Produktqualität und Verminderung des Energieverbrauchs. Das positive Ergebnis im Ziegelwerk ist jedoch nicht einzig den Brennern, sondern einem Zusammenspiel verschiedener Optimierungsarbeiten zuzuordnen.

Das vorliegende Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Ursachen und Vermeidung brennbarer Anbackungen im Abgassystem von Tunnelöfen
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14838 N

Beim finalen Brennprozess der Ziegelrohlinge im Tunnelofen werden die auf Tunnelofenwagen einfahrenden Rohlinge im Gegenstrom durch heißes Abgas aufgeheizt, das dabei selbst gekühlt wird. Bei Rohlingstemperaturen zwischen 150 °C und 450 °C erfolgt eine quasi pyrolytische Behandlung der organischen Porosierungsmittel unter Bildung von Schwelgasen. Hierbei handelt es sich um organische Kohlenstoffverbindungen, die durch die Pyrolyse aus den Porosierungsmitteln oder auch aus den natürlichen organischen Bestandteilen des Ziegelrohstoffs austreten. Je nach Temperaturdifferenz zwischen heißem Abgas und den Rohlingen wird ein Teil des Schwelgases im Ofen verbrannt, der Rest gelangt unverbrannt in kältere Bereiche des Ofens und ins Abgassystem, in dem je nach Temperatur die Gefahr der Kondensation und damit von brennbaren Anbackungen an den Rohrwänden, dem Ventilator oder anderen Einbauten besteht. Das aus dem Ofen abgesaugte Rauchgas wird ansonsten in der nachgeschalteten regenerativen Rauchgasnachverbrennung gereinigt.

Im Rahmen dieses über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guerike" e.V. (AiF), Köln mit Haushaltsmitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin finanzierten Forschungsvorhabens wurde das Abschwelverhalten energiehaltiger Rohstoffmassen untersucht. Ziel des Vorhabens war es, in Abhängigkeit von der Art des Porosierungsmittels, das Kondensationsverhalten der Rauchgase von porosierten Betriebsmassen zu untersuchen, um Möglichkeiten aufzeigen zu können, brennbare Anbackungen weitestgehend zu vermeiden.

Dabei sollten die Bedingungen erarbeitet werden, die es erlauben, einen möglichst großen Anteil der aus den Rohlingen ausgetragenen Organik ohne Kondensation im Rauchgassystem in die Nachverbrennung zu überführen. Hierzu wurden umfangreiche Untersuchungen zum Ausschwelverhalten mit verschiedenen Rohstoffen und organischen Porosierungsmitteln und deren Mischungen durchgeführt. Weiterhin wurden die Schwelgase mit Hilfe der sogenannten simulierten Destillation, einem aus der Mineralölanalyse bekannten Verfahren, analysiert.

Beispielhaft werden im Bild die Ergebnisse von Versuchen an einem mit unterschiedlichen Porosierungsmitteln gemischten Rohstoff gezeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass bei einer Porosierung mit Hartholz die Kohlenwasserstoffverbindungen entstehen, die die höchsten Kondensationstemperaturen aufweisen.

Aus den Ergebnissen kann man allgemein feststellen, dass die Zusammensetzung der Schwelgase und damit ihr Kondensationspotential in den Rohrleitungen zunächst vom verwendeten Basisrohstoff und der Aufheizgeschwindigkeit abhängt. Von entscheidender Bedeutung für die Beherrschbarkeit der Anbackungen im Abgassystem ist jedoch die Art des Porosierungsmittels, aufgrund der austretenden Schwelgase und der daraus resultierenden Kohlenstoffwasserstoffverbindungen mit ihren verschiedenen Kondensationstemperaturen. Aufgrund der Höhe der Kondensationstemperaturen der verschiedenen auftretenden Kohlenwasserstoffverbindungen sind die Anbackungen nie ganz zu vermeiden, hohe Rauchgastemperaturen können sie nur vermindern.

