Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Baustoffes, welcher unter anderem als Betonersatz verwendet werden kann, sowie ein Fertigbauteil, welches entsprechend diesem Verfahren hergestellt ist.

Für moderne Gesellschaften ist die Verwendung von Beton für den Bau von Gebäu den, Brücken, Fahrbahnen und anderen Bauwerken unverzichtbar. Aus diesem Grund werden sehr große Mengen von diesem Material hergestellt und eingesetzt. Allerdings führen die großen Mengen an Beton auch zu umfangreichen Kohlendioxi demissionen.

Beton wird durch Mischen von Sand, Kies, Wasser und Zement hergestellt, wobei teilweise noch Zusatzstoffe und Zusatzmittel verwendet werden. Die chemische Re aktion des Zementes mit Wasser führt zur Erhärtung der anfangs plastischen Masse. Die Herstellung von Zement, dem Bindemittel im Beton, ist verantwortlich für die meisten Kohlendioxidemissionen, wenn die einzelnen Komponenten für die Beton herstellung verglichen werden. Zement besteht aus einem oder mehreren Hauptbe standteilen. Der wichtigste Hauptbestandteil dabei ist Portlandzementklinker. Dieses Material wird in einem Hochtemperaturprozess aus Kalkstein, Ton, Mergel und ande ren Stoffen gebrannt. Portlandzementklinker hat eine durchschnittliche chemische Zusammensetzung von 55-65% CaO, 18-22%Si0 ₂ , 1-5% AI2O3, 1-5% Fe ₂ 03 sowie anderen Oxide in geringen Konzentrationen.

Die Produktion des Portlandzementklinkers führt zu Kohlendioxidemissionen (CO2), die unter anderem auf einer Entsäuerung des Kalksteins beziehungsweise des Mer gels beruhen. Bei der Herstellung einer Tonne Portlandzementklinker werden etwa 0,8 Tonnen Kohlendioxid freigesetzt, sofern der gesamte technologische Prozess betrachtet wird.

Derzeit betragen die weltweiten CC -Emissionen aus der Zementherstellung mehr als 2 Mrd. Tonnen pro Jahr. Um den Beitrag der Zementherstellung zum Klimawan del zu vermindern, werden dringend Alternativen gesucht, die entweder ohne Koh lendioxidemissionen auskommen oder sogar Kohlendioxid binden. Eine solche Bin dung von Kohlendioxid bei der Betonerhärtung oder während der Nutzungsphase des Betonbauteils kann langfristig zu einer Minderung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre beitragen.

Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die Kohlendioxidemissionen der Zementherstellung zu vermindern. In den vergangenen Jahren wurde mit Hilfe einer Substitution von Portlandzementklinker durch alternative Hauptbestandteile eine Senkung der CC -Mengen erreicht. Zu diesen alternativen Hauptbestandteilen zählen unter anderem ungebrannter Kalkstein, Steinkohlenflugasche, Hüttensand und andere Materialien mit geringeren spezifischen Kohlendioxidemissionen als Port landzementklinker. Allerdings ist das Potential zur Senkung der Gesamtemissionen begrenzt und gilt als weitgehend ausgeschöpft.

Eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Emissionen ist die Produktion von alterna tiven Klinkern, die erhöhte Konzentrationen an Belit, Calciumaluminatsulfat und an deren Klinkerphasen mit reduzierten Calciumanteil aufweisen. Mit Ausnahme von Belitzementen werden diese neuen Klinker nur in geringem Umfang hergestellt und die Minderung der Gesamtemissionen ist begrenzt.

Es wurde weiterhin vorgeschlagen, Geopolymere und andere alkalisch aktivierte Bindemittel anzuwenden, aber es treten Probleme hinsichtlich der Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe auf und die Herstellung der alkalischen Anreger ist mit erheblichen Umweltwirkungen verbunden.

Derzeit werden weitere Alternativen für eine Herstellung von Zement gesucht, die nicht auf einer Entsäuerung von Kalkstein oder Mergel beruhen und somit weniger CO2 freisetzen. Eine Idee ist eine Substitution von Calcium durch Magnesium bei der Zementherstellung. Eine solche Änderung der Stoffbasis könnte Rohstoffquellen er schließen, in denen das Erdalkaliion nicht als Karbonat gebunden ist, wie dies im Kalkstein der Fall ist, sondern als Silikat. So ist das Erdalkaliion in Olivin oder Ser- pentinit als Silikat gebunden. Dementsprechend kommt es bei einer Verwendung dieser Rohstoffe nicht zu Kohlendioxidemissionen durch eine Entsäuerung. Auch für den Einsatz von magnesiumhaltigen Rohstoffen wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen.

Eine mögliche Alternative wäre die Anregung von ultramafischen Gesteinen. Es han delt sich hierbei um Gesteine mit einer hohen Konzentration an Magnesiumoxid, Ei senoxid und Siliziumdioxid. In aktuellen Stellungnahmen der Zementindustrie wird jedoch darauf hingewiesen, dass es derzeit keine realen Forschungsansätze auf die sem Gebiet gibt und die Anregung von ultramafischen Gesteinen nicht als realisti sche Option für eine nachhaltige Reduzierung der Kohlendioxidemissionen der Ze mentindustrie angesehen wird.

Eine chemische Reaktion von ultramafischen Gesteinen mit Wasser ist sehr lang sam, wie Untersuchungen zur chemischen Verwitterung dieser Gesteine zeigen. Aus diesem Grund wurde bisher keine Möglichkeit gesehen, Bindemittel für die Herstel lung von Beton direkt aus diesen Gesteinen zu produzieren.

