The Circular Brick - Reconstructing Forgotten Alternatives. Phase: Entwicklung von dreidimensionalen Prototypen

AI Quick Summary

In Zeiten der Klima-, Energie- und Ressourcenkrise sind innovative Konzepte zur Wiederverwendung von Bauprodukten unabdingbar. Das Projekt lotet die Potentiale wieder verwendbarer Ziegel mittels Rekonstruieren vom historischen Wissen aus und verifiziert diese an Prototypen. Vor dem Hintergrund der heutigen Rohstoffknappheit, der Abfall- und Schadstoffproblematik, sind neue, konstruktiv-architektonische Antworten zur Umsetzung einer zirkulären Bauwirtschaft gefordert. Ein vielversprechender Ansatz bildet das Gebäude als Materialbank. Dabei wird das Bauwerk als Lagerstätte für Baumaterial [BAMB 2020 [1]] konstruiert und gestaltet. Nach der Dauer der Funktion und Form werden die eingelagerten Ressourcen durch den Rückbau wieder freigesetzt. Mittels BIM-Modells und Materialpass [madaster.ch[2]] kann die Planung und Logistik der eingelagerten Bauteile und Baustoffe vor den Rückbauarbeiten ermöglicht werden. Nach wie vor ist die Bauindustrie für über die Hälfte der Abfallmenge verantwortlich. Während heute bereits bei Metall, Holz und Beton überwiegend auf Baustofftrennung und Recycling gesetzt wird [Berichte Abfallstatistik, BAFU[3]], machen Ziegelsteine – meist im Verbund mit Mörtel-, Fliesen- und Fassadenresten – einen Grossteil der Abbruchmengen in der Deponie aus. Dabei waren wiederverwendete Ziegelsteine bis ins 20. Jahrhundert ein weit verbreitetes Baumaterial [Holzer[4], 2021/Podeger[5]]. Unter anderem durch die zunehmende Anzahl an Luftkammern (zur Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften) und die gestiegene Festigkeit der Zementmörtel, wurden moderne Ziegelsteine jedoch zu schwach für den schadfreien Rückbau; der Backstein wurde zum Einwegprodukt [Entner/Stockhammer[6]]. In der Geschichte des Backsteins gab es immer wieder Versuche, Stabilität auch durch mechanische Verzahnung, statt Vermörtelung zu erreichen. Fragen der Luftdichtigkeit, energetischen und statischen Anforderungen bilden hierbei die grössten Herausforderungen. Stecksysteme aus Zementsteinen werden bereits industriell hergestellt [Polycare[7]]. Doch eine erfolgreiche Übertragung auf einen Lochstein (aus tonhaltigem Lehm) als wiederverwendbaren Ziegel, konnte bei den Vorrecherchen nicht gefunden werden. Ziel der Untersuchung ist deshalb die Suche und Entwicklung nach Modellen eines Ziegelsteins, der die heutigen Anforderungen an Aussenwände erfüllen, mörtelfrei vermauert und schadfrei zurück gebaut werden kann. Das Forschungsprojekt wird dazu in drei Arbeitspakete aufgeteilt: Phase I: Rekonstruktion von Wissen: Mörtelfreie Backsteinkonstruktionen in der Baugeschichte (abgeschlossen)Phase II/: Vom Konzept zum Konstrukt: Entwicklung von dreidimensionalen Prototypen > Antrag zur FörderungPhase III: Auswertung mit Industriepartner, ggf. Antragskonzept für Testproduktion In einem möglichen Nachfolgeprojekt soll die praktische Umsetzbarkeit getestet und ausgewertet werden. [1] https://www.bamb2020.eu/[2] https://www.madaster.ch/de/aktuelles-2/blog/bauen-im-bestand-zirkulaeres-potenzial-der-architektur-dank-digitalisierung[3] https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/abfall/zustand/daten.html[4] Holzer, Stefan M. (2021). Backsteinstadt Zürich: Der Sichtbackstein-Boom zwischen 1883 und 1914, Zürich: Park Books,[5] Podeger, Wilko (2021). Backstein-Rohbau im Zeitalter der Industrialisierung, Dissertation, ETH Zürich [6] Entner, P., & Stockhammer, D. (2020). From Linear to Circular Construction: Liechtenstein's Building Stock as the Material Bank of the Future? In Upcycling. Reuse and Repurposing as a Design Principle in Architecture (pp. 132-147). [7] Polycare Research Technology GmbH & Co. KGWelches Problem würden wir gerne lösen?Abfallvermeidung: Heutige Ziegel werden aufgrund der starken Bindung an den Zementmörtel beim Rückbau zerstört. Ein großer Teil landet trotz Recycling auf der Mülldeponie. Der wichtigste Beitrag bei der Entwicklung von wiederverwendbaren Ziegeln ist die Reduzierung von Abfall und der damit verbundenen Energie- und Ressourcenverschwendung und infolgedessen die Reduzierung von CO2-Emissionen. Wer wird von der Lösung profitieren?Mehrfach zu verwendenden Produkten: Von der Entwicklung eines mehrfach zu verwendenden Bauprodukts profitiert nicht nur die Baubranche, sondern die gesamte Gesellschaft, da es neben den wirtschaftlichen Vorteilen ein viel grösserer positiver Effekt auf das Klima und den Ressourcen (Energie- und Materialverbrauch) entsteht. Wie wirkt sich die Lösung positiv auf den Planeten aus?Durch technologische Entwicklungen (wie z.B. Entkopplung der Ofen-Trockner-Kombination, Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen, wasserstoffbefeuerte Öfen oder Einsatz biogener Porosierungsmittel) konnte z.B. die deutsche Ziegelindustrie die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu den Werten aus den 1990er Jahren bereits um ca. 40 % auf rund 1,74 Mio. Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr (bezogen auf den Durchschnitt der Jahre 2014 bis 2018) reduzieren. Dies ist zwar richtig, trifft aber nicht den Kern des Problems mit dem Einwegprodukt Ziegel. Ein wiederverwendbarer Ziegel würde die Nachfrage und die damit verbundene Energie- und Materialverschwendung sowie die CO2-Emissionen drastisch reduzieren. Wurde die Idee bereits getestet?In der Vergangenheit gab es wiederholt Versuche, einen wiederverwendbaren Ziegel zu entwickeln, der ohne Mörtel verlegt werden kann. Diese Versuche reichen mehrere Jahrzehnte zurück (Ende des 19. bis Mitte des 20. Jahrhunderts). Wir greifen auf diese Quellen zurück und möchten das Design und die Verbindungen mit den ersten Prototypen testen. Team und RollenDas Kooperationsteam besteht aus Wissenschaftlern der Universität Liechtenstein und dem Industriepartner - Ziegelei Landquart AG (https://www.ziegelei-landquart.ch/). Die von den Wissenschaftlern evaluierten und weiterentwickelten Entwürfe für wiederverwendbare Ziegel werden mit Hilfe des Produktions-Know-hows und der Infrastruktur des Industriepartners an Prototypen getestet. Woran wollen wir während des Boosters arbeiten?Mit der Designvorlage werden wir die Basis für eine oder mehrere Testreihen mit mehreren Industriepartnern entwickeln. Mit den ersten Ergebnissen / Prototypen wollen wir die Industriepartner über die Plausibilität des zukünftigen Produktes überzeugen. Was erwarten wir von dem Booster?Mit der Teilnahme am CBI-Booster erhoffen wir uns zunächst die Erstellung von Ziegel-Prototypen mit dem neune Design. Zudem wollen wir damit weitere Industriepartner aufmerksam auf diese Entwicklung machen und sie für eine Testreihe (mit grösserer Anzahl und verschiedenen Materialmischungen) gewinnen. Auch sind wir interessiert an ingenieurtechnischer Unterstützung für Materialmischungen und Test- und Auswertungsmöglichkeiten. What problem would we like to solve?Waste prevention: Today's bricks are destroyed during dismantling due to the strong bond to the cement mortar. Despite recycling, a large part ends up in landfills. The most important contribution in the development of reusable bricks is the reduction of waste and the associated waste of energy and resources and, as a result, the reduction of CO2 emissions. Who are the customers and how will they benefit from our solution?Products to be used multiple times: The development of a reusable product benefits not only the construction industry, but also society as a whole, as there is a much greater positive effect on the climate and resources (energy and material consumption) in addition to the economic benefits. Team and rolesThe collaboration team consists of scientists from the University of Liechtenstein and the industrial partner - Ziegelei Landquart AG (https://www.ziegelei-landquart.ch/). The designs for reusable bricks evaluated and further developed by the scientists will be tested on prototypes with the help of the production know-how and infrastructure of the industrial partner. How does our challenge have a positive impact on the planet?Through technological developments (such as decoupling of the kiln-dryer combination, use of high-temperature heat pumps, hydrogen-fired kilns or use of biogenic porosification agents), the German brick industry, for example, has already been able to reduce greenhouse gas emissions by about 40 % to around 1.74 million tonnes of CO2 emissions per year (based on the average for the years 2014 to 2018) compared to the values from the 1990s. While this is true, it does not get to the heart of the problem with the disposable brick product. A reusable brick would drastically reduce demand and the associated waste of energy and materials, as well as CO2 emissions. Has our idea been tested before?In the past, there were repeated attempts to develop a reusable brick that could be laid without mortar. These attempts date back several decades (late 19th to mid-20th century). We draw on these sources and would like to test the design and connections with the first prototypes. What are we planning on working on throughout the booster?With the design template, we will develop the basis for one or more test series with several industrial partners. With the first results / prototypes we want to convince the industry partners about the plausibility of the future product. What are we expecting from the booster?By participating in the CBI Booster, we hope to initially create brick prototypes with the new design. In addition, we want to draw the attention of other industrial partners to this development and win them over for a series of tests (with a larger number and different material mixtures). We are also interested in engineering support for material blends and testing and evaluation capabilities.