Wärmewirtschaft in Ziegeleien unter besonderer Berücksichtigung von Asynchronitäten im Trockner- und im Ofenbetrieb
FV-Nr. / IGF-Nr.: 15030 N

Seit einigen Monaten kommt es nicht nur im Institut für Ziegelforschung, sondern bei in der Forschung engagierten Zieglern und in Kreisen der in der Ziegelindustrie aktiven Anlagenbauer zu einem grundlegenden Umbruch in der Betrachtung des aus Ofen und Trockner bestehenden Energieverbundes. Man hat erkannt, von welchen Parametern der Energiebedarf von Trocknern abhängt. Man weiß inzwischen auch, dass es unter neuzeitlichen Ansprüchen möglich ist, Niedrigenergietrockner zu betreiben, die auf dem Feuchteaufnahmevermögen von Umgebungsluft basieren, aber mit moderner Regelungs-, Belüftungs- und Automatisierungstechnik ausgerüstet sind. Diese haben als modifizierte "Freilufttrockner" einen gegenüber derzeit üblichen Trocknern deutlich verminderten Energiebedarf.

Ferner verfügt man durch neueste Entwicklungen seit kurzer Zeit über Tunnelöfen, in denen die Kühlluft weitestgehend ofenintern genutzt wird. Voraussetzung hierfür sind Hochtemperaturumwälzanlagen, die auch bei hohen Temperaturen für über die Höhe und die Breite ausgeglichene Temperaturen und Wärmeübergänge sorgen. Hierdurch lässt sich die zur Temperaturvergleichmäßigung bislang für unverzichtbar gehaltener Brennerbestückung der Aufheizzone vermeiden. Der Ofen kann dann über seine gesamte Länge mit einem grundsätzlich gleich bleibenden Luft-Ziegel-Verhältnis betrieben, ohne dass große Kühlluftmengen aus dem Ofen auszuschleusen sind. Die auch weiterhin abzusaugende Kühlluftmenge gleicht dem Massenstrom der durch Brenner in den Ofen eingebrachten Verbrennungsgase und enthält dadurch nur noch 20-40% der bislang üblichen Verbundenergie. Diese reicht, um die nach modifizierter Freilufttrocknung im Rohling verbleibende Restwassermenge zu entfernen.

Restwassergehalte nach 4-tägiger Freilufttrocknung von 30 mm dicken Rohlingsplatten aus Dachziegelton in Abhängigkeit von Lufttemperatur und -feuchte bei einer Anfangswasserbeladung von 25 Ma.% atro

Die Kombination aus Niedrigenergietrocknern und Tunnelöfen, die die Kühlwärme selbst nutzen, also Verbundenergie nur noch in vergleichsweise geringem Umfang abgeben, hat somit eine neue Lage für die Wärmewirtschaft in der Ziegelindustrie geschaffen.

Die wärmewirtschaftlich wichtigen Instrumente, zu denen die dem Schlussbericht beigefügten Rechenprogramme zur Simulation von Trocknungs- und Brennvorgängen gehören, sollen die Unternehmer sowie das technische Personal der Ziegelindustrie und ihrer Anlagenbauer in die Lage versetzen, die Vorteile der ausführlich vorgestellten neuen Konzepte selber auszuprobieren und die Funktionsweise von zunächst nur gedanklich umgerüsteten Öfen und Trocknern zu simulieren.

Die zu diesem Zweck durchgeführten mathematischen Modellierungen und Berechnungen der modifizierten Öfen und Niedrigenergietrockner zeigen deren besondere wärmewirtschaftlichen Vorteile. Aufgrund der hohen erforderlichen Investitionskosten werden ferner auch Möglichkeiten genannt, zunächst nur Teilschritte des Gesamtkonzeptes zu gehen und auch dann schon von niedrigeren Energieverbräuchen zu profitieren.

Es handelt sich um ein Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. FGZ. Es wurde unter der Nummer AiF 15030 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. AiF gefördert und vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. IZF unter der Projektleitung von Dr. Anne Tretau.