Ein wichtiges Mineral in ultramafischen Gesteinen ist Olivin. Dabei handelt es sich um eine Mischkristallreihe zwischen Fayalit (Fe ₂ Si0 ₄ ), Forsterit (Mg ₂ Si0 ₄ ), Tephroit (Mn ₂ Si0 ₄ ) und anderen Mineralien der Form A ₂ [Si0 ₄ ]. Natürliche Olivinvorkommen sind dokumentiert und häufig handelt es sich bei dem Olivin um ein magnesiumrei ches Material mit Eisenanteilen. Die Analogie zwischen Forsterit und Belit, (Ca ₂ Si0 ₄ ), einem Mineral des Portlandzementklinkers, hat Vermutungen angeregt, dass eine Herstellung von Bindemitteln aus Forsterit möglich sei. Dies basiert auch auf den Beobachtungen der Hydratation von Magnesiumoxychloriden, die als Sorelzemente bekannt sind. Teilweise werden die Chloride der Sorelzemente auch durch andere Ionen wie Sulfat- oder Karbonationen ersetzt. Voraussetzung für die Erhärtung dieser Zemente ist immer die Anwesenheit von freiem MgO im Bindemittel. Allerdings ist MgO in der Natur nur selten zu finden und muss aus Forsterit (Mg ₂ Si0 ₄ ) oder ande ren magnesiumhaltigen Rohstoffen hergestellt werden.

Diesbezüglich sind Verfahren bekannt, in denen Forsterit in MgO und S1O2 getrennt wird. Eine derartige Synthesemöglichkeit zur Herstellung von MgO aus Forsterit und ande ren Magnesiumsilikaten wird in WO 2012/168176 A1 beschrieben. Dabei erfolgt die Trennung der Oxide des Forsterits in MgO und S1O2 in einem Hochtemperaturpro zess bei Temperaturen von 800°C bis 1000°C. Für die Reaktion werden Alkalien zu gegeben, um die Abtrennung des S1O2 in Form von Natrium- oder Kaliumsilikat errei chen zu können. Das MgO wird als MgC0 ₃ abgeschieden. Nach der Trennung der beiden Reaktionsprodukte kann das MgC0 ₃ in einem zweiten Schritt erneut ther misch behandelt werden und es entsteht MgO als Ausgangsstoff für die Bindemittel herstellung. Das im zweiten Prozessschritt freiwerdende Kohlendioxid kann zusam men mit den Alkalien aus dem Alkalisilikat zurück in den ersten Prozessschritt ge führt werden.

Das auf diesem Weg erhaltene Magnesiumoxid kann zu einer Herstellung von Bin demitteln verwendet werden. Dazu wird das MgO beispielsweise mit Magnesiumkar bonat gemischt und diese Mischung kann nach dem Anmachen mit Wasser bei Raumtemperatur erhärten.

Eine alternative Möglichkeit zur Herstellung von Zementen auf der Basis von Magne siumoxid, die in WO 2009/156740 A1 und WO 2012/028418 A1 beschrieben ist, be ruht auf der Herstellung einer Mischung aus MgO, MgC0 ₃ und gegebenenfalls Mg(OH)2 sowie Silikaten. Diese Mischung enthält kein reaktionsfähiges Mg ₂ Si0 ₄ , sondern der Forsterit wird vorher in einem zusätzlichen Prozess zu MgC0 ₃ und S1O2 verarbeitet. Dazu wird ein Reaktor beschrieben, in dem Forsterit mit CO2 bei relativ hohen Drücken in Anwesenheit von Wasser und gelösten Salzen zu S1O2 und Mag nesiumkarbonat reagieren kann. Das Magnesiumkarbonat kann durch Kalzination zu MgO verarbeitet werden und mit Hilfe des dabei abgespaltenen CO2 kann neuer Forsterit zersetzt werden.

Mit Hilfe der beiden genannten Verfahren können Zemente mit hohem Magnesium gehalt hergestellt werden. Allerdings wird dabei immer ein technologischer Zwi schenschritt benötigt, der eine Umsetzung des Forsterits in MgO oder MgC0 ₃ unter Abspaltung von S1O2 beinhaltet, wodurch die Gesamtprozesse sehr aufwendig und komplex sind. Weiterhin wurden verschiedene Patente, wie W02007/069902, W02008/140821 oder W02008/061305 zur Bindung von CO2 in Olivin publiziert. Diese beinhalten häufig die Verwendung von teuren oder nicht üblichen Stoffen und sind somit kaum wirtschaftlich anwendbar, Darüber hinaus ist die Herstellung von Baustoffen nicht Gegenstand dieser Verfahren.

Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Baustoffes anzugeben, welches effizienter und umweltfreundlicher als her kömmliche Verfahren ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fertigbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung angegeben.

Entsprechend der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ausgangsprodukt bereitgestellt wird, welches eine Forsteritquelle in Form einer natürlichen oder künstlichen Olivin quelle und/oder in Form von getempertem Serpentinit aufweist. Bei Forsterit handelt es sich um ein Mineral mit der chemischen Zusammensetzung Mg ₂ Si0 _4. Unter Ser pentinit werden metamorphe Gesteine verstanden, bei denen in Summe mindestens 20% des Gesteins aus Chrysotil, Lizardit, Antigorit und/oder anderen fremdoxidhalti gen Magnesiumsilikathydraten bestehen. Diese können sowohl kristallin als auch amorph sein.

