Ressourceneffiziente Lagerstättennutzung

Begriffsdefinitionen (S. 11)
1. Einleitung (S. 13)
1.1 Motivation (S. 13)
1.2 Aufgabenstellung und Untersuchungsrahmen (S. 14)
2. Sand- und Kiesvorkommen im bayerischen Alpenvorland (S. 17)
2.1 Tertiäre fluviatile Sedimentationsbereiche (S. 17)
2.1.1 Oberes Ottnangium bis Unteres Karpatium (S. 17)
2.1.2 Karpatium bis Oberes Badenium (S. 19)
2.1.3 Sarmatium bis Pannonium (S. 20)
2.2 Quartäre glazigene und glazifluviatile Sedimentationsbereiche (S. 20)
2.3 Lokale glaziäre Ablagerungen (S. 21)
2.4 Quartäre glazifluviatile Sedimentationsbereiche (S. 22)
3. Geologische Situation der Projektstandorte (S. 24)
3.1 Tertiäre fluviatile Sedimente am Standort Steinbach (S. 24)
3.2 Quartäre glazigene und glazifluviatil geprägte Lagerstätten (S. 27)
3.2.1 Standort Inzell (S. 27)
3.2.2 Standort Flintsbach (S. 28)
3.2.3 Standort Landsberied (S. 30)
3.3 Quartäre glazifluviatil gebildete Lagerstätten (S. 31)
3.3.1 Standort Ranshofen (S. 31)
3.3.2 Standort Otterfing (S. 33)
3.3.3 Standort Eichenkofen (S. 34)
3.3.4 Standort Moosburg (S. 36)
4. Methodik (S. 36)
4.1 Feldmethoden (S. 36)
4.1.1 Probenahme in der Lagerstätte (S. 36)
4.1.2 Petrographische Analyse der Grobkiese (S. 36)
4.1.3 Probenahme des Kieswaschschlamms (S. 37)
4.2 Labormethoden (S. 38)
4.2.1 Abtrennung und Bestimmung der Schwerminerale (S. 38)
4.2.2 Korngrößenverteilung durch Sieben (S. 38)
4.2.3 Bestimmung der Korndichte (S. 38)
4.2.4 Korngrößenverteilung durch Sedimentation (S. 39)
4.2.5 Abschätzung der Durchlässigkeitsbeiwerte (S. 39)
4.2.6 Bestimmung der Plastizität (S. 39)
4.2.7 Mineralphasenbestimmung durch Röntgendiffraktometrie (XRD) (S. 30)
4.2.8 Bestimmung der Hauptelemente durch Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) (S. 40)
4.2.9 Bestimmung der Spurenelemente durch Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) (S. 40)
4.2.10 Bestimmung der Kationenaustauschkapazität (KAK) (S. 41)
5. Potentiell nutzbare Minerale und feinkörnige Reststoffe (S. 41)
5.1 Schwerminerale (S. 41)
5.2 Tonminerale (S. 42)
5.2.1 Kaolinit (S. 43)
5.2.2 Bentonit (S. 44)
5.3 Tonige, schluffige Sedimente (S. 45)
5.3.1 Mineralbestand tonig, schluffiger Sedimente (S. 45)
5.3.2 Lössablagerungen (S. 45)
5.4 Kieswaschschlämme sowie deren Herstellung, Behandlung und Lagerung (S. 46)
5.4.1 Rohstoffgewinnung und Aufbereitung von Sanden und Kiesen (S. 46)
5.4.2 Eindicken, Entwässern und Lagern von Kieswaschschlamm (S. 48)
5.4.3 Konditionierung von Kieswaschschlamm (S. 50)
6. Verwertungsmöglichkeiten feinkörniger Mineralgemenge (S. 52)
6.1 Verwertung im Gruben- und Deponiebau (S. 53)
6.1.1 Technische Sorptionsschicht bei der Verfüllung von Gruben und Steinbrüchen (S. 53)
6.1.2 Dichtungsmaterial im Deponiebau (S. 54)
6.2 Verwendung in der Land- und Forstwirtschaft (S. 57)
6.3 Anwendung zur Baustoffherstellung (S. 59)
6.3.1 Rohmaterial in zementgebundenen Spezialbaustoffen (S. 59)
6.3.2 Rohmaterial zur Herstellung zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoffe (S. 61)
6.3.3 Rohstoff für Lehmbaustoffe (S. 62)
6.4 Verwertung durch thermische Behandlung (S. 65)
6.4.1 Rohstoff zur Herstellung grobkeramischer Produkte (S. 65)
6.4.2 Rohstoff zur Blähtonproduktion (S. 68)
6.4.3 Calcinierung zur Aktivierung puzzolanischer Eigenschaften (S. 70)
6.5 Verwertung durch hydrothermale Behandlung (S. 72)
6.6 Zusammenfassung der Kriterien zur Eignungsabschätzung (S. 73)
7. Charakterisierung der ungenutzten Rohstoffe und feinkörnigen Reststoffe (S. 76)
7.1 Charakterisierung der Schwerminerale (S. 76)
7.2 Charakterisierung der tonig-schluffigen Sedimente (S. 77)
7.3 Charakterisierung der Kieswaschschlämme in den Projektstandorten (S. 80)
7.3.1 Physikalische Eigenschaften der Kieswaschschlämme (S. 81)
7.3.2 Mineralbestand der untersuchten Kieswaschschlämme (S. 83)
7.3.2.1 Mineralbestand der Kieswaschschlämme (S. 84)
7.3.2.2 Mineralbestand der fraktionierten Proben (S. 85)
7.3.3 Chemische Zusammensetzung der Kieswaschschlämme und des lagerstätteneigenen abschlämmbaren Anteils (S. 86)
7.3.3.1 Hauptelementgehalte in Kieswaschschlämmen (S. 86)
7.3.3.2 Hauptelementgehalte in lagerstätteneigenen, abschlämmbaren Anteilen (S. 87)
7.3.3.3 Spurenelementgehalte (S. 87)
7.4 Einfluss der Aufbereitung auf die petrographische Zusammensetzung der Kieswaschschlämme (S. 90)
8. Eignungsempfehlungen für ungenutzte Rohstoffe und Reststoffe der Projektstandorte (S. 91)
8.1 Anwendung der Tabellen zur Eignungsabschätzung (S. 91)
8.2 Ergebnisse der Eignungsabschätzung der tonig-schluffigen Rohstoffe (S. 92)
8.3 Ergebnisse der Eignungsabschätzung von Kieswaschschlämmen (S. 94)
8.4 Diskussion zur Qualität der unverwerteten Reststoffe (S. 96)
9. Experimentelle Produktentwicklung und Anwendungsprüfung der Kieswaschschlämme (S. 97)
9.1 Entwicklung eines Verfüllbaustoffs mit Kieswaschschlamm (S. 97)
9.1.1 Methoden zur Entwicklung eines Verfüllbaustoffs (S. 97)
9.1.2 Ergebnisse der Enwicklungsarbeit eines Verfüllbaustoffs mit Kieswaschschlamm (S. 99)
9.1.3 Resümee der Untersuchungen zur Anwendung von Kieswaschschlamm in einem Verfüllbaustoff (S. 99)
9.2 Anwendungsprüfung eines Kieswaschschlamms zur Ziegelherstellung (S. 101)
9.2.1 Methoden zur Rohmaterialbeurteilung für die Ziegelherstellung (S. 101)
9.2.2 Ergebnisse der Rohmaterialbeurteilung (S. 102)
9.2.3 Resümee der Anwendungsprüfung eines Kieswaschschlamms als Ziegeleirohstoff (S. 104)
9.3 Ressourceneffizienzbeitrag durch die Verwertung von mineralischen Reststoffen (S. 105)
10. Handlungsempfehlung für die Verwertung der Reststoffe (S. 107)
11. Quellen (S. 108)
11.1 Literatur (S. 108)
11.2 Karten (S. 113)
11.3 Normen, Regelwerke, Empfehlungen (S. 113)
11.4 Gesetze und Verordnungen (S. 115)
11.5 Internetquellen (S. 115)
Anhang (S. 116)
A1 Proben (S. 116)
A2 Korngrößenverteilung (S. 118)
A3 Korndichtebestimmung (S. 119)
A4 Bestimmung des Mineralbestandes mittels Röntgendiffraktometrie (S. 120)
A5 Chemische Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalysen (Hauptelemente) (S. 120)
A6 Spurenelementgehalte mittels Atomabsorptionsspektroskopie (S. 122)
A7 Röntgendiffraktometer-Aufnahmen zur Bestimmung des Mineralbestands (S. 123)