Ursachen und Vermeidung von Schäden aufgrund diffusionsabhängger Reaktionsabläufe in der Aufheizzone von Tunnelöfen unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur von Ziegelrohlingen
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14837 N

Ziegelrohlinge mit mehr oder weniger hohen Restwassergehalten gelangen nach der Trocknung in die Aufheizzone des Tunnelofens. In dieser kommt es nacheinander zur Restwasserverdampfung, Abspaltung und Ausgasung von flüchtigen organischen Stoffen, Schwelvorgängen (besonders bei porosierten Hochlochziegeln), Freisetzung und Ausgasung von Kristallwasser, Kalkentsäuerung und anderen chemischen Prozessen. Diese Reaktionen sind durchgängig von den im Rohling zum jeweiligen Zeitraum existierenden Porenräumen und den hierin herrschenden Diffusionswiderständen abhängig. In diesem Bereich der Aufheizzone besteht eine erhebliche Gefährdung der zu brennenden Ziegelrohlinge durch Risse und Oberflächenabplatzer. So wird beispielsweise - auch in der akademischen Lehre - angenommen, dass die geringe Porosität und der sehr hohe Diffusionswiderstand der Rohlinge dafür verantwortlich seien, dass nicht hinreichend trockene Ziegelrohlinge durch Dampfspannungen zerrissen werden.

Während des Brennprozesses entstehen oberflächennah im Rohling hohe Temperaturgradienten. Die durch die thermische Ausdehnung verursachten mechanischen Spannungen treffen auf einen spröden Rohling, dessen Feststoffpartikel im Gegensatz zu gebrannten Scherben nicht versintert sind und der daher eine vergleichsweise schwache Bindung aufweist. Die Wahrscheinlichkeit, dass Gefügeschäden und Abplatzer durch thermische Spannungen hervorgerufen werden, ist also sehr groß.

Es war das Ziel des Forschungsprojektes, den Einfluss des Diffusionswiderstandes auf die sich in der Aufheizzone von Tunnelöfen der Ziegelindustrie bis etwa 600°C in den Rohlingen abspielenden Reaktionsabläufe zu untersuchen. Hierbei sollte der Frage nachgegangen werden, inwieweit sich die Diffusionseigenschaften für die in diesem Bereich häufig auftretenden Schäden, meistens Risse und Abplatzer, als Ursache erweisen oder die Schadensursache in durch hohe Temperaturgradienten verursachten mechanischen Spannungen zu finden ist. Erst bei klarer Ursacheneingrenzung bieten sich Wege zur Vermeidung der Schäden an.

Die durchgeführten Untersuchungen haben zu der Erkenntnis geführt, dass Ziegelrohlinge nach der Trocknung stets über eine hohe Porosität von über 20 Vol.-% verfügen. Messungen zeigen, dass es sich beim überwiegenden Anteil der Poren nicht um Nanoporen, sondern um solche mit für molare Diffusion ausreichenden Durchmessern handelt, die eine Diffusion der Reaktionsgase mit nur geringem Strömungswiderstand zulässt. Danach kann der Wirkmechanismus - Zerstörung durch hohe Dampfspannungen aufgrund hoher Diffusionswiderstände - mit größter Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden.

Erst nach Vorlage eines in jüngster Zeit abgeschlossenen Forschungsvorhabens ist bekannt, dass die Höhe der Festigkeit der Rohlingsmasse maßgeblich vom Wassergehalt abhängig ist. Der Massezusammenhalt der noch feuchten Rohlinge ist schon bei geringen Restwassergehalten äußerst gering; deren Zugfestigkeit ist deutlich niedriger als die, der trockenen Rohlinge. Eigene Untersuchungen bestätigen diesen Zusammenhang und stellen zudem fest, dass auch die bei ansteigender Rohlingstemperatur ablaufenden Rohstoffreaktionen einen Festigkeitsverlust verursachen.