Das Ausgangsprodukt wird zerkleinert, beispielsweise aufgemahlen, und homogeni siert. Anschließend wird das zerkleinerte und homogenisierte Ausgangsprodukt in einer Wärmebehandlungseinrichtung bei einer Temperatur von über 30°C, bevorzugt über 50°C, vorteilhaft über 80°C, insbesondere über 100°C, bevorzugt über 120°C, für mindestens 2 Stunden, bevorzugt mindestens 3, mindestens 4 oder mindestens 6 Stunden sogar mindestens 24 oder mindestens 48 Stunden, wärmebehandelt. Fer ner ist vorgesehen, dass dem Ausgangsprodukt vor, nach oder zeitgleich mit dem Zerkleinern und dem Homogenisieren Wasser zugegeben wird und mit diesem ver mischt wird. Alternativ oder zusätzlich kann Wasserdampf in die Wärmebehand lungseinrichtung eingebracht werden. Wenn das Ausgangsprodukt Fe in reduzierter Form, wie Fe ₂ Si0 ₄ aufweist, wird ein Bilden von gasförmigen H2 vermindert und/oder ein Ausdehnen des H2 reduziert um eine Porenbildung zu vermeiden.

Im Rahmen der Erfindung können die Temperaturangaben und die Zeitangaben auch als durchschnittliche Temperatur über einen gegebenen Zeitraum angesehen werden, so dass beispielsweise ein Behandeln mittels Temperaturrampen ebenfalls möglich ist. So kann die Temperatur auch über 1 Stunde auf 80° und anschließend für 2 Stunden auf 120° eingestellt werden, wobei zusätzlich eine kurze Abkühlzeit zwischen den Temperaturänderungen möglich ist.

Bei der Wärmebehandlungseinrichtung kann es sich um einen Autoklav handeln. Unter Autoklav wird meist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter, der für die thermische Behandlung von Stoffen im Überdruckbereich eingesetzt werden kann, verstanden. Es ist bevorzugt, wenn als Wärmebehandlungseinrichtung ein Gefäß, eine Kombination von Einrichtungen, wie ein Ofen und eine dichte Form, oder eine Einrichtung zum Einschließen eines Volumens verstanden werden, die während des Erwärmens des zerkleinerten und homogenisierten Ausgangsproduktes dessen Aus trocknen verhindert. Ein, insbesondere erheblicher, Wasserverlust würde die im fol genden beschriebenen Reaktion verlangsamen oder sogar zum Erliegen bringen, zu verminderten Festigkeiten führen und ist deshalb zu vermeiden. Dies kann zum ei nen durch den Verschluss des Volumens erfolgen, zum anderen aber beispielsweise auch indem ausreichend Feuchtigkeit in der Einrichtung vorhanden ist oder zugeführt wird. So ist es beispielsweise noch im Sinne der Erfindung, das zerkleinerte und ho mogenisierte Ausgangsprodukt in einem Spezialraum zu erwärmen, in dem dafür gesorgt ist, dass die Luftfeuchtigkeit dauerhaft hoch genug ist. Hierbei kann es sich sogar um einen Wärmtunnel handeln. Dies ist insbesondere bei Temperaturen unter 100°C, insbesondere 60°C, möglich. Wenn verwendete Schalungen für das Fertig bauteil wasserdicht sind, kann die Temperaturbehandlung sogar ohne Autoklav er folgen, da ein Wasserverlust durch die Schalung verhindert wird. Vorteilhaft ist es, wenn ein Wasserverlust von mehr als 20%, insbesondere mehr als 10% während des Ablaufens der im Folgenden beschriebenen chemischen Reaktionen verhindert wird. Im Anschluss kann beim weitern Austrocknen nachdem zumindest ein Großteil der Reaktionen abgeschlossen sind, ein höherer Wasserverlust vorliegen, dies ist dann jedoch unschädlich. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Forsterit zusammen mit Wasser zu Antigorit (3Mg0-2Si0 ₂ -2H ₂ 0) oder zu anderen kristallinen oder röntgenamorphen Magnesiumsilikathydraten reagieren und diese Reaktionen überraschenderweise durch erhöhte Temperaturen zur Baustoffherstellung beschleunigt werden können.

Die der erfindungsgemäßen Erkenntnis zugrundeliegende Reaktion kann wie folgt beschrieben werden:

(1 ) 2 Mg ₂ Si0 ₄ + 3 H ₂ 0 ^ 3Mg0-2Si0 ₂ -2H ₂ 0 + Mg(OH) ₂

Hierbei können bei der Umsetzung grundsätzliche verschiedene verwandte Reakti onsprodukte entstehen. Diese können nach der Erhärtung in unterschiedlicher Weise mit Kohlendioxid reagieren. Exemplarisch wird hier die Reaktion von Brucit (Mg(OH)2) mit CO2 dargestellt, die besonders einfach und schnell abläuft.

(2) Mg(OH) ₂ + C0 ₂ MgCOs + H ₂ 0

Neben Magnesit (MgCC ) können auch ähnliche Verbindungen entstehen. Diese sind zum Teil wasserhaltig. So kann es während der Nutzung eines mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellten Betonbauteils zu einer langsamen Einwan derung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Beton kommen. Hierbei kann das Kohlendioxid durch eine chemische Reaktion fest als Magnesiumkarbonat ge bunden werden und wird somit einer C0 ₂ -Quelle, beispielsweise der Atmosphäre, entzogen.

Das erforderliche Wasser kann entsprechend der Erfindung auf verschiedenen We gen zugeführt werden, welche auch miteinander kombiniert werden können. Zum einen ist es möglich, dem Ausgangsprodukt vor, nach oder zeitgleich mit dem Zer kleinern und dem Homogenisieren Wasser zuzufügen. Zum anderen ist es ebenfalls möglich, in die Wärmebehandlungseinrichtung wie einen Autoklav, in dem das Aus gangsprodukt behandelt wird, Wasserdampf hinzuzuführen und dem Prozess so die nötige Menge an Wasser beizugeben.