Die ressourceneffiziente Gewinnung der bedeutsamsten mineralischen Rohstoffe Sand und Kies für die Bauindustrie erfordert den schonenden und sparsamen Umgang mit Grund und Boden. Bei der Gewinnung und Aufbereitung der Rohstoffe Sand und Kies fallen unverwertete feinkörnige, mineralische Stoffe und Kieswaschschlämme an, die im Abbaugebiet wieder eingelagert werden müssen. Dazu wird nicht nur Energie und Wasser aufgewandt, es werden auch große Flächen belegt, die für die Verfüllung von Bodenaushub oder Baurestmassen nicht mehr zur Verfügung stehen und die Folgenutzung erschweren. Durchschnittlich bereitet ein bayerisches Kieswerk im Jahr 212000 t Sand und Kies mit 6 % tonig-schluffigen Sedimenten auf. Dabei werden mindestens 12700 t feinkörnige Kieswaschschlämme erzeugt, die in Schlammteichen oder Baggerseen lagern. Bisher werden die unverwerteten Stoffe kaum eingesetzt, da fehlende Verwendungsmöglichkeiten die Entwässerung und den Transport unrentabel machen. In dieser Arbeit werden mögliche Einsatzgebiete für die unverwerteten Lagerstättenbestandteile ermittelt und die Eignung der feinkörnigen Rohstoffe und Reststoffe in acht Lagerstätten der größten Sand- und Kiesvorkommen in Bayern untersucht. Dabei werden die physikalischen und chemisch-mineralogischen Eigenschaften der Stoffe dargestellt und die Faktoren zur Beeinflussung der Rohstoffqualität erläutert. In zwei Kieswerken wird die Verwendung der Reststoffe für die Herstellung von zementär gebundenen Verfüllbaustoffen und als keramischer Rohstoff entwickelt.

Zur Probenahme der Kieswaschschlämme werden flexible Schüttgutbehälter (Bigbags) verwendet. Die Charakterisierung der Lagerstätten und unverwerteten Lagerstättenbestandteile erfolgt durch petrographische, mineralogische, chemische sowie bodenmechanische Methoden. In einer Umfrage wird der Umgang mit Kieswaschschlämmen in Bayern bei Sand- und Kiesbetrieben abgefragt und die Methoden zur Herstellung, Entwässerung und Lagerung von Kieswaschschlämmen durch Betriebsbesichtigungen gesammelt und beschrieben. Baustofftechnische und keramische Versuche werden für die Fallbeispiele benötigt.

Die Korngrößenbestimmung und Plastizitätsermittlung ergibt, dass es sich bei den feinkörnigen Rohstoffen und Reststoffen um nicht bindige oder gering- bis hochplastische tonige, feinsandige Schluffe und tonige bis schluffige Feinsande handelt. Die Röntgendiffraktometer-Aufnahmen (XRD) und Rietveld-Auswertung der texturfreien und texturierten Proben ermöglichen die Unterscheidung von karbonatischen, quarzreichen, glimmerreichen und tonmineralhaltigen Schlämmen. Die Kationenaustauschkapazitäten (KAK) der Schlämme betragen 2–22 cmol_c/kg. Die Tonminerale der feinkörnigen, unverwerteten Lagerstättenbestandteile in Südostbayern bestehen überwiegend aus Smektitgruppenmineralen und Kaolinit. Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und atomabsorptionsspektroskopischen Messungen (AAS) zeigten, dass eine Veränderung der chemischen Haupt- und Spurenelementgehalte durch die Aufbereitung beim Einsatz von Zerkleinerungsanlagen durch Stahlabrasion oder eisenoxid- und eisenhydroxidhaltigen Sedimente geschieht. Schwermineralspektren der aufbereiteten Rohstoffe bestehen zum Großteil aus Granat, Hornblende und Epidot, die nur in geringen Mengen in den Kieswaschschlamm gelangen.

Die Rohstoffqualität der Kieswaschschlämme wird von der petrographischen Zusammensetzung der Lagerstätte, den aufbereiteten Rohstoffen, der Aufbereitungsmethode, dem Trennschnitt bei der Korngrößenverteilung, der Eindick- und Entwässerungsmethode und der Zugabe von Flockungshilfsmitteln charakterisiert. Tonmineralreiche Rohstoffe und Reststoffe können durch Calcinierung puzzolanische Eigenschaften entwickeln. Sie können auch zur Deponieabdichtung geeignet sein. Gesteinsmehle in zementär gebundenen Verfüllbaustoffen können durch trockenen oder feuchten Kieswaschschlamm ersetzt werden. Ziegeleien benötigen tonige Rohstoffe, karbonatische Porosierungs- und quarzhaltige Magerungsmittel. Die Aufnahme der Materialeigenschaften, die Kenntnis der möglichen Transportweite des Materials und die Vernetzung mit Folgeproduzenten verschiedener Industriezweige liefern einen Beitrag zur ressourceneffizienten Lagerstättennutzung in der Sand- und Kiesindustrie.

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Regina Maria Ettenhuber