Unter der Voraussetzung, dass ausreichend trockene Ziegelrohlinge in den Aufheizprozess des Tunnelofens gelangen, sind selbst bei großen Temperaturdifferenzen keine Schäden festzustellen. Bei der Aufheizung von unzureichend getrockneten Rohlingen, deren Massezusammenhalt durch das in den Kapillaren des feuchten Rohlingskerns befindliche Wasser nur gering ist, treten demgegenüber schon bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Rohlingsoberfläche und dem Kern Schäden auf. Bei denjenigen Massen, die mit formgebungsbedingten Texturen behaftetet sind, tritt der Schadensfall eher ein, während die texturärmeren Massen den Aufheizprozess unter gleichen Aufheizbedingungen schadensfrei überstehen. Im Rohling, dessen Kern noch Restwasser enthält, sind sowohl die Poren als auch die texturbedingten Blattkapillare mit Wasser gefüllt. Im Verlauf der Aufheizung wird am Trockenspiegel des feuchten Kerns das Wasser verdampft. Der Trockenspiegel, der bei fortschreitender Trocknung in Richtung der Rohlingsmitte wandert, wird durch Feuchteleitung mit dem in den feinen Poren noch befindlichen Wasser gespeist. Da die wasserleitbaren Kapillaren von den Blattkapillaren getrennt sind, nimmt das hierin befindliche Wasser nicht oder nur unvollständig am Wassertransport teil. Der oberhalb der Wassernester in den Blattkapillaren entstehende Wasserdampf kann nicht ungehindert durch das - noch teilweise mit Wasser gefüllte - Porennetzwerk diffundieren, so dass sich der bei ansteigender Kerntemperatur bildende Dampfdruck als Zugspannung innerhalb der durch Oberflächenspannungen zusammengehaltenen Rohlingsmasse wirksam wird. Da bei der Bruchentlastung der bis dahin aufgebaute Überdruck schlagartig entlastet wird, setzt durch den zuvor über den atmosphärischen Luftdruck angestiegenen Sattdampfdruck eine schlagartige, explosionsartige Verdampfung ein, die den Rohling komplett zerstört.

Es steht außer Frage, dass eine auf niedrige Restwassergehalte ausgelegte Trocknung der Rohlinge wohl der zweckmäßigste Schritt ist, die Schadensursache zu minimieren. Eine Wideraufnahme von Feuchte vor Beginn des Brennprozesses - beispielsweise in Produktionsstillstandszeiten - ist ebenfalls zu vermeiden. Ansonsten wird bei der Aufheizung von feuchten, nur geringe Festigkeiten aufweisenden Rohlingen eine schonende Behandlung durch eine angepasste Brennführung erforderlich. Die Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der Trocknung beschäftigt das Institut für Ziegelforschung aktuell mit der Entwicklung von Verfahren zur Erhöhung der Formlings- und Rohlingsfestigkeit. Festigkeitserhöhende Maßnahmen werden sich aufgrund der dann höheren Belastbarkeit der Rohlinge in der Anfangsphase der Aufheizung auch auf den Brand von noch feuchten Rohlingen positiv auswirken.

Es handelt sich um ein Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ). Es wurde unter der Nummer AiF 14837 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. AiF gefördert und vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. IZF unter der Projektleitung von Dipl.-Ing. Michael Ruppik durchgeführt.

Maßnahmen zur Verminderung des Feuchteeinflusses auf Quell- und Schwindvorgänge sowie auf Festigkeitsverluste beim Einsatz industriell hergestellter Lehmziegel
FV-Nr. / IGF-Nr.: 15324 N