Selbstverständlich können beide Wege auch kombiniert werden.

Durch die Behandlung des Ausgangsproduktes in einer Wärmebehandlungseinrich tung bei Temperaturen von über 30°C, insbesondere über 80°C wird die oben be- schriebene Reaktion beschleunigt, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein verfestigter Baustoff, insbesondere ein Fertigbauteil, hergestellt werden kann, welches ähnlich wie bekannte Betonsteine oder Formelemente aus Beton verwendet werden kann. Eine höhere Temperatur beschleunigt grundsätzlich den Ablauf der notwendigen Reaktionen. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise Kacheln zu produ zieren, die zum Verkleiden von Gebäuden oder dergleichen verwendet werden kön nen. Wesentlich ist hierbei, dass ein fester Baustoff erzeugt werden kann, der belie big geformt sein kann und demnach auch unterschiedlichen Verwendungen zuge führt werden kann.

Zumindest bei der Verwendung von getempertem Serpentinit im Ausgangsprodukt, bevorzugt aber auch bei einer natürlichen oder künstliche Olivinquelle, sollte das Ausgangsprodukt Alit und Belit frei ist, da diese Erhärtungsstörungen bedingen kön nen. Ähnlich Probleme können auch bei dem Vorhandensein von Molybdän-Erz, ins besondere in Pulverform auftreten. Daher sollten maximal 12 Mass.-%, besser deut lich weniger, maximal 5 Mass.-%, in dem Aufgabeprodukt vorhanden sein.

Grundsätzlich kann die Behandlung auch bei deutlich höheren Temperaturen bei spielsweise bis zu 500°C und/oder über eine deutlich längere Zeitspanne, beispiels weise bis zu 60 Tagen erfolgen. Bevorzugt sind jedoch Temperaturen zwischen 120°C und 400°C besser noch zwischen 200°C und 300°C.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, einen Baustoff zu er zeugen, welcher eine deutlich bessere C0 ₂ -Bilanz als konventioneller Zement hat, da kein Kalkstein entsäuert werden muss. Er hat sogar die Eigenschaft, dass er zusätz lich CO2 binden kann.

Auch ist der hier beschriebene Prozess beziehungsweise das Verfahren deutlich energieeffizienter, da keine Flochtemperaturprozesse wie bei der Herstellung von Portlandzementklinker benötigt werden.

Die zuvor beschriebenen Reaktionen laufen insbesondere dann ab, wenn keine Si0 ₂ -Quelle vorhanden ist. Wenn jedoch eine natürliche Forsteritquelle verwendet wird, ist oft auch eine damit verbundene SiC -Quelle vorhanden. Dies ist aber nicht schädlich für die Erfindung. Forsterit reagiert zusammen mit S1O2 und Wasser zu Magnesiumsilikathydrat (M-S- H) und diese Reaktion kann ebenfalls durch erhöhte Temperaturen beschleunigt werden. S1O2 kann dem Ausgangsprodukt explizit durch SiC -Quellen zugegeben werden und/oder als Nebenprodukt der Forsteritquelle vorliegen. Wird jedoch eine natürliche Forsteritquelle verwendet, ist oft, wie bereits beschrieben, in dieser eine zumindest geringe Menge S1O2 vorhanden. Die zugrundeliegende Reaktion kann wie folgt beschrieben werden:

(3) Mg ₂ Si0 ₄ + S1O2 + 2 H ₂ 0 ^2 Mg0-Si0 ₂ -H ₂ 0

Folglich reagiert Forsterit mit S1O2 sowie Wasser zu Magnesiumsilikathydrat.

Daher wird vorgeschlagen, eine Forsteritquelle zusammen mit einer SiC -Quelle als Ausgangsprodukt bereitzustellen, zu zerkleinern und zu homogenisieren.

Als Forsteritquelle kann eine natürliche Forsteritquelle, beispielsweise eine Olivin quelle verwendet werden.

Olivin ist ein Mineral der allgemeinen Form A ₂ [Si0 ₄ ], wobei für A verschiedene zwei wertige Ionen und deren Mischungen auftreten können. Zu diesen zweiwertigen Io nen zählen Mg ²⁺ (Forsterit), Fe ²⁺ (Fayalit), Ca ²⁺ (Calcio-Olivin), Mn ²⁺ (Tephroit) und andere Olivinmischkristalle sind häufig in mafischen und ultramafischen Gesteinen, sowie in verschiedenen industriellen Anfallstoffen enthalten und können ebenso wie andere olivinhaltige Substanzen für die Produktion von C0 ₂ -negativen Bindemitteln verwendet werden. Natürlicher Olivin kommt nie in einer einzigen Zusammensetzung vor, so dass immer ein Anteil Forsterit vorhanden ist.

Bei bestimmten Zusammensetzungen von Ausgangsgesteinen als Ausgangsprodukt oder zur Verbesserung der Bindemitteleigenschaften können zusätzliche technische Schritte vorteilhaft sein. Dazu zählt unter anderem eine thermische Behandlung des Materials. Solche Verfahren sind auch geeignet, um Olivin in Materialien zu erzeu gen, die vorher keinen Olivin enthielten, beispielsweise Serpentinite. Eine weitere Möglichkeit der Vorbehandlung ist die Mischung verschiedener Gesteine. Häufig sind neben dem Olivin noch andere Mineralphasen im Gestein enthalten und dazu zählen Feldspäte und andere Silikate Bevorzugt ist es, wenn als SiC -Quelle amorphes und/oder kristallines S1O2 in reiner und/oder verunreinigter Form verwendet wird. Demnach kann als SiC -Quelle bei spielsweise Quarz, Tridymit und/oder Cristobalit zugegeben werden. Zu den verun reinigten Siliziumträgern gehören unter anderem: thermisch behandelte Tone, Puz- zolane, Zement, Hüttensand, Stahlwerksschlacke, karbonatisierter Zementstein aus dem Betonrecycling, Feldspäte, Glas, insbesondere Altglas, und andere silikatische Materialien mit einer Si0 ₂ -Konzentration über 10% bevorzugt 30 %, vorteilhafter weise von über 50%. Das Vorhandensein einer Si0 ₂ -Quelle steigert die Druckfestig keit im Anfangsstadium durch Ablaufen der Reaktion (3).