Project Idea Metadata

Project Idea Name: The Circular Brick - Reconstructing Forgotten Alternatives. Phase: Entwicklung von dreidimensionalen Prototypen
Date: 8/31/2022 1:22:29 PM
Administrators:
- Gabriela Dimitrova

Project Idea Description

Vor dem Hintergrund der heutigen Rohstoffknappheit, der Abfall- und Schadstoffproblematik, sind neue, konstruktiv-architektonische Antworten zur Umsetzung einer zirkulären Bauwirtschaft gefordert. Ein vielversprechender Ansatz bildet das Gebäude als Materialbank. Dabei wird das Bauwerk als Lagerstätte für Baumaterial [BAMB 2020 [1]] konstruiert und gestaltet. Nach der Dauer der Funktion und Form werden die eingelagerten Ressourcen durch den Rückbau wieder freigesetzt. Mittels BIM-Modells und Materialpass [madaster.ch[2]] kann die Planung und Logistik der eingelagerten Bauteile und Baustoffe vor den Rückbauarbeiten ermöglicht werden.

Nach wie vor ist die Bauindustrie für über die Hälfte der Abfallmenge verantwortlich. Während heute bereits bei Metall, Holz und Beton überwiegend auf Baustofftrennung und Recycling gesetzt wird [Berichte Abfallstatistik, BAFU[3]], machen Ziegelsteine – meist im Verbund mit Mörtel-, Fliesen- und Fassadenresten – einen Grossteil der Abbruchmengen in der Deponie aus. Dabei waren wiederverwendete Ziegelsteine bis ins 20. Jahrhundert ein weit verbreitetes Baumaterial [Holzer[4], 2021/Podeger[5]]. Unter anderem durch die zunehmende Anzahl an Luftkammern (zur Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften) und die gestiegene Festigkeit der Zementmörtel, wurden moderne Ziegelsteine jedoch zu schwach für den schadfreien Rückbau; der Backstein wurde zum Einwegprodukt [Entner/Stockhammer[6]]. In der Geschichte des Backsteins gab es immer wieder Versuche, Stabilität auch durch mechanische Verzahnung, statt Vermörtelung zu erreichen. Fragen der Luftdichtigkeit, energetischen und statischen Anforderungen bilden hierbei die grössten Herausforderungen. Stecksysteme aus Zementsteinen werden bereits industriell hergestellt [Polycare[7]]. Doch eine erfolgreiche Übertragung auf einen Lochstein (aus tonhaltigem Lehm) als wiederverwendbaren Ziegel, konnte bei den Vorrecherchen nicht gefunden werden. Ziel der Untersuchung ist deshalb die Suche und Entwicklung nach Modellen eines Ziegelsteins, der die heutigen Anforderungen an Aussenwände erfüllen, mörtelfrei vermauert und schadfrei zurück gebaut werden kann. Das Forschungsprojekt wird dazu in drei Arbeitspakete aufgeteilt:

Phase I: Rekonstruktion von Wissen: Mörtelfreie Backsteinkonstruktionen in der Baugeschichte (abgeschlossen)