Aufgrund der politischen Zielsetzung, die Nutzung fossiler Brennstoffe auf ein Minimum zu beschränken, und des zusätzlich durch beständig steigende Brennstoffpreise auf die europäischen Ziegelindustrie ausgeübten wirtschaftlichen Druckes scheint die Produktion von Lehmziegeln eine sinnvolle Ergänzung der Ziegelproduktion zu sein. Immerhin ist es hierdurch möglich, den bei etwa 1000 °C ablaufenden Brennprozess zu vermeiden, der zum Ziegelbrand erforderlich ist. Stranggepresste Lehmziegel dürfen nicht bei bestimmungsmäßigem Gebrauch ihre Eigenschaften in nennenswertem Umfang verändern. Dieses betrifft besonders die geometrischen Abmessungen, deren Veränderungen bei wechselnden Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeiten engste Toleranzgrenzen einhalten müssen. Das gilt auch für die Druck- oder Zugfestigkeiten des Lehmziegels, die ohnehin durch geeignete Massemischungen und Zusatzstoffe möglichst groß sein und sich darüber hinaus auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen nicht vermindern sollen. Natürlich dürfen die für Lehmziegel typischen Sorptionseigenschaften nicht durch Zusatzstoffe unterdrückt werden.

Es wurden unterschiedliche Tone hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung stranggepresster Lehmsteine untersucht. Die extrudierten Probekörper wurden wechselnden klimatischen Bedingungen unterzogen. Dazu wurden die Proben zunächst bei 105°C getrocknet, anschließend bei 20 °C und 90 % relativer Luftfeuchte gelagert und wieder getrocknet und befeuchtet.

Drei der 12 untersuchten Tone besitzen im feuchten Zustand konstante Zugfestigkeiten. Alle anderen Proben haben bei wiederholter Feuchtlagerung scheinbar eine geringere Wasserbeladung sowie geringere Zugfestigkeiten. Chemische und mineralogische Analysen der Tone wurden durchgeführt, sowie die Korngrößenverteilung ermittelt. Tone mit sehr hohen Anteilen an quellfähigen Tonmineralen führen zu hohen Wasserbeladungen und abfallenden Zugfestigkeiten bei 20 °C und 90 % relativer Feuchte. Jedoch sind durch die Analysen nur grobe Aussagen zur Wasseraufnahme und Festigkeit möglich. Drei der 12 Tone wurden für weitere Untersuchungen ausgewählt, um Lehmsteine moderner Qualitätsanforderungen herzustellen.

Den Tonen wurden unterschiedliche Masseanteile traditioneller und moderner Zusatzmittel zugegeben. Dabei wurde berücksichtigt, dass vorrangig ökologisch unbedenkliche Stoffe eingesetzt werden, da derzeitige Anwender von Lehmziegeln ein ausgeprägtes ökologisches Bewusstsein haben. Außerdem wurde gezielt auf große Volumenanteile organischer Bestandteile verzichtet, um Quellvorgänge zu vermeiden. Es wurden beispielsweise Leinölfirnis (WLLF), Bitumenemulsion (WLBI), Zement (WL10Z) und Acronal (WLAC) eingesetzt. Der Wirkmechanismus der einzelnen Zusatzmittel wird erläutert.

Die modifizierten Lehme wurden extrudiert und wechselnden klimatischen Bedingungen unterzogen. Die meisten Zusatzmittel erhöhen die Trockenzugfestigkeit. Diese wird nach Trocknung bei 105 °C ermittelt, die dazugehörige Wasserbeladung wird als Null definiert. Die höchste Steigerung wird durch Zugabe von 2,5 % Arconal (fest) erreicht. 3 M.-% Branntkalk (WLBK) bzw. 10 M.-% Zement führen zu deutlich geringeren Zugfestigkeiten.

Jedoch fallen die Festigkeiten durch Sorption bei 20 °C und 90 % relativer Luftfeuchte nur unwesentlich ab. Durch beide Zusatzstoffe sinken die Rohdichte und der volumetrische Wassergehalt. Weniger stark ausgeprägt trifft dies auch auf die Lehmmodifikationen mit Leinölfirnis und Bitumenemulsion zu. Diese erhöhen die Zugfestigkeit gegenüber der Nullmasse leicht. Außerdem können durch die Zusatzmittel Eigenschaftveränderungen vermieden werden. Die Zugfestigkeit nach mehrfacher Feuchtlagerung bleibt unverändert. Dies trifft auch auf die Geometrie zu, so dass stranggepresste Lehmsteine mit modernen Qualitätsansprüchen hergestellt werden können.