Bevorzugt wird das zerkleinerte, homogenisierte Ausgangsprodukt bei über 100°C, insbesondere bei über 120°C, behandelt, wobei sich in der Wärmebehandlungsein richtung, wie einem Autoklav, ein entsprechender Druck einstellt, welcher über dem atmosphärischen Druck liegt. Vorteilhaft ist es, wenn ein Wasserdampfpartialdruck in der Wärmebehandlungseinrichtung auf über 3 bar eingestellt wird, dies kann bei spielsweise mit höheren Temperaturen erreicht werden. So wird insbesondere ein Austrocknen des entstehenden Baustoffes bei der Wärmebehandlung verhindert.

Besonders gute Ergebnisse haben sich gezeigt, wenn das zerkleinerte und homoge nisierte Ausgangsprodukt in der Wärmebehandlungseinrichtung bei einer Temperatur von über 150°C und bei über 5 bar Wasserdampfpartialdruck über mindestens 12 Stunden behandelt wird. Ein derartig behandeltes Ausgangsprodukt stellt im Er gebnis einen Baustoff dar, welcher eine hohe Festigkeit hat. Auch bereits eine Be handlung von über 12 Stunden im Wesentlich unabhängig von den gewählten Tem peraturen und/oder den gewählten Drücken ermöglicht eine Ausgangsprodukt mit einer ausreichenden Festigkeit.

Auch stellen diese Parameter einen guten Kompromiss zwischen benötigter Energie und benötigter Zeit dar. Es ist natürlich ebenso möglich, das Verfahren bei einer ge ringeren Temperatur über einen längeren Zeitraum durchzuführen und umgekehrt.

Bevorzugt kann in der Wärmebehandlungseinrichtung, wie einem Autoklav, eine C0 ₂ -Quelle vorhanden sein. Das Vorhandensein von CO2 kann zum einen den Er härtungsvorgang des Baustoffes beschleunigen. Zum anderen kann so Kohlendioxid gebunden werden, so dass eine weitere diesbezügliche Verminderung möglich ist. Eine weitere zu Grunde liegende Reaktion kann wie folgt beschrieben werden:

(4) Mg2Si04 + 2 CO2 2 MgC03 + S1O2

Die Aufnahme von Kohlendioxid kann durch Einstellen von höheren CO2- Partialdrücken und mittleren Luftfeuchtigkeiten beschleunigt werden. Alternativ oder fakultativ können dem Ausgangsprodukt beim Anmischen oder in der Wärmebehand lungseinrichtung, vorteilhaft in einem Autoklav, geeignete CO2 und/oder Karbonat- Quellen wie beispielsweise Na ₂ C03 oder K2CO3 zugegeben werden. Gleichzeitig be schleunigt die Zugabe von Na ₂ C03 die Erhärtung.

Sofern das Ausgangsprodukt Fe in reduzierter Form, wie Fe ₂ Si0 ₄ , aufweist, kann die Forsteritquelle bei vorheriger fakultativer Zugabe von Korrekturstoffen gebrannt wer den, ein Oxidationsmittel zum Ausgangsprodukt zugegeben werden und/oder das zerkleinerte homogenisierte Ausgangsprodukt kann in einem druckfesten, formstabi len Behältnis in die Wärmebehandlungseinrichtung, vorteilhaft in einen Autoklav, ein gebracht werden.

Insbesondere wenn natürlicher Olivin verwendet wird so tritt eine Porenbildung und Volumenvergrößerung während des Behandelns in der Wärmebehandlungseinrich tung auf. Es wird vermutet, dass bedingt durch Fe ₂ Si0 ₄ , welches in natürlichem Oli vin vorhanden ist, während der Behandlung in der Wärmebehandlungseinrichtung, parallel zur zuvor beschriebenen Reaktion auch folgende Reaktion abläuft.

(5) Fe2Si04 + 3 H2O + Mg2Si04 Fe203 + H2 + 2 Mg0-Si02-H20

Hierbei liegt der entstandene Wasserstoff nach der Reaktion im gasförmigen Zustand vor. Das Entstehen des Gases erzeugt die Porosität beziehungsweise Volumenver größerung und Porenbildung in dem herzustellenden Baustoff. Zwar ist das Vorhan densein von Gas auch aus der Porenbetonherstellung bekannt, jedoch erfolgt dort das Entstehen des Gases vor dem Erhärtungsprozess, anders als im hier vorliegen den Fall, bei dem die Gasfreisetzung kontinuierlich während des gesamten Prozes ses abläuft und somit die Festigkeit vermindert.

Um dies zu verhindern wird ein Bilden von H2 vermindert und/oder ein Ausdehnen des H2 reduziert. Im Rahmen der Erfindung kann unter Vermindern auch ein derartig starkes Vermindern bis hin zum Verhindern verstanden werden. Auch ein Reduzie ren des möglichen Ausdehnens kann bis zu einem totalen Verhindern des Ausdeh nens verstanden werden.