Phase II/: Vom Konzept zum Konstrukt: Entwicklung von dreidimensionalen Prototypen > Antrag zur Förderung

Phase III: Auswertung mit Industriepartner, ggf. Antragskonzept für Testproduktion

In einem möglichen Nachfolgeprojekt soll die praktische Umsetzbarkeit getestet und ausgewertet werden.

[1] https://www.bamb2020.eu/

[2] https://www.madaster.ch/de/aktuelles-2/blog/bauen-im-bestand-zirkulaeres-potenzial-der-architektur-dank-digitalisierung

[3] https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/abfall/zustand/daten.html

[4] Holzer, Stefan M. (2021). Backsteinstadt Zürich: Der Sichtbackstein-Boom zwischen 1883 und 1914, Zürich: Park Books,

[5] Podeger, Wilko (2021). Backstein-Rohbau im Zeitalter der Industrialisierung, Dissertation, ETH Zürich

[6] Entner, P., & Stockhammer, D. (2020). From Linear to Circular Construction: Liechtenstein's Building Stock as the Material Bank of the Future? In Upcycling. Reuse and Repurposing as a Design Principle in Architecture (pp. 132-147).

[7] Polycare Research Technology GmbH & Co. KG

Welches Problem würden wir gerne lösen?

Abfallvermeidung: Heutige Ziegel werden aufgrund der starken Bindung an den Zementmörtel beim Rückbau zerstört. Ein großer Teil landet trotz Recycling auf der Mülldeponie. Der wichtigste Beitrag bei der Entwicklung von wiederverwendbaren Ziegeln ist die Reduzierung von Abfall und der damit verbundenen Energie- und Ressourcenverschwendung und infolgedessen die Reduzierung von CO2-Emissionen.

Wer wird von der Lösung profitieren?

Mehrfach zu verwendenden Produkten: Von der Entwicklung eines mehrfach zu verwendenden Bauprodukts profitiert nicht nur die Baubranche, sondern die gesamte Gesellschaft, da es neben den wirtschaftlichen Vorteilen ein viel grösserer positiver Effekt auf das Klima und den Ressourcen (Energie- und Materialverbrauch) entsteht.

Wie wirkt sich die Lösung positiv auf den Planeten aus?

Durch technologische Entwicklungen (wie z.B. Entkopplung der Ofen-Trockner-Kombination, Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen, wasserstoffbefeuerte Öfen oder Einsatz biogener Porosierungsmittel) konnte z.B. die deutsche Ziegelindustrie die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu den Werten aus den 1990er Jahren bereits um ca. 40 % auf rund 1,74 Mio. Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr (bezogen auf den Durchschnitt der Jahre 2014 bis 2018) reduzieren. Dies ist zwar richtig, trifft aber nicht den Kern des Problems mit dem Einwegprodukt Ziegel. Ein wiederverwendbarer Ziegel würde die Nachfrage und die damit verbundene Energie- und Materialverschwendung sowie die CO2-Emissionen drastisch reduzieren.