Ferner wurden das Langzeitverhalten an drei Probewänden und die Wasserresistenz der Lehmsteine untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Lehmmodifikationen mit Zement, Arconal (fest), Leinölfirnis und Bitumenemulsion formstabil sind. Zement-modifizierte Lehmsteine durchnässen vollständig, bleiben jedoch rissfrei. Auffällig ist, dass die wasserbeständigsten Lehmsteine den geringsten Porenanteil kleiner 0,1 µm haben. Gleichzeitig wird durch diese Modifikationen die spezifische Oberfläche vermindert.

Es handelt sich um ein Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ). Es wurde unter der Nummer AiF 15324 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. AiF gefördert und vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. IZF unter der Projektleitung von Dr.-Ing. Anne Tretau durchgeführt.

Verbundtragverhalten von unbewehrten und bewehrten Wandbauteilen aus mit Normalbeton verfüllten Mauerziegeln
FV-Nr. / IGF-Nr.: 14623 N

Zur Zeit ist der vorrangige Einsatzbereich des Verfüllziegelmauerwerks die Herstellung von Wänden mit hoher Rohdichte und damit guten Schallschutzeigenschaften. Da hierbei weder die Druck- noch die Schubtragfähigkeit eine wesentliche Rolle spielen, ist diese Bauweise bisher vereinfachend entweder als Füllziegelmauerwerk oder als Schalungsziegel-Bauweise bauaufsichtlich zugelassen.

Die gegenüber diesen beiden Ansätzen vorhandenen erheblichen Vorteile eines Verbundsystems aus Beton und Ziegel, die sich vor allem aus einer wesentlich höheren Schubtragfähigkeit ergeben, dürfen bisher nicht genutzt werden, da die dafür erforderlichen Grundlagenuntersuchungen fehlen. Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, ein Modell für die Druck- und Schubbemessung von Wänden aus mit Normalbeton verfüllten Verfüllziegeln und Schalungsziegeln ohne und mit Bewehrung zu entwickeln. Dabei sollen die Beton- (unbewehrte Wände) bzw. Stahlbetonquerschnitte (bewehrte Wände) und die Verfüllziegelquerschnitte als Verbundquerschnitt betrachtet werden.

Die Untersuchungen zur zentrischen Druckfestigkeit und zum Schubtragverhalten haben gezeigt, dass das Trag- und Verformungsverhalten verfüllter Ziegelwände maßgeblich durch die Betoneigenschaften - und hier im wesentlichen durch die Betondruckfestigkeit - beeinflusst wird. Im Vergleich zum unverfüllten Mauerwerk konnte die Schubtragfähigkeit bei gleichzeitig geringeren Verformungen um ein Vielfaches erhöht werden.

Zur Ermittlung der effektiven Kennwerte der verfüllten Ziegel mussten umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen an verfüllten Einzelsteinen durchgeführt werden. Unter Ansatz der ermittelten verschmierten Stoffgesetze wurden die am IZF durchgeführten Schubversuche numerisch simuliert. Der Vergleich mit den Simulationsrechnungen zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung im linearen Bereich der Last-Verformungskurve.

Der Vergleich des nichtlinearen Verhaltens scheitert daran, dass derzeit in Deutschland kein Prüfstand existiert, der die hier auftretenden Schubkräfte schadensfrei aufnehmen kann. Die simulierten Maximallasten stellen somit nicht validierte Prognosen dar.

Es handelt sich um ein Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ). Es wurde unter der Nummer AiF 14623 N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. AiF gefördert und gemeinschaftlich vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF) und der RWTH Achen, ibac unter der Projektleitung von Dr.-Ing. Michael Roßbach und Dipl.-Ing. Ulf Schmidt durchgeführt.