Das Bilden, das Ausgasen beziehungsweise das Ausdehnen des H ₂ kann mittels verschiedener Maßnahmen verhindert beziehungsweise reduziert werden. Zum ei nen können chemische Maßnahmen dazu eingesetzt werden. Zum anderen können auch physikalische Maßnahmen verwendet werden. Auch eine Kombination mehre rer Maßnahmen ist möglich.

Chemische Maßnahmen verhindern die Bildung des H ₂ oder binden dieses nach dessen Entstehen. Beispielsweise kann die Forsteritquelle vorbehandelt werden, in dem sie gebrannt wird. Während des Brennverfahrens findet aber auch eine teilweise Umwandlung des Forsterits in Enstatit (MgSiC ) statt. Jedoch ist Enstatit im Gegen satz zu Forsterit nicht in der Lage, mit S1O ₂ und Wasser zu Magnesiumsilikathydrat zu reagieren. Daher können fakultativ Korrekturstoffe zugegeben werden, beispiels weise in Form von CaO-Quellen, welche das Entstehen von Enstatit wiederum un terdrücken.

Alternativ kann während der Behandlung in der Wärmebehandlungseinrichtung ein Oxidationsmittel wie Mn02 vorgesehen werden, welches beispielsweise beim Aufbe reiten des Ausgangproduktes zugegeben werden kann. Auch mit dieser Maßnahme kann das Bilden von Wasserstoffgas vermieden werden.

Eine physikalische Möglichkeit besteht darin, das Ausgangsprodukt in einem druck festen, formstabilen, insbesondere geschlossenen, Behältnis in die Wärmebehand lungseinrichtung, wie einen Autoklav, einzubringen, mit dem Ziel die Volumenzu nahme des Ausgangsprodukt während der Behandlung in der Wärmebehandlungs einrichtung zu begrenzen. Beispielsweise kann das Behältnis hierzu vollständig ge füllt werden. Eine andere Ausgestaltung ist, das Behältnis zwar nicht zu verschlie ßen, aber mittels äußeren Druckes, beispielsweise Gewichten auf einem oberen Ab schluss oder einer Platte auf dem Behältnis, der Ausdehnung entgegen zu wirken. Grundsätzlich ist auch ein Erhöhen des Druckes innerhalb der Wärmebehandlungs einrichtung, vorzugsweise innerhalb eines Autoklavs möglich, um das Ziel zu errei chen. Hierbei wird jeweils ein Ausdehnen des Wasserstoffgases durch das druck- dichte Behältnis oder den externen Druck verhindert und so ebenfalls ein Ausgasen reduziert. Es ist auch möglich, zwei oder alle drei dieser Methoden zu kombinieren.

Weiterhin ist es möglich, die Eisenoxidation oder andere gefügeschädigende Reakti onen durch bestimmte technologische Maßnahmen bei der Bindemittelherstellung zu vermeiden beispielsweise durch eine thermische Behandlung in oxidierender Atmo sphäre, wie das Brennen unter normaler Atmosphäre.

Bevorzugt liegt das Verhältnis in Massenprozent des Forsterits zu S1O2 bei 30% zu 70% bis 85% zu 15%. Es können auch zusätzliche, zum Teil inerte, Zuschlagstoffe zugegeben werden, beispielsweise kann es sich hierbei um Streckmittel wie Kalk steinmehl, Korund, Sand, Kunststoffe, Anfallstoffe wie Aschen und Schlacken oder Metallbewehrung handeln.

Auch ist es möglich Zusätze zuzugeben, welche die Reaktion beeinflussen und steu ern. Beispiele hierfür sind Calciumhydroxid, Keimbildner und organische Zusatzstof fe. Dabei sind oftmals geringe Konzentrationen ausreichend. Keimbildner beschleu nigen den Reaktionsfortschritt und organische Zusatzmittel wie Fließmittel können den Wasserbedarf herabsetzen und somit die Porosität und Festigkeit des erhärteten Materials verbessern.

Bevorzugt liegt das Verhältnis auf molarer Ebene zwischen Forsterit und S1O2 größer 1:1 auf Seite des Forsterits. Die beiden unter (1) und (3) beschrieben Reaktionen laufen in Konkurrenz zueinander ab, wobei Reaktion (3) bevorzugt abläuft. Um also zu erreichen, dass auch oder vor allem Reaktion (1) abläuft, ist es vorteilhaft S1O2 im Unterschuss, also weniger als für eine reines ablaufen der Reaktion (3) notwendig, vorzusehen.

Dem Ausgangsprodukt können ein oder mehrere Zusätze zugegeben werden, die eine Quelle für NaOFI, KOH, NaCI und/oder KCl aufweisen. Als Zusatz können bei spielsweise Wassergläser verwendet werden. Unter Wasserglas verseht man unter anderem aus einer Schmelze erstarrte glasartige, also amorphe, wasserlösliche Nat rium-, Kalium- und Lithiumsilicate sowie ihre wässrigen Lösungen. Je nachdem, ob überwiegend Natrium-, Kalium- oder Lithiumsilicate enthalten sind, werden sie auch als Natronwasserglas, Kaliwasserglas oder Lithiumwasserglas bezeichnet. Diese Zusätze dienen als Beschleuniger der ablaufenden Reaktionen wodurch eine höhere Druckfestigkeit bei gleichen Reaktionszeiten erreicht werden kann.

Es hat sich gezeigt, dass ein zügiges Ablaufen der Reaktionen erreicht werden kann, wenn das Ausgangsprodukt mindestens auf eine Oberfläche nach BET von 0,03 m ² /g, oder 0,1 m ² /g bevorzugt 0,6 m ² /g, vorteilhafterweise 1,0 m ² /g, zerkleinert wird.

Bevorzugt ist es ferner, wenn dem Ausgangsprodukt als Zuschlagstoff Sand und/oder Kies zugegeben wird und das zerkleinerte homogenisierte Ausgangspro dukt mit Sand und/oder Kies in eine Form gegeben wird und in dieser Form in der Wärmebehandlungseinrichtung behandelt wird. Das so entstehende Produkt kann als verfestigter Baustoff, insbesondere als Fertigbauteil, verwendet werden. Zusätz lich können auch Bewehrungen oder weitere Materialien, abhängig vom Anwen dungszweck, eingebracht werden. Anders ausgedrückt wird das Ausgangsprodukt analog zu Zement verwendet, wobei mit der Zugabe von Sand und/oder Kies ein be tonähnliches Produkt hergestellt werden kann, welches ähnliche Eigenschaften auf weist und auch ähnlich verwendet werden kann.

Der Ablauf der Reaktionen kann beschleunigt werden, in dem der pFI-Wert im Aus gangsprodukt, welches mit Wasser versetzt ist, erhöht wird. Dies kann beispielswei se durch Zugabe von NaOFI erfolgen. Der pFI-Wert liegt dann bevorzugt über 8 be ziehungswiese über 10, vorteilhafterweise über 13, wobei höhere pFI-Werte bevor zugt werden.

Grundsätzlich können dem Ausgangsprodukt auch weitere Materialen zugegeben werden, die als Zugaben in der Zementherstellung bekannt sind. Allerdings ist es entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beispiel nicht notwendig As best-Fasern zuzugeben, um eine hohe Festigkeit zu erreichen. Es kann also eine asbestfreie Fierstellung erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so ein Fertigbauteil hergestellt werden, welches beispielsweise analog zu Fertigbauteilen aus Beton, als keramisches Pro dukt, Mauersteinen oder anderen Bauprodukten verwendet werden kann.

Im Folgenden werden einige Vergleichsversuche beschrieben, um die Erfindung wei ter zu verdeutlichen. Hierbei zeigt: Fig. 1 eine vergleichende Darstellung des Phasenbestands verschiedener Versuchsprodukte.

Zunächst wurde durch Brennen von Magnesiumhydroxidkarbonat und amorphen S1O2 bei 1500°C synthetischer Forsterit hergestellt. Eine Untersuchung mittels quan titativer Röntgenphasenanalyse zeigte, dass das Brennprodukt aus 98% Forsterit und 2% Periklas (MgO) bestand. Die spezifische Oberfläche des synthetischen Fors- terits nach dem BET-Verfahren betrug 0,6 m ² /g.

Durch Mischen von 10 g Forsterit mit 40 g Wasser wurde eine Paste hergestellt, die in einem verschlossenen Teflonbehälter für 7 Tage bei 200°C gelagert wurde. Da nach wurde die Probe bei 60°C getrocknet und der Phasenbestand mittels ²⁹ Si MAS NMR Spektroskopie untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass nach der hydrother malen Behandlung 96% Forsterit verblieben waren. Als siliziumhaltiges Reaktions produkt wurde mit dem Verfahren Serpentinit nachgewiesen (3%).

Dieses Ergebnis zeigt eine Reaktionsfähigkeit des Forsterits unter diesen Bedingun gen.

In einem weiteren Versuch wurde anstelle von Wasser eine 1 -molare NaOFI-Lösung bei der hydrothermalen Behandlung verwendet. Nach 7 Tagen Lagerung bei 200°C enthielt die Probe 75% Forsterit und 17% Serpentinit. Der verbleibende Anteil von 8% kann einem Reaktionsprodukt zugerechnet werden, welches kein Silizium ent hält. Eine Untersuchung der Probe mittels Röntgenphasenanalyse ergab, dass es sich dabei um Brucit (Magnesiumhydroxid) handelt. Somit konnte der Reaktionsfort schritt durch die Zugabe des pH-Wertes erheblich erhöht werden. Die Bildung von Brucit belegt, dass ein Bindemittel hergestellt wurde, welches C0 ₂ -nach Gleichung (2) binden kann.

In einer weiteren Untersuchung wurde ein natürlicher Olivin aus Aheim (Norwegen) als Bindemittel für die Mörtelherstellung verwendet. Die chemische Zusammenset zung des Materials wurde mittels nasschemischer Analyse bestimmt (49,9% MgO, 41 ,9% Si0 ₂ , 6,9% Fe ₂ 0 ₃ , 0,6% AI2O3, 0,1 % CaO und 0,5% Glühverlust). Die spezifi sche Oberfläche des Olivins nach dem BET-Verfahren betrug 0,5 m ² /g. Der Olivin wurde aufgemahlen und zu einem Mörtel verarbeitet. Dazu wurden 100 g des aufgemahlen Olivin, 100 g Sand 0/2,100 g Kies 2/8, 25 g 1 molare NaOH- Lösung und 1 g Fließmittel gemischt. Ein Teil des Mörtels wurde in eine würfelförmi ge Stahlform mit einer Kantenlänge von 25 mm gefüllt, verdichtet und verschlossen. Danach erfolgte eine Behandlung in einem wassergefüllten Autoklav für 7 Tage bei 200°C. Nach dem Abkühlen wurde der Würfel entschalt und die Druckfestigkeit ge prüft. Dabei wurde ein Wert von 23 MPa ermittelt.

Des Weiteren wurden Vergleichsversuche unternommen, bei denen Forsterit und S1O2 einmal bei 25°C für 28 Tage gelagert wurde (Produkt 2), Forsterit ohne Zugabe von S1O2 für 28 Tage bei 60°C behandelt wurde (Produkt 3) und Forsterit mit S1O2 für 28 Tage bei einer Temperatur von 60°C behandelt wurde (Produkt 1 ).

Das Ergebnis ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die entsprechenden Kurven gekenn zeichnet sind.

Detailliert wurde Forsterit durch Mahlung von 40,8 g Magnesiumhydroxidkarbonat (KMF 12-091.1000) und 12,9 g Si0 ₂ (Merck 1.13126.0500) in Ethanol für 2,5 Stun den in einer Planetenkugelmühle und anschließendem Trocknen und Brennen bei 1100°C für 2,5 Stunden hergestellt. Das entstandene Produkt wurde mittels QXRD untersucht und enthielt 98% Mg ₂ Si0 ₄ und 2% MgO.

Dieses Material (5,0 g) wurde mit 2,13 g amorphen S1O2 (Merck 1.13126.0500) für eine Minute in der Scheibenschwingmühle gemahlen. Von diesem Gemisch wurden 2,0 g mit 2,0 g entionisiertem Wasser angemacht und in einem verschlossenen Ge fäß für 28 Tage bei 60°C gelagert. Danach wurde die Probe (Produkt 1) bei 60°C getrocknet und analysiert. Der mittels Thermoanalyse und ²⁹ Si MAS NMR ermittelte Phasenbestand betrug: 37% Forsterit, 17% amorphes S1O2 und 46% Magnesiumsili kathydrat. Damit wird deutlich, dass eine chemische Reaktion von Forsterit, bei 69% in der Ausgangsmischung, und S1O2, bei 30% in der Ausgangsmischung, unter Bil dung von Magnesiumsilikathydrat, bei 0% in der Ausgangsmischung, eingetreten ist.

Im Gegensatz dazu war keine Reaktion eingetreten, wenn die Forsterit-SiC Mi schung bei Raumtemperatur gelagert wurde (Produkt 2) oder eine Referenzprobe aus reinem Forsterit ohne Zugabe von S1O2 bei 60°C für den gleichen Zeitraum gela gert wurde (Produkt 3). Offensichtlich ist eine deutliche Reaktion des Forsterits nach 4 Wochen nur möglich, wenn reaktionsfähiges S1O2 zugegeben wird und die Temperatur höher als Raum temperatur ist.

Dass eine erhöhte Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit weiter beschleunigt, wurde zum Vergleich in einem weiteren Versuch gezeigt. Hierbei wurde wiederum der wie oben beschrieben hergestellte Forsterit mit 2,13 g amorphen S1O2 (Merck 1.13126.0500) für eine Minute in der Scheibenschwingmühle gemahlen. Von diesem Gemisch wurden 2,0 g mit 2,0 g entionisiertem Wasser angemacht und in einem ver schlossenen Gefäß für 28 Tage bei 90°C gelagert.

Anschließend wurde die Probe bei 60°C getrocknet und der Phasenbestand mittels Thermoanalyse und ²⁹ Si MAS NMR Spektroskopie untersucht. Dabei konnte festge stellt werden, dass die Probe 20% Forsterit, 8% S1O2 und 71% Magnesiumsilikathyd rat enthielt. Der Umsatzgrad war demzufolge höher als bei Produkt 1.

Im Vergleich zu dem Produkt 1 ist in dieser Probe eindeutig sichtbar, dass deutlich mehr Magnesiumsilikathydrat entstanden ist, wonach die Reaktion schneller ablief. Folglich kann die Reaktion zwischen Forsterit und S1O2 durch höhere Temperaturen beschleunigt werden.

Des Weiteren wurde eine Festigkeitsuntersuchung des erfindungsgemäßen Baustof fes durchgeführt. Hierbei wurde das Ausgangsprodukt für diese Untersuchen durch Homogenisierung von Olivin (50 Gew.-%), Eikern Mikrosilika 940 (10 Gew.-%) und gemahlenem Altglas (40 Gew -%) hergestellt. Der verwendete Olivin stammte aus einer natürlichen Lagerstätte in Aheim in Norwegen und hatte folgende chemische Zusammensetzung: 49,9 Gew.-% MgO, 41,9 Gew.-% S1O2, 0,6 Gew.-% AI203, 6,9 Gew.-% Fe203 und 0,1 Gew.-% CaO. Die spezifische Oberfläche des Olivins nach dem BET-Verfahren betrug 0,4 m ² /g.

Die Homogenisierung des Ausgangsproduktes erfolgte durch gemeinsame Mahlung in einer Scheibenschwingmühle für 30 Sekunden bei 700 U/min. Aus dem Aus gangsprodukt wurde Beton hergestellt, wobei die folgende Zusammensetzung ge wählt wurde: 110 g Ausgangsprodukt, 110 g Normsand 0/2, 110 g Kies 2/8, 27,5 g Wasser und 0,7 g Fließmittel. Nach der Mischung wurde der Beton in eine würfelför mige Stahlform mit einer Kantenlänge von 5 cm eingefüllt und verdichtet. Die Form wurde verschlossen und unter Wasser im Autoklaven für 42 Stunden bei einen Was serdampfpartialdruck von etwa 15 bar bei etwa 200°C behandelt.

Nach der Autoklavbehandlung wurde der erhärtete Würfel abgekühlt, entschalt und die Festigkeit bestimmt. Dabei wurde eine Druckfestigkeit von 25,5 MPa festgestellt, welche vergleichbar mit Beton aus Portlandzement ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, einen Baustoff, der fle xibel verwendet werden kann, umweltfreundlicher herzustellen.