Wurde die Idee bereits getestet?

In der Vergangenheit gab es wiederholt Versuche, einen wiederverwendbaren Ziegel zu entwickeln, der ohne Mörtel verlegt werden kann. Diese Versuche reichen mehrere Jahrzehnte zurück (Ende des 19. bis Mitte des 20. Jahrhunderts). Wir greifen auf diese Quellen zurück und möchten das Design und die Verbindungen mit den ersten Prototypen testen.

Team und Rollen

Das Kooperationsteam besteht aus Wissenschaftlern der Universität Liechtenstein und dem Industriepartner - Ziegelei Landquart AG (https://www.ziegelei-landquart.ch/). Die von den Wissenschaftlern evaluierten und weiterentwickelten Entwürfe für wiederverwendbare Ziegel werden mit Hilfe des Produktions-Know-hows und der Infrastruktur des Industriepartners an Prototypen getestet.

Woran wollen wir während des Boosters arbeiten?

Mit der Designvorlage werden wir die Basis für eine oder mehrere Testreihen mit mehreren Industriepartnern entwickeln. Mit den ersten Ergebnissen / Prototypen wollen wir die Industriepartner über die Plausibilität des zukünftigen Produktes überzeugen.

Was erwarten wir von dem Booster?

Mit der Teilnahme am CBI-Booster erhoffen wir uns zunächst die Erstellung von Ziegel-Prototypen mit dem neune Design. Zudem wollen wir damit weitere Industriepartner aufmerksam auf diese Entwicklung machen und sie für eine Testreihe (mit grösserer Anzahl und verschiedenen Materialmischungen) gewinnen. Auch sind wir interessiert an ingenieurtechnischer Unterstützung für Materialmischungen und Test- und Auswertungsmöglichkeiten.

What problem would we like to solve?

Waste prevention: Today's bricks are destroyed during dismantling due to the strong bond to the cement mortar. Despite recycling, a large part ends up in landfills. The most important contribution in the development of reusable bricks is the reduction of waste and the associated waste of energy and resources and, as a result, the reduction of CO2 emissions.

Who are the customers and how will they benefit from our solution?

Products to be used multiple times: The development of a reusable product benefits not only the construction industry, but also society as a whole, as there is a much greater positive effect on the climate and resources (energy and material consumption) in addition to the economic benefits.

Team and roles

The collaboration team consists of scientists from the University of Liechtenstein and the industrial partner - Ziegelei Landquart AG (https://www.ziegelei-landquart.ch/). The designs for reusable bricks evaluated and further developed by the scientists will be tested on prototypes with the help of the production know-how and infrastructure of the industrial partner.

How does our challenge have a positive impact on the planet?

Through technological developments (such as decoupling of the kiln-dryer combination, use of high-temperature heat pumps, hydrogen-fired kilns or use of biogenic porosification agents), the German brick industry, for example, has already been able to reduce greenhouse gas emissions by about 40 % to around 1.74 million tonnes of CO2 emissions per year (based on the average for the years 2014 to 2018) compared to the values from the 1990s. While this is true, it does not get to the heart of the problem with the disposable brick product. A reusable brick would drastically reduce demand and the associated waste of energy and materials, as well as CO2 emissions.

Has our idea been tested before?

In the past, there were repeated attempts to develop a reusable brick that could be laid without mortar. These attempts date back several decades (late 19th to mid-20th century). We draw on these sources and would like to test the design and connections with the first prototypes.

What are we planning on working on throughout the booster?

With the design template, we will develop the basis for one or more test series with several industrial partners. With the first results / prototypes we want to convince the industry partners about the plausibility of the future product.

What are we expecting from the booster?

By participating in the CBI Booster, we hope to initially create brick prototypes with the new design. In addition, we want to draw the attention of other industrial partners to this development and win them over for a series of tests (with a larger number and different material mixtures). We are also interested in engineering support for material blends and testing and evaluation capabilities.