Untersuchung des Einflusses von Gips- und Fasereigenschaften gipshaltiger Bauabfälle auf die Produktfestigkeit von Doppelbodenplatten nach DIN EN 12825 aus dem Taktpressverfahren

Walica, Wojciech; Quicker, Peter; Flamme, Sabine

doi:45725

Untersuchung des Einflusses von Gips- und Fasereigenschaften gipshaltiger Bauabfälle auf die Produktfestigkeit von Doppelbodenplatten nach DIN EN 12825 aus dem Taktpressverfahren = Investigation of the influence of gypsum and fiber properties in gypsum-containing construction waste on the product strength of raised floor panels manufactured by the cycle pressing process in accordance with DIN EN 12825

Walica, Wojciech^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wojciech Walica, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Flamme, Sabine (Thesis advisor) ; Quicker, Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-07-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-07861
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040359/files/1040359.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der stofflichen Verwertung gipshaltiger Bauabfälle zur Herstellung von Gipsfaserplatten (GFP) vor dem Hintergrund einer künftig zunehmenden Ressourcenknappheit im Gipssektor. In Deutschland werden jährlich rund 10 Mio. t Gips verbraucht, die derzeit jeweils zur Hälfte aus Naturgips und Rauchgasentschwefelungsgips (REA-Gips) stammen. Mit dem geplanten Kohleausstieg bis 2038 ist jedoch ein deutlicher Rückgang der REA-Gips-Verfügbarkeit zu erwarten, wodurch die Bedeutung von Recyclingstrategien erheblich zunimmt. Obwohl Gips grundsätzlich mehrfach recycelbar ist, werden bislang nur etwa 13 % der jährlich anfallenden rund 700.000 Mg gipshaltiger Bauabfälle stofflich verwertet. Das bestehende Recycling konzentriert sich überwiegend auf sortenreine, nicht imprägnierte Gipskartonplatten (GKP, Typ A), während imprägnierte GKP (Typ H) oder faserreiche Gipsprodukte wie Gipsfaserplatten (GFP) aufgrund ihrer Materialzusammensetzung mit den aktuellen Recyclingmethoden nicht oder nur in geringen Anteilen verwertet werden können. Ziel der Arbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften heterogener gipshaltiger Bauabfälle, relevanten Prozessparametern und der mechanischen Leistungsfähigkeit von Gipsfaserplatten systematisch zu untersuchen. Im Fokus steht die Bewertung der Eignung verschiedener gipshaltiger Bauabfälle, insbesondere unterschiedlicher GKP-Typen (A, H, DF) sowie Produktionsabfälle aus der GFP-Herstellung (Ausschussplatten, Schleifstäube, Gipsschlämme), für die Herstellung von Doppelbodenplatten nach DIN EN 12825.In einem dreistufigen experimentell-modellbasiertem Ansatz wurden die Einflüsse der Gips- und Fasereigenschaften der genannten gipshaltigen Bauabfälle auf die Produktionsprozesse sowie die Festigkeit von Doppelbodenplatten untersucht. Zunächst wurden Modellplatten aus reinem Stuckgips mit variierenden Faserstoffen hergestellt. Mittels multivariater Regressionsanalyse wurde die Armierungswirkung von Faserstoffeigenschaften auf die Bruchlast von Doppelbodenplatten analysiert. Dabei konnte der Holzstoffanteil als dominierender Einflussfaktor auf die Bruchlast identifiziert werden, gefolgt von Faserlänge, Feinanteil und Fasergehalt. Diese Parameter erklären gemeinsam etwa 83 % der beobachteten Varianz. Während längere Fasern die Festigkeit erhöhen, wirken sich hohe Holzstoff- und Feinanteile sowie steigende Fasergehalte negativ auf die Produktfestigkeit aus. Im zweiten Schritt wurden die gipshaltigen Bauabfälle nasskalziniert, zu α-Halbhydrat-Suspensionen aufbereitet und im Verhältnis 1:1 mit Stuckgips sowie einem krafthaltigen Altpapier zu Doppelbodenplatten verarbeitet. Platten mit einem Sekundärrohstoffanteil von 50 M.-% erreichen Bruchlasten von 7,7 bis 10,7 kN und erfüllen damit die Anforderungen der Elementklassen 2 bis 4 nach DIN EN 12825. Sie übertreffen somit die Festigkeiten von Referenzplatten aus reinem Stuckgips deutlich. Mineralische Nebenbestandteile und hydrophobe Additive zeigen innerhalb der untersuchten Bandbreite keinen signifikanten Einfluss auf die Produktfestigkeit, beeinflussen jedoch die Prozessführung. Höhere Anteile an mineralischen Nebenbestandteilen führen zu verlängerten Umwandlungszeiten sowie erhöhten Presszeiten. Materialien mit erhöhten Kurzfaseranteilen, wie sie beispielsweise bei Schleifstäuben auftreten, reduzieren hingegen die Festigkeit der Doppelbodenplatten. Im dritten Schritt wurde das entwickelte Regressionsmodell auf Systeme mit α-Halbhydrat angewandt. Dabei konnte gezeigt werden, dass α-Halbhydrat-Suspensionen die Gipseigenschaften signifikant verbessern und bei einem Substitutionsanteil von 50 M.-% zu einer Erhöhung der Bruchlast um 1 bis 2 kN (16–23 %) führen. Es zeigt sich, dass die Festigkeitsentwicklung maßgeblich durch die Wechselwirkungen zwischen Gipsmatrix und Faserqualität bestimmt wird. Insbesondere bei hochwertigen Fasern treten synergistische Effekte auf, die zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung der Doppelbodenplatten führen und das festigkeitssteigernde Potenzial des α-Halbhydrats weitgehend ausschöpfen. Bei minderwertigen Fasern hingegen bleibt dieses Potenzial weitgehend ungenutzt, sodass die Festigkeitssteigerung deutlich geringer ausfällt. Insgesamt belegt die Arbeit, dass die Bruchlast von Gipsfaserplatten aus komplexen, teilweise nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Faser- und Gipseigenschaften resultiert. Eine rein modellbasierte Vorhersage ist mit dem entwickelten Modell lediglich für Doppelbodenplatten auf Basis von 100 % Stuckgips zuverlässig möglich. Für Doppelbodenplatten mit einem Anteil von 50 % gipshaltiger Sekundärrohstoffe ist aufgrund der genannten Einflussfaktoren keine belastbare Vorhersage der Bruchlast möglich, sodass eine Anpassung der Modellparameter erforderlich ist. Gleichzeitig wird gezeigt, dass auch bislang wenig genutzte Bauabfallfraktionen, einschließlich imprägnierter GKP und faserreicher GFP-Abfälle, erfolgreich zur Herstellung hochwertiger Gipsfaserplatten eingesetzt werden können. Die Ergebnisse liefern eine fundierte Grundlage für die Entwicklung neuer Recyclingstrategien, die Optimierung industrieller Prozesse sowie die gezielte Steuerung von Produktqualitäten. Damit leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Etablierung einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft im Gipssektor und zur Reduzierung des Einsatzes primärer Rohstoffe.

This dissertation investigates the material recycling of gypsum-containing construction waste for the production of gypsum fiberboards (GFB) against the backdrop of increasing resource scarcity in the gypsum sector. In Germany, approximately 10 million tonnes of gypsum are used annually, currently sourced in roughly equal parts from natural gypsum and flue gas desulfurization gypsum (FGD gypsum). With the planned Coal Phase-Out by 2038, a significant decline in FGD gypsum availability is expected, thereby increasing the importance of recycling strategies. Although gypsum is inherently recyclable multiple times, only about 13 % of the approximately 700,000 Mg of gypsum-containing construction waste generated annually is currently recycled. Existing recycling processes primarily focus on pure, non-impregnated gypsum plasterboards (GPB, Type A), while or impregnated GPB (type H) and fiber-rich gypsum products such as gypsum fiberboards (GFB) are hardly recycled due to their material composition. The aim of this work is to systematically investigate the relationships between material properties of heterogeneous gypsum-containing construction waste, relevant process parameters, and the mechanical performance of gypsum fiberboards. The focus lies on evaluating the suitability of various waste fractions, particularly different GPB types (A, H, DF) and production residues from GFB manufacturing (reject boards, sanding dusts, gypsum slurries), for the production of raised floor panels in accordance with DIN EN 12825. A three-stage experimental and model-based approach was applied to analyze the influence of gypsum and fiber properties on processing behavior and mechanical strength. In the first step, model boards based on pure stucco gypsum with varying fiber materials were produced. A multivariate regression analysis was used to evaluate the reinforcing effect of fiber properties on bending strength. The lignin content was identified as the dominant influencing factor, followed by fiber length, fines content, and fiber content. Together, these parameters explain approximately 83% of the observed variance. While longer fibers increase strength, higher lignin and fines contents as well as increasing fiber content have a negative effect on mechanical performance. In the second step, gypsum-containing construction wastes were wet-calcined, processed into α-hemihydrate suspensions, and combined in a 1:1 ratio with stucco gypsum and a high-strength recycled paper to produce raised floor panels. Panels containing 50 wt.% secondary raw materials achieved breaking loads of 7.7 to 10.7 kN, meeting the requirements of classes 2 to 4 according to DIN EN 12825. These values significantly exceed those of reference panels made from 100 wt.% stucco gypsum. Mineral impurities and hydrophobic additives showed no significant influence on mechanical strength within the investigated range but affected processing conditions. Higher amounts of mineral impurities led to prolonged conversion and pressing times. Materials with increased short fiber content, such as grinding dusts, resulted in reduced panel strength. In the third step, the developed regression model was applied to systems containing α-hemihydrate. The results demonstrate that α-hemihydrate suspensions significantly improve gypsum properties and increase breaking load by 1 to 2 kN (16–23%) at a substitution rate of 50 wt.%. The strength development is strongly governed by interactions between the gypsum matrix and fiber quality. In particular, high-quality fibers exhibit synergistic effects, leading to a substantial increase in panel strength and enabling the full utilization of the strengthening potential of α-hemihydrate. In contrast, this potential remains largely unused when low-quality fibers are applied, resulting in significantly lower strength improvements. Overall, the study shows that the mechanical performance of gypsum fiberboards results from complex and partly nonlinear interactions between fiber and gypsum properties. A purely model-based prediction of breaking load is only reliable for boards made from 100% stucco gypsum. For boards containing 50% recycled gypsum, accurate prediction is not feasible without adapting the model parameters due to the increased material heterogeneity. At the same time, the study demonstrates that previously underutilized waste fractions, including impregnated GPB and fiber-rich GFB waste, can be successfully used to produce high-performance gypsum fiberboards. The findings provide a solid basis for the development of new recycling strategies, optimization of industrial processes, and targeted control of product quality. Thus, this work contributes significantly to establishing a resource-efficient circular economy in the gypsum sector and reducing the use of primary raw materials